【国家标准(GB)】 塑料管道系统 用外推法对热塑性塑料管材长期静液压强度的测定

GB/T18252—2000
本标准参考ISO/DIS9080：1997《塑料管道系统期静液压强度的测定》制定。
用外推法对热塑性塑料材料以管材形式的长本标准的技术内容与ISO/DIS9080：1997一致。本标准改写了引言，对技术要素的编排作了适当变本标准的附录 A、附录B都是标准的附录。本标准的附录C是提示的附录。
本标准由国家轻工业局提出。
本标准由全国塑料制品标准化技术委员会归口。本标准负责起草单位：四川大学；参加起草单位：清华大学、山东胜利股份有限公司塑胶分公司、亚大塑料制品有限公司、北京雪花电器集团公司北京市塑料制品厂。本标准主要起草人：董孝理、孙振华、孙逊、何其志、张守强。本标推委托四川大学负责解释。391
GB/T 18252-2000
塑料材料的力学破坏与温度、载荷大小和受载时间有关。塑料压力管的正确使用考虑到了温度(T）和管内内压介质在管壁内产生的静液压应力()与管材破坏时间(t)的关系。一般说来，T升高或。升高，都导致t减少。
塑料压力管通常需要有几十年甚至100年的长期使用寿命。本标准用高温下管材在较短时间（仍需1年）的静液压应力破坏试验结果来外推几十年甚至100年使用时间下管材材料抵抗静液压应力的能力。
管材的静液压应力破坏试验结果表现出明显的数据离散性。这使T、α、t间的关系带有统计性质。可以选用合适的统计分布和概率来表述这一特点。本标准选用的统计分布是在同一T、α下，log1o呈正态分布。在此基础上，按以下顺序计算：1．多元线性回归；2．对1og10t作新观察值预测，同时引人学生氏(t.）分布及预测概率（e）；3.用logiot新观察值预测公式作反方向运算求得与一定T、t和e相应的应力，即静液压强度。
这一套计算方法称为标准外推法（standard extrapolation method,SEM）。附录A和附录B对SEM作了规定。附录C给出一个例子（引用自ISO/DIS9080：1997）。SEM建立了T、Q、t、e四个变量之间的关系。最常见的应用是解决以下两个问题。l．在一定T、a、e下预测logiot 的预测下限(lower prediction limit,LPL)。2．与一定T、t和e相应的应力，即静液压强度。这实际上是在T、t下，保证log1ot是预测概率不低于ε的预测下限时所应控制的应力上限。通常取ε=0.975,相应的应力为LPL。αLPI是管材制品许用应力、许用压力、压力等级和壁厚的设计基础。符号ai.Pi.始见于ISO/DIS9080：1997。先前的ISO文件中，使用符号Q1.c1.来表示同-物理量。从数学上看，oLPL的表述是正确的。由于国际贸易的需要，本标准中静液压强度aLTHs和aLPt.的定义按其在ISO/DIS9080：1997中的定义直译给出（见3.7和3.8）。
1范围
中华人民共和国国家标准
塑料管道系统
用外推法对热塑性
塑料管材长期静液压强度的测定Plastics piping and ducting systems-Determination of the long-term hydrostaticstrength of thermoplastics materials inpipe form by extrapolation
GB/T 18252--2000
本标准规定了一种用统计外推法估计热塑性塑料管材的长期静液压强度的方法。该方法建立在管材形式的试样的静液压破坏试验数据测定基础上本标准适用于在其适用温度下的各种热塑性塑料管材材料。2引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T6111--1985长期恒定内压下热塑性塑料管材耐破坏时间的测定方法(eqvISO/DP1167:1978)
GB/T8806-1988塑料管材尺寸测量方法（egvISO3126：1974）3定义和符号
3.1本标准采用下列定义。
3.1.1内压（p)internal pressure管内介质施加在单位面积上的力，单位：兆帕。3.1.2 应力(α） stress
内压在管壁内单位面积产生的指向环向(周向)的力，单位兆帕。用下列简化公式计算α：p(dem — emin)
式中·.…内压,MPa;
dem—管的平均外径，mm；
管的最小壁厚，mm。
3.1.3试验温度 Ttest temperature测定应力破坏数据所采用的温度，单位：度。3.1.4最高试验温度Tt.mxmaximum test temperature测定应力破坏数据所采用的最高温度，单位：度3. 1.5 使用温度T。 service temperature国家质量技术监督局2000-11-21批准（1)
2001-05-01实施
预设的管材使用温度，单位：度。3.1.6破坏时间tfailure time
管材发生渗漏的时间，单位：小时。GB/T 18252—2000
3.1.7长期静液压强度 ojTHslong-term hydrostatic strength一个与应力有相同量纲的量，单位：兆帕。它表示在温度T和时间t预测的平均强度。3.1.8预测的长期静液压强度的置信下限aLpllower confidence limit of thepredicted hydrostaticstrength
