一种塑料管道热氧老化试验系统及其方法

技术领域

本发明涉及塑料管道热氧老化试验技术领域，特别是涉及一种塑料管道热氧老化试验系统及其方法。

背景技术

塑料管道因具有节能环保、良好抗腐蚀性、轻质强度高、柔韧性好、内壁光滑摩擦小、材料以及施工安装成本低、维抢修便捷、使用寿命长等优点，被广泛用于城市地下工程中。但随着塑料管道服役年限的增加，目前一些地下的塑料管道已经出现老化问题，而塑料管道老化很容易出现漏水、漏气、漏电等事故的发生。塑料管道老化主要因素有土壤因素、高温因素、氧气氧化因素以及管道内外压力因素，通过模拟塑料管道在上述因素下的老化速率，可提前塑料管道的使用寿命做出评估，以在塑料管道寿命到达前，对地下管道内的塑料管道进行更换。

为此，专利号为“202210710014.7”，专利名称为“一种自动控压塑料管道热氧老化试验平台及其使用方法”提出了一种塑料管道热氧老化模拟试验系统。该系统包括压力调节装置和热氧老化装置两部分，压力调节装置主要由PLC控制器、空气压缩机、压力传感器、电磁阀、安全阀、手动球阀、气体分流器和若干连通钢管组成，热氧老化装置主要由烘箱和带封堵头的若干组塑料管道组成，烘箱可为塑料管道提供高温环境，空气压缩机、空气压缩机为塑料管道提供恒定内压或者波动内压，继而探究在预设高温和预设内压下，塑料管道的老化塑料。但上述专利中存在诸多问题：一、在实际工作环境中，塑料管道埋于地下，除了内部受到运输气体的压力，外部还会受到土壤的压力，而上述专利仅为塑料管道提供了内部压力，没有外部压力，如果仅受内部压力，管道会因内部压力膨胀；二、缺乏土壤因素的影响；三、模拟内压时通入的是空气，比塑料燃气管实际工作时运载的气体含氧量要高，会导致实验时管道氧化情况与实际情况不符。因此，上述专利的塑料管道热氧老化模拟试验系统的模拟不够真实，得出的塑料管道老化速率参考价值不大。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种塑料管道热氧老化试验系统及其方法，除了内压因素和高温因素，还提供了外因素压和土壤因素，相较于现有技术提供的氧化老化因素更加全面，使得模拟结果更加真实。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种塑料管道热氧老化试验系统，包括外部加压单元、内部加压单元和热氧老化单元；

所述外部加压单元包括能够升降的加载头，所述加载头的加载端设有水平设置的加载板；

所述热氧老化单元包括具有加热功能的加热箱，所述加热箱的加热腔室内设有承压箱，所述承压箱内设有用于装填土壤的承压腔室，所述承压腔室内的土壤内埋设有水平布置的塑料管道，所述承压箱的顶部开设有供所述加载板伸入的加压口，所述加载板和所述承压腔室在竖向投影上重合，所述承压箱上设有连通所述承压腔室和加热腔室的通风设备，所述加热箱上设有连通加热腔室和外界的通气孔；

所述内部加压单元包括供气量能够调节的供气设备和用于封堵所述塑料管道的两端的封堵头，所述供气设备通过进气管与所述塑料管道其中一端的封堵头连通。

优选地，所述加热箱上设有定时器、电加热器以及温控仪。

优选地，所述外部加压单元包括竖向设置的千斤顶，所述加载板固定连接在所述千斤顶的加载头上。

优选地，所述供气设备包括氮气瓶，所述氮气瓶上设有用于与进气管连通的供气管，所述供气管上沿气体流动方向设有一级减压阀和一级气压表，所述进气管上沿气体流动方向依次串连的升压电磁阀、二级气压表以及降压电磁阀，所述二级气压表为电子气压表，所述升压电磁阀、二级气压表以及降压电磁阀通过PLC控制器控制。

