水利工程塑料管材落錘沖擊試驗的不確定度評定及試驗方法研究

孫丹丹，曹增龍，羅 偉，付家敏，張 年

(湖北正平水利水電工程質(zhì)量檢測有限公司，湖北 武漢 430070)

隨著國家對水利工程基礎設施建設的投資力度逐漸加大，塑料管材因其價格優(yōu)惠、節(jié)能環(huán)保和性能優(yōu)越等優(yōu)勢在水利工程中的應用越來越廣泛，常見的管材類型主要有：聚氯乙烯管(PVC管)、聚乙烯管(PE管)和聚丙烯管(PP管)3類[1]。為了使塑料管材的質(zhì)量得到保證，檢測水利工程塑料管材的物理力學性能顯得尤為重要[2]。物理力學性能檢測的指標主要包括：靜液壓強度、氧化誘導時間、縱向回縮率、維卡軟化溫度、落錘沖擊試驗等，主要針對落錘沖擊試驗進行介紹。

落錘沖擊試驗是衡量水利工程塑料管材耐沖擊韌性的重要檢測方法，通過一定質(zhì)量的落錘從不同的高度沖擊管材規(guī)定的部位，以沖擊破壞總數(shù)除以沖擊總數(shù)即真實沖擊率(TIR)小于或等于10%則判定為合格，依據(jù)主要為GB/T 14152—2001《熱塑性塑料管材耐外沖性能試驗方法 時針旋轉(zhuǎn)法》。為提高水利工程塑料管材落錘沖擊試驗的準確性，引入不確定度理論對落錘沖擊試驗進行修正，并對該試驗的方法進行系統(tǒng)性地概括和研究，以期為水利工程塑料管材質(zhì)量檢測提供新的思路。

1 不確定度理論

對于水利工程質(zhì)量檢測，為保證測量結果的可靠程度應對測量結果的質(zhì)量進行定量說明，表征測量值的分散性，即不確定度[3]。不同于誤差的是，不確定度是主要衡量測量結果質(zhì)量的指標，測量結果不確定度的大小在一定程度上表明了測量結果的可用性[4]，即不確定度愈小，測量結果與測量真值愈接近，測量結果質(zhì)量愈高，其使用價值愈高；反之不確定度愈大，測量結果與測量真值相差愈大，其使用價值愈低[5- 8]。落錘沖擊試驗中所需的沖擊能量主要通過落錘沖擊試驗機來實現(xiàn)[9]，管材落錘沖擊試驗的不確定度的重點在于校核落錘式?jīng)_擊試驗機的不確定度，不確定度的評定過程如圖1所示。通過評定落錘式?jīng)_擊試驗機的不確定度，以提高落錘式?jīng)_擊試驗的整體準確性和可靠度。

1.1 儀器與設備

采用的試驗儀器為XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗機，滿足ISO3127對試驗設備的要求，由工作臺、防止二次沖擊機構、導向管、錘體、錘體升降及自動落錘機構、電機、減速器、電控箱、機座等組成，主要的技術參數(shù)見表1。

XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗機試驗設備實物如圖2所示。

1.2 識別和分析不確定度來源

XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗機不確定度的來源主要有：隨機因素引起的落錘質(zhì)量測量的不確定度，包括衡器不準確引起的不確定度um1和重復測量引起的不確定度um2；跌落高度的測量所引起的

圖1 不確定度評定步驟

表1 主要技術參數(shù)表

圖2 落錘式?jīng)_擊試驗機試驗設備實物圖

不確定度，包括測量高度裝置不準確引起的不確定度uh1和重復測量引起的不確定度uh2；沖擊速度測量的不準確所引起的不確定度，包括測量速度裝置不準確引起的不確定度uv1和重復測量引起的不確定度uv2。

1.3 數(shù)學模型

落錘沖擊試驗中誤差主要來源于落錘跌落過程中的能量損失，根據(jù)能量守恒定律和能量轉(zhuǎn)化原理，能量損失公式為[10]：

(1)

落錘沖擊速度和跌落高度互不相關，即相互獨立：

(2)

式中，C1、C2—靈敏度系數(shù)。

(3)

(4)

所以，不確定度為：

(5)

1.4 不確定度評定

1.4.1落錘質(zhì)量測量的不確定度評定

衡器采用電子計重秤，允許誤差為±1g，區(qū)間半寬δm=1g，通常假設為均勻分布，采用B類方法評定[11]，計算公式為：

(6)

由重復測量值引起的不準確度采用A類方法中的極差法進行評定[12]，計算公式為：

(7)

則落錘質(zhì)量測量的不確定度為：

(8)

1.4.2跌落高度測量的不確定度評定

測量高度裝置采用鋼卷尺，允許誤差為±1.0mm，區(qū)間半寬δh=1mm，通常假設為均勻分布，采用B類方法評定，計算公式為：

(9)

由重復測量值引起的不準確度采用A類方法中的極差法進行評定，計算公式為：

(10)

則跌落高度測量的不確定度為：

(11)