一个与应力有相同的量纲的量，单位：兆帕。它表示在温度T和时间t预测的静液压强度的97.5%置信下限。它被定义为（见附录A)：OLPL = a(T,t、0. 975)
3.1.9外推时间极限textrapolation time limits........(2)
高温较短时间试验数据（1年或1年以上）向低温长时间方向外推时允许达到的时间极限，单位：小时。
3.1.10外推(时间)因子 kentrapolation(time)factors由温度差决定的，与高温试验所得较短破坏时间（1年或1年以上）相乘得到低温下外推时间极限的因子。
3.1.11拐点knee
韧性破坏与脆性破坏这两种破坏模式的转折点。在log1oα对log1ot图上于拐点处斜率变化。3.2本标准采用下列符号。
3.2.1a1.THs表示长期静液压强度。3.2.2ai.Pl.表示与温度T、时间t、预测概率0.975相应的静液压强度。4试验数据的获得
4.1试验条件
管材的应力破坏数据应按GB/T6111规定的步骤测定。如果遇到与本标准的要求有相冲突之处，应以本标准的要求为准。
管内介质是水，管外环境是空气或水。试验期间，内压与给定试验压力的偏离量应控制在给定试验压力的十2%~~一1%范围内。按GB/T6111选择合适的状态调节步骤。在试验期间，管外环境应保持在试验温度的士1C内。试验应使用直管。每个管材试样都应按GB/T8806测定其平均外径和最小壁厚。测试温度为20℃士2℃。用直径为25mm~63mm的管材进行试验。4.2试验温度
在两个或两个以上试验温度TI、T2、……得到试验数据。试验温度应满足下列条件：a）每对相临的温度至少应相差10℃；b）对无定形聚合物或主要是无定形状态的聚合物，最高试验温度Tt.max不应超过维卡软化温度以下15C。对结晶或部分结晶聚合物，Tt,max不应超过熔点以下15℃；c）为了得到ot.PL的最佳估计，试验温度范围应包括使用温度或使用温度范围；d）如果在最低试验温度以下20℃范围内材料不发生物态变化，最低试验温度下所得数据可以向下外推20℃。
4.3内压水平和时间范围的分布
4.3.1对每个选定的温度，在至少5个规则分布的内压水平上观察试样的破坏时间，得到至少30个观察值。出于统计分析的需要，要求在一定的应力水平下有多个试验结果，即重复观察值。选择内压水平时.应做到至少有4个观察值在7000h以上，至少有1个观察值在9000h以上（见5.4）。当拐点存在394
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时，对两种破坏模式都应收集到可供统计分析的足够数量的观察值。4.3.2任何温度下，破坏时间10h以内的观察值都应舍弃。4.3.3温度小于等于40C时，若破坏时间在1000h以上的观察值的数量已能符合4.3.1的要求，可以舍弃破坏时间小于1000h的观察值。这时，应舍弃所有符合舍弃条件(温度和破坏时间)的观察值。4.3.4在最低内压水平没有破坏的试样，可以在多元线性回归计算和拐点判断时视为观察值。否则，也可以予以舍弃。
注：试验中，用肉眼观察到的因氧化降解破坏所致的破坏数据应予舍弃。因污染所致的破坏数据应予舍弃。5计算步骤
5.1计算方法
本方法基于多元线性回归分析，计算细节见附录A。不论有无拐点，本方法都适用。5.2拐点检验
一般通过检验试验后的试样来确定其破坏类型（韧性破坏或脆性破坏）。当不能正确判断部分试样甚至全部试样的破坏类型时，应按附录B的步骤来自动检验拐点是否存在。对每个温度的拐点检验都完成后，把数据分成两组，一组属于第一种破坏模式，一组属于第二种破坏模式。
使用所有温度下两种破坏模式的观察值，分别按附录A作多元线性回归拟合。5.3直观检验
将观察到的试验数据以log1oα为纵坐标，log1ot为横坐标作图。根据5.1的计算结果作qi.THs的线性回归线和QLPL曲线。
5.4计算外推时间极限t和外推时间因子ke5.4.1外推时间极限
由高温向低温外推，t。由k。和最大试验时间 tmax相乘得到。k。是△T的函数（见5.4.2）。
AT按式（3)进行计算：
△T = T T
准备进行外推的试验温度，T,≤T,max，C；式中：T—
T-准备算出外推时间极限的温度,Ts≤T,C。to按式（4)进行计算：
te = ketmax
t。和tmax应采用相同的单位小时（h）或年（a）。·（3）
（4）
当tmmx等于8760 h（1年）时，k。表示以年为单位的最大外推时间te。tmax由同一温度的5个最长破坏时间的对数值取平均后得到。这5个时间不一定是同一应力水平下的破坏时间。在计算tmax时，还没有破坏的试样可以视为“已破坏”。所有这些被视为“已破坏”的试验点应当包括在计算赖以进行的样本总体中。
外推时间极限的示例见图1～图3。只在最高试验温度检验出拐点的示例见图2。在较高的多个温度检验出了拐点的示例见图3。
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ketmax
图1最高试验温度无拐点时作外推及其外推时间极限log t.a
ketmax
iogtot
Jog iot
图2仅在最高试验温度有拐点时作外推及其外推时间极限log ra
kea t max 2
E auxl + max ?