优选地，所升压电磁阀上并联有二级减压阀和升压手动球阀，所述二级减压阀和所述升压手动球阀沿气体流动方向依次串连，所述降压电磁阀上并联有降压手动球阀。

优选地，所述承压腔室的土壤内由上至下依次埋设有不同深度的塑料管道，所述氮气瓶上设有供气管，所述供气管通过若干连通管与若干个所述塑料管道的进气管一一连接。

还公开了一种塑料管道热氧老化试验方法，采用了上述的塑料管道热氧老化试验系统，包括以下步骤：

S1、将塑料管道截取至预设长度，并用封堵头将所述塑料管道的两端进行封堵，将封堵头的进气管与供气设备连通；

S2、用土壤将封堵后的塑料管道按预设深度水平埋设在承压箱的承压腔室内，启动加载头，加载板按预设压力对所述承压腔室内的土壤进行加压，以对所述塑料管道的外部进行加压，启动供气设备，按恒定压力状态或波动压力状态为所述塑料管道内部进行加压；

S3、启动加热箱和通风设备，按预设老化温度对加热腔室进行加热；

S4、待所述塑料管道达到预设老化时间后，关闭氮气瓶，打开手动降压阀，释放所述塑料管道内压力，升起加载板，移出所述承压腔室内的土壤，拆除封堵头，将所述塑料管道取出，根据老化程度和预设老化时间计算老化速率。

优选地，步骤S2中，按不同预设深度由上至下依次埋设若干塑料管道或者在同一预设深度并排埋设若干塑料管道。

优选地，步骤S2中，恒定压力状态工作过程：首先，开启氮气瓶本身的阀门，调节一级减压阀，使压力大于为实验所需的最大压力值；然后，启动PLC控制器，当二级气压表检测到压力未达到设定值，PLC控制器给升压电磁阀通电，给所述塑料管道的管内升压，当所述二级气压表检测到压力上升至设定值时，通过PLC控制器给升压电磁阀断电；波动内压模拟工作过程：首先，开启氮气瓶本身的阀门，调节一级减压阀，使压力大于为实验所需的最大压力值；然后，启动PLC控制器，设定好高低峰循环周期时间，PLC控制器控制升压电磁阀启动，使塑料管道内压力达到设定高峰，PLC控制器自动关闭升压电磁阀，经过设定的高峰时间段后，PLC控制器控制降压电磁阀启动，待塑料管道内压力下降到下限设定值时，PLC控制器控制降压电磁阀关闭，经过设定的低峰时间段后，再开启所述升压电磁阀进行补压，塑料管道内的压力上升到上限设定值时，PLC控制器自动关闭升压电磁阀，然后重复循环启闭动作。

优选地，步骤S2中，当需手动控制时：对于恒定内压模式，先将二级减压阀调整到设定值，再打开升压手动球阀进行加压；对于波动内压模式，在高峰时间段，先将二级减压阀调整到高峰设定值，再打开升压手动球阀，塑料管道内达到设定高峰，到低峰时间段，先关闭升压手动球阀，将二级减压阀调整到低峰设定值，打开降压手动球阀，通过所述二级气压表确认降至下限设定值时关闭降压手动球阀，再打开所述升压手动球阀使压力保持稳定，确定循环需要时长，再重复以上操作。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明除了在塑料管道的内部进行加压，模拟真实内部压力因素之外，通过用土壤将塑料管道填埋后，并在加载头和加载板对土壤进行加压下，使得塑料管道的外部也得到了加压，模拟真实的外部压力因素，同时土壤还提供给了塑料管道模拟真实的土壤因素，配合着加热腔室提供的高温因素和通风设备、通气孔带来的模拟真实含氧量因素，继而能够为塑料管道老化提供有效的模拟氧化老化环境，继而提高塑料管道的模拟真实性。

2.本发明给塑料管道提供内压时，提供的是氮气，能够充分模拟燃气管道等真实的含氧量，避免含氧量较高，老化速率远超实际氧量下的老化率。

3.本发明通过PLC控制器和升降压电磁阀，可以提供恒定压力模式和波动压力模式，以模拟输送管恒定输送气体状态和部分地区高低峰输送气体状态。

4.本发明中还设定了手动阀，可在紧急情况或电磁阀失灵情况，进行临时操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为塑料管道热氧老化试验系统的结构示意图；

图2为内部加压单元的结构示意图；

图3为外部加压单元和热氧老化单元的结构示意图；

图4为塑料管道和封堵头的连接结构示意图。

附图标记说明：

1、加热箱；2、承压箱；3、千斤顶；4、氮气瓶；5、塑料管道；6、PLC控制器；7、土壤；

101、加热腔室；

201、承压腔室；202、加压口；

301、加载头；302、加载板；

401、封堵头；402、快拧接头；403、夹具；

501、进气管；502、连通管；503、供气管；504、一级减压阀；505、一级气压表；506、升压电磁阀；507、二级气压表；508、降压电磁阀；509、二级减压阀；510、升压手动球阀；511、降压手动球阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一单元实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种塑料管道热氧老化试验系统，如图1至图4所示，包括外部加压单元、内部加压单元和热氧老化单元。

