TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 8849:2011 (ISO 9967:2007) VỀ ỐNG BẰNG NHỰA NHIỆT DẺO – XÁC ĐỊNH TỶ SỐ ĐỘ RÃO

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 8849:2011

ISO 9967:2007

ỐNG BẰNG NHỰA NHIỆT DẺO – XÁC ĐỊNH TỶ SỐ ĐỘ RÃO

Thermoplastics pipes – Determination of creep ratio

Lời nói đầu

TCVN 8849:2011 hoàn toàn tương đương với ISO 9967:2007.

TCVN 8849:2011 do Ban kỹ thuật Tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 138 Ống nhựa và phụ tùng đường ống, van dùng để vận chuyển chất lỏng biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Lời giới thiệu

Kinh nghiệm chỉ ra rằng khi ống được lắp trong lòng đất phù hợp với quy phạm lắp đặt tương ứng thì sự tăng độ biến dạng của nó hầu như dừng lại sau một khoảng thời gian ngắn. Tùy thuộc vào loại đất và điều kiện lắp đặt, quá