iog tot
图3在不同试验温度有拐点时作外推及其外推时间极限5.4.2外推时间因子
外推时间因子以在可能的最高试验温度（见4.2)下试验测定的破坏时间和表示温度依赖关系的Arrhenius方程为基础计算，方程中的活化能是脆性破坏模式的活化能的保守估计值。5.4.2.1对聚烯烃（结晶或部分结晶聚合物），活化能取110kJ/mol。计算结果经数据圆整后见表1。396
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表1对聚烯烃,AT(=T,-T)和ke的关系k
5.4.2.2对氯乙烯为基础的玻璃态无定形聚合物，活化能取178kJ/mol。计算结果经数据圆整后见表2。表2也适用于连续相是以氯乙烯为基础的聚合物的改性聚氯乙烯材料。表 2对以氯乙烯为基础的聚合物,△T(一T一T)和k。的关系AT,K
5.4.2.3对其他聚合物，可以使用表1,但表1给出的是保守的结果。对某一特定聚合物，如果有试验结果，可以直接计算和使用其外推时间因子。6试验结果
根据试验所得数据，按照附录A的方法计算得到iPI。一个部分结晶聚合物的计算示例见附录C。7试验报告
试验报告应包括以下资料：
a）注明采用本标准；
b）对样品的全面鉴别，包括制造商、材料种类、代号、来源及其他相关内容；c）用作试验的管材尺寸；
d）试验用的管外环境和管内压力介质；e）观察值表，对每个观察值包括：试验温度（C），内压（MPa）、应力（MPa）、破坏时间（h）、试验日期以及其他相关内容；此内容来自标准下载网
f）因破坏时间小于1000 h而舍弃的数据数目，相应温度和破坏时间；g）用于估计QLTHs和α1,PL的模型；h）对每种破坏模式分别列出参数c的点估计值及其标准差si;i）Qi.THs的线性回归线和QLPL曲线及观察到的破坏点的图；i）试验中的任何异常情况。
一般模型
A1.1四参数模型
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附录A
（标准的附录）
CLTHs和 LPL的计算方法
本标准使用的模型一般为式(1)四参数模型：logiot = C + C2
式中：t--
破坏时间,h；
温度，K（C+273.16)；
环应力，MPa;
C 参数之—;
e误差变量。
+ c,logrug +
e服从正态分布，平均值为0，方差恒定。假设误差独立。A1.2三参数模型
logioa
当参数c3不显著（c=0），上述般模型简化为三参数模型，即：log1ot= C1十 C2元
log1oo
选用四参数模型还是三参数模型取决于参数C3的显著性。A1.3二参数模型
当只考虑一个温度的情况，四参数模型简化为二参数模型，即：logiot=Ci+cglogiog+e
A1.4计算示例
·（A1）
·（A2)
·（A3）
四参数模型的计算如下所述。从模型中除去相应的项可以得到三参数模型或二参数模型的计算。由于可能发生矩阵病态问题，需要使用计算机双精度运算。使用下列矩阵记号：
log1o01
logtooN
logiot
LlogiotN
log1oo
·（A4)
logioon
（A5）
（A6)
（A7)
式中：N观察值总数。
式(A1)成为：
参数的最小二乘法点估计值为：残差方差估计值为：
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c=(XTX)-IXTy
s2 = (y— Xe)r(y — Xo)/(N g)（A8）
（A9）
（A10）
式中g是模型中参数的个数，当前情况下94。符号”表示矩阵的转置运算。-1表示求逆矩阵的运算。符号～表示拟合值。
在温度T,应力α下，破坏时间t的对数log1ot的预测的平均值为：log1ot = +c2
logtog
+c,logioa + c4
在温度T，应力α下，破坏时间t的对数log1ot的97.5%预测概率预测下限为：logrot = c, + c2
+ c,logg +
logioo
- tas[1 +T(XTX)-1r
（A11）
......(A12 )
式中t是自由度为N一4的学生氏t分布与0.975概率水平相应的分位数。为避免混淆，本标准中将学生氏t分布表示为tal。
记号表示向量
logiog
logrog