外部加压单元包括能够升降的加载头301，加载头301的加载端设有水平设置的加载板302。

热氧老化单元包括加热功能的加热箱1，加热箱1的加热腔室101内设有承压箱2，承压箱2的尺寸小于加热腔室101。承压箱2的内部设有承压腔室201，承压箱2的顶部设有与承压腔室201连通的加压口202，通过加压口202可向承压腔室201内装填土壤，土壤7的成分与所要模拟的现场的土壤的成分相同，装填过程中需将用于试验的塑料管道5水平的埋设在承压腔室201的土壤7内，埋设高度、埋设数量根据想要模拟情况设置即可。加载板302通过加压口202可伸入承压腔室201内，并向下压承压腔室201内的土壤7，使土壤7挤压塑料管道5，结合土壤7重力等本身带给塑料管道5的压力，实现对塑料管道5外部进行加压，以模拟真实外部压力因素，同时抑制内部加压带来的塑料管道膨胀问题。加载板302和承压腔室201在竖向投影上重合，即加载板302的形状和面积大小与承压腔室201截面上的形状和面积大小、加压口202的形状和面积大小完全相同，以保证承压腔室201内的土壤能够被加载板302全部覆盖。承压箱2上设有通风设备(未画出)，通过通风设备可以连通承压腔室201和加热腔室101，加热箱1上设有连通加热腔室101和外界的通气孔(未画出)，启动通风设备后，承压腔室201和加热腔室101内的空气可以进行交换，而加热腔室101与外界空气通过通气孔交换，使得承压腔室201内的空气环境与外界空气环境相同，以模拟真实含氧量因素。启动加热箱1，对加热腔室101进行加热，可为塑料管道5提供高温环境，高温环境能够加速老化，缩短试验时间，将实际老化速度缩短，加快模拟速度，通气孔的数量和布置可根据实际需要进行设置，通常布置在承压箱2的两侧的侧壁上。

内部加压单元包括供气设备和封堵头401，供气设备的供气量能够调节，封堵头401用于封堵塑料管道5的两端，供气设备通过进气管501与塑料管道5其中一端的封堵头401进行连通，以为塑料管道5的内部进行加压，模拟真实内压因素，输送气体时可模拟恒定压力状态，也可以模拟波动的压力状态，以探究不同情况下塑料管道5的老化速率。供气设备可提供空气，模拟运输空气时的含氧环境，也可以提供惰性气体，模拟输送惰性气体时的含氧环境。具体的封堵头401和塑料管道5通过夹具403连接，为了提高密封性，封堵头401对塑料管道5之间用橡胶圈和通过螺栓施加预紧力进行密封。

通常加热温度由试验人员根据自己实验需求设定，一般在塑料管道维卡软化点以下。如塑料管道5采用聚乙烯管，加热温度通常为120摄氏度以下。目前塑料管道5的内气压最大一般为0.4Mpa，为常用SDR11管道的设计工作压力，通常内部气压大小与管道老化速度正相关，试验人员为了减少老化时间快速实验可以适当增加气压。至于内压是选用恒定内压，还是波动内压，是需要根据要研究的工况选取模式。一般老化采取稳压模式，部分地区由于用气高低峰，会导致燃气管道内气压不稳定，也出现高低峰，因此选用波动内压进行模拟。波动内压变化会进一步加速管道老化，为研究循环载压变化对燃气老化速率的影响，采取波动内压，实验结果与稳压模式对比。老化速率需根据老化程度与预设试验时间进行计算，老化程度可提前设定一个标准并分级，然后通过多组试验，可探究不同预设时间下，老化等级，或到达每一级所需预设时间，然后转化为老化速率，继而评估同样材质下的塑料管道5的使用寿命。通过上述系统，也探究各种材质下的塑料管道5的老化时间，当然也可以探究不同直径下的塑料管道5的老化时间，不同外部压力、内部压力、含氧程度等等各种因素下的老化时间。预设时间短可至几小时，长则达到几个月。