1.4.3沖擊速度測量的不確定度評定

(12)

由重復測量值引起的不準確度采用A類方法中的極差法進行評定，計算公式為：

(13)

則沖擊速度測量的不確定度為：

(14)

1.5 不確定度的計算

對XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗機進行不確定度評定，落錘質(zhì)量、跌落高度和落錘速度重復進行n=5次測量，各有關測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果見表2。

通過上述計算公式，各有關測量數(shù)據(jù)的不確定度及能量損失的擴展不確定度見表3。

由表3計算結果可知，XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗機能量損失擴展不確定為2.26%(k=2)，測量結果與測量真值接近，采用此系列的試驗機進行落錘沖擊試驗的結果使用價值高。

表2 各測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表3 各測量數(shù)據(jù)的不確定度

2 落錘沖擊試驗方法研究

落錘沖擊試驗現(xiàn)行的規(guī)范主要為GB/T 14152—2001《熱塑性塑料管材耐外沖性能試驗方法時針旋轉(zhuǎn)法》[13]，對該規(guī)范進行了系統(tǒng)性地總結和研究。落錘沖擊試驗步驟如圖3所示。

圖3 落錘沖擊試驗步驟

2.1 試樣制備

試樣制備的內(nèi)容主要包括試樣切割、試樣長度、試樣標線和試樣數(shù)量。

(1)試樣切割。試樣從連續(xù)生產(chǎn)的管材中隨機抽取，切割斷面應光滑無損傷，與管材軸線垂直。

(2)試樣長度。試樣長度取200mm±10mm。

(3)試樣標線。當前試樣標線有2種畫法[14]：軸向畫線法(如圖4所示)和徑向畫線法(如圖5所示)。

圖4 軸向畫線法

圖5 徑向畫線法

在實際操作過程中，圖5存在管材無法進行時針旋轉(zhuǎn)、沖擊點集中于管材的某一軸線上而無法綁定管材的整體質(zhì)量、標線間距過小導致實際操作無法實現(xiàn)對每道劃線的沖擊等缺陷。推薦采取圖4的軸向畫線法。不同外徑管材試樣應畫線數(shù)根據(jù)GB/T 14152—2001中表3確定。

(4)試樣數(shù)量。試驗所需試樣數(shù)量根據(jù)GB/T 14152—2001中表3確定，根據(jù)TIR值為10%時的判定表，試樣沖擊總數(shù)須≥25次。即：試驗所需試樣數(shù)量=沖擊總數(shù)/不同外徑管材試樣應畫線數(shù)。

2.2 狀態(tài)調(diào)節(jié)

狀態(tài)的調(diào)節(jié)主要包括溫度的調(diào)節(jié)，一般采取(0±1℃)的水浴和(20±2℃)的空氣浴進行管材溫度的調(diào)節(jié)，不同管材壁厚狀態(tài)調(diào)節(jié)時間根據(jù)GB/T 14152—2001中表4確定。

2.3 確定落錘質(zhì)量和沖擊高度

GB/T 14152—2001中規(guī)定落錘的質(zhì)量和沖擊高度按照產(chǎn)品標準所需來確定，未明確實際落錘質(zhì)量和沖擊高度的參考值，建議可參照GB/T 19472.1—2019《埋地用聚乙烯(PE)結構壁管道系統(tǒng)第1部分：聚乙烯雙壁波紋管材》[15]中表8確定(使用地區(qū)氣溫-10℃以下)，見表4。

2.4 沖擊試樣

管材外徑DN≤40mm的試樣，僅進行一次沖擊；對于管材外徑DN>40mm的試樣，首先沖擊管材的1號標線，若試樣未破壞，對管材進行時針旋轉(zhuǎn)，沖擊管材的2號標線，直至試樣破壞或全部標線均被沖擊一次。每個試樣均應進行沖擊。落錘回跳捕捉率應保證100%。

2.5 結果判定

以真實沖擊率(TIR)來判定水利工程塑料管材的沖擊性能，一般要求TIR值小于等于10%，或試樣沖擊的破壞數(shù)集中在A區(qū)；若根據(jù)現(xiàn)有沖擊試樣數(shù)不能作出判定，應增加試樣數(shù)量繼續(xù)進行沖擊，直至可以得出判定結果。

3 結語

(1)水利工程塑料管材耐沖擊韌性常采用落錘沖擊試驗進行檢測，本文嘗試性地識別該試驗的不確定度來源，建立數(shù)學模型，并對其不確定度進行評定，為測量結果與測量真值接近程度提供定量數(shù)據(jù)支撐。

(2)現(xiàn)行規(guī)范未明確試樣標線方式，建議采用軸向畫線法，提出了落錘質(zhì)量和沖擊高度的參照值，對水利工程塑料管材落錘沖擊試驗具有較好的指導意義。

(3)不確定度理論僅用于落錘沖擊試驗，水利工程塑料管材的其他物理力學性能如靜液壓、氧化誘導時間、維卡軟化溫度等均可參照本文理論進行系統(tǒng)分析，在今后的研究中將以此為重點。