作预测的反方向运算，从式（A11)解出α得到QLTHS，从式（A12)解出α得到αLPIL：log1oQLTHS
logot - -2)/(0++)
OLTHS = 10(O810°LTHs)
logioOLPL
β±p-4αy
GLPL = 10(o810°lpl)
式中：
(+a)\t·K+2Ka++Ku)
·（A13）
（A14）
（A15）
·（A16）
（A17）
β=2e+-logio)(+)2s[K+（Ka+Ka)+K.*（A18)
=(e +-logiot)\-tasKu+2K+K+1)....(A19)
K,是矩阵K一（XTX)-1中指标为ij的元素。式（A15)中，α0时，根号前取减号，α<0时，根号前取加号。
A2简化的模型
对三参数模型（c3—0）,有
logiogLTHS
logiot
（A20)
式中：
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logiooupL = β± β- 4ay
a(a) -sKu
β=2(+-1og)-2+)
=(α +logio) {+2K+K+1)
t的自由度为N一3。
A3拐点存在时计算 QLTHs和 LPL...(A21 )
..(A22)
........( A23)
....(A24)
如果两种破坏机理都存在，应将可用的试验数据按其破坏模式分为二组，分别对这两组数据进行拟合。
如果不能鉴别部分甚至全部数据点的破坏模式，则按附录B所述步骤，对每一个温度分别进行拐点的自动检验。按拐点的自动检验法结果将数据分成二组。对每组数据，如果数据的数量及其在温度范围内的分布是合适的（见4.2和4.3），按上述一般步骤（见A1和A2)分别计算出αLTHs和αLPL。附录B
（标准的附录）
拐点的自动检验
B1原理
理想情况是通过检验试验后的试样来确定其破坏类型（韧性破坏或脆性破坏）。如果部分试样甚至全部试样都不能用这种方法来确定其破坏类型时，应按下述步骤用计算的方法分别在每个温度检验拐点是否存在。如果存在拐点，确定拐点位置，并对那些破坏类型不确定的试验点划分其归属的破坏类型。该计算方法假设，在给定温度和破坏类型，log1oα和log1ot之间关系可用式（A3）的二参数线性模型描述。假设破坏类型与静液压应力有关。应力在拐点值以下时，试验点归属为脆性破坏，应力在拐点值以上时，试验点归属为韧性破坏。B2步骤
体现上述原则并考虑到破坏类型的模型为：logiot = Ci + cglogioo + C3i(logiog - logiodk) +e·（B1）
式中ak是拐点处的应力。C31适用于韧性破坏，C32适用于脆性破坏。C31=一C32。上式含有4个参数。计算步骤是：在应力值的试验范围内扫描，按模型拟合试验数据，对每次拟合计算残差方差。其中残差方差最小者记为s，表示扫描时所得最佳拟合，相应于最佳α值。使用没有拐点的二参数模型来拟合试验结果，得到残差方差s。量构成近似服从分子自由度为 N-2 分母用F检验来确定拐点是否存在。原假设为拐点不存在。自由度为N一4的F分布的统计量F~-2.N-4。式中N是该温度下试验结果数。检验所用概率（即显著性水平)为5%，若在F分布上与F-2.N-4400
专值相应的概率大于0.05，则认为原假设成立，不存在拐点。Sk
反之，若与FN-2.N-4
C1 观察值表
观察值见表C1。
温度（
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值相应的概率小于0.05，则认为原假设不成立，认为存在拐点。Sk
附录C
（提示的附录）
标准外推法用于部分结晶聚合物应力破坏数据的示例表C1
应力,MPa
时间，h
观察值表
温度，℃
应力，MPa
时间，h
温度，℃
应力，MPa
自动检验拐点示例
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表C1(完）
时间，h
对下列一组 40℃的观察值(见表C2)检验拐点。温度，℃
表 C2观察值表
温度，℃
应力，MPa
时间，h
温度，℃
应力，MPa
应力，MPa
时间，h
时间，h
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