本实施例中，如图1至图4所示，加热箱1上设有定时器、电加热器以及温控仪。定时器用于设定时间，时间到后，电加热器自动停止。电加热器用于给加热腔室101提供热量，温控仪用于监控加热腔室101内的温度，自动调控电加热器的温度。

本实施例中，如图1至图4所示，外部加压单元包括竖向设置的千斤顶3，千斤顶3安装在加热箱1的顶壁上，千斤顶3位于承压箱2的上方，加载板302固定连接在千斤顶3的加载头301上。上述只是外部加压单元除了采用千斤顶3，还可以采用液压伸缩杆、电动伸缩杆等。

本实施例中，如图1至图4所示，供气设备包括氮气瓶4，氮气瓶4上设有供气管503，供气管503用于与进气管501连通。供气管503上沿气体流动方向设有一级减压阀504和一级气压表505。进气管501上沿气体流动方向依次串连的升压电磁阀506、二级气压表507以及降压电磁阀508，二级气压表507为电子气压表，升压电磁阀506、二级气压表507以及降压电磁阀508通过PLC控制器6控制。

具体恒定内压模式工作过程如下：首先，开启氮气瓶4本身的阀门，调节一级减压阀504，使压力略大于为实验所需的最大压力值；然后，启动并设置气压PLC控制器6恒定内压模式的运行程序，同时设定试验运行时间：当需要塑料管道5的压力保持恒定时，二级气压表507检测到压力未达到设定值，PLC控制器6给升压电磁阀506通电，从而给塑料管道5的管内升压，当二级气压表507检测到压力上升至设定值时，则通过PLC控制器6给升压电磁阀506断电。

具体波动内压模拟工作过程如下：

首先，开启氮气瓶4本身的阀门，调节一级减压阀504，使压力略大于为实验所需的最大压力值；然后，启动并设置气压PLC控制器6波动内压模式的运行程序，同时设定试验运行时间：在高峰时间段，先开启升压电磁阀506，使塑料管道5内压力达到设定高峰，PLC控制器6自动关闭升压电磁阀506，到低峰时间段，PLC控制器6控制降压电磁阀508启动，直到塑料管道5内压力下降到下限设定值时，然后关闭降压电磁阀508，低峰时间段结束后，再开启升压电磁阀506进行补压，当塑料管道5内的压力上升到上限设定值时，PLC控制器6自动关闭升压电磁阀506，然后重复上述循环启闭的动作，可根据预设的循环时长，调节降压电磁阀508降压开度，控制降压时长，和升压电磁阀506的升压开度，控制升压时长。

为了避免电磁阀失灵，本实施例中，如图1至图4所示，升压电磁阀506上并联有二级减压阀509和升压手动球阀510，二级减压阀509和升压手动球阀510沿气体流动方向依次串连，降压电磁阀508上并联有降压手动球阀511，可在电磁阀失灵时，手动升压、降压。

当出现意外情况需紧急手动控制时：

对于恒定内压模式，可先将各组对应的二级减压阀509调整到设定值，再打开升压手动球阀510进行加压，二级减压阀509使塑料管道5内压力不超过设定值，常开的升压手动球阀510可以使塑料管道5因密封问题出现轻微泄露时及补充氮气使气压恒定。

对于波动内压模式，在高峰时间段，先将二级减压阀509调整到高峰设定值，再打开升压手动球阀510，塑料管道5内达到设定高峰，到低峰时间段，先关闭升压手动球阀510，将二级减压阀509调整到低峰设定值，打开降压手动球阀511，通过二级气压表507确认降至下限设定值时关闭降压手动球阀511，再打开升压手动球阀510使压力保持稳定，确定循环需要时长，再重复以上操作。

本实施例中，如图1至图4所示，承压腔室201的土壤7内由上至下依次埋设有不同深度的塑料管道5。供气管503通过若干连通管502与若干个塑料管道5的进气管501一一连接。如在承压箱2和加热箱1的侧壁上由上到下各开设有十个外接口，承压箱2的十个外接口和加热箱1的十个外接口相对应，这样便可在土壤7内埋设十组塑料管道5。十个外接口处于同一垂直线上，同样的塑料管道5也处于同一垂直线上。在其中一个封堵头401上安装快拧接头402，然后将进气管501一端通过快拧接头402连接在封堵头401上，然后进气管501的另一端通过快拧接头402和连通管502连通，连通管502和进气管501可采用软管，软管优先采用铁氟龙软管，当然也可以采用其他合适材质的软管。

不同地段燃气管道的铺设深度不同，土壤密度也不同，利用千斤顶3对土壤7进行加压时，具体加压数是由试验需要模拟的具体工况决定。对同一深度和不同深度老化进行研究时，以最顶部的塑料管道5受压程度为参考(同一深度仅有一层)，顶部以下层数所受压力根据铺设的土壤密度和每层管道之间的间距计算得到。

实施例2

本实施例提供了一种塑料管道热氧老化试验方法，采用了实施例1中的塑料管道热氧老化试验系统，如图1至图4所示，包括以下步骤：

S1、将塑料管道5截取至预设长度，并用封堵头401将塑料管道5的两端进行封堵，将封堵头401的进气管501与供气设备连通；

S2、用土壤将封堵后的塑料管道5按预设深度水平埋设在承压箱2的承压腔室201内，启动加载头301，加载板302按预设压力对承压腔室201内的土壤7进行加压，以对塑料管道5的外部进行加压，启动供气设备，按恒定压力状态或波动压力状态为塑料管道5内部进行加压；

S3、启动加热箱1和通风设备，按预设老化温度对加热腔室101进行加热，预设老化温度由试验人员根据自己实验需求设定，一般在塑料管道维卡软化点以下；

S4、待塑料管道5达到预设老化时间后，关闭氮气瓶4，打开降压手动球阀511释放塑料管5内压力，升起加载板302，移出承压腔室201内的土壤7，拆除封堵头401，将塑料管道5取出，根据老化程度和预设老化时间计算老化速率。

老化程度提前设定一个标准并分级，然后通过多组试验，可探究不同预设时间下，老化等级，或到达每一级所需预设时间，然后转化为老化速率，继而评估同样材质下的塑料管道5的使用寿命。通过上述方法，也探究各种材质下的塑料管道5的老化时间，当然也可以探究不同直径下的塑料管道5的老化时间，不同外部压力、内部压力、含氧程度等等各种因素下的老化时间。预设时间短可至几小时，长则达到几个月。

本实施例中，如图1至图4所示，步骤S2中，按不同预设深度由上至下依次埋设若干塑料管道5或者在同一预设深度并排埋设若干塑料管道5。

本实施例中，如图1至图4所示，步骤S2中：

恒定压力状态工作过程：首先，开启氮气瓶4本身的阀门，调节一级减压阀504，使压力大于为实验所需的最大压力值，略大于即可；然后，启动PLC控制器6，当二级气压表507检测到压力未达到设定值，PLC控制器6给升压电磁阀506通电，给塑料管道5的管内升压，当二级气压表507检测到压力上升至设定值时，通过PLC控制器6给升压电磁阀506断电；

波动内压模拟工作过程：首先，开启氮气瓶4本身的阀门，调节一级减压阀504，使压力大于为实验所需的最大压力值，略大于即可；然后，启动PLC控制器6，PLC控制器6控制升压电磁阀506启动，使塑料管道5内压力达到设定高峰，PLC控制器6自动关闭升压电磁阀506，经过设定的高峰时间段后，PLC控制器6控制降压电磁阀508启动，待塑料管道5内压力下降到下限设定值时，PLC控制器6控制降压电磁阀508关闭，经过设定的低峰时间段后，PLC控制器6自动打开升压电磁阀506进行补压，塑料管道5内的压力上升到上限设定值时，PLC控制器6自动关闭升压电磁阀506，然后重复上述循环启闭的动作。根据预设的循环时长，调节降压电磁阀508降压开度，控制降压时长，和升压电磁阀506的升压开度，控制升压时长。

本实施例中，如图1至图4所示，步骤S2中，当需手动控制时：

对于恒定内压模式，先将二级减压阀509调整到设定值，再打开升压手动球阀510进行加压；

对于波动内压模式，在高峰时间段，先将二级减压阀509调整到高峰设定值，再打开升压手动球阀510，塑料管道5内要达到设定高峰，到低峰时间段，先关闭升压手动球阀510，将二级减压阀509调整到低峰设定值，打开降压手动球阀511，再打开升压手动球阀510使压力保持稳定，确定循环需要时长，再重复以上操作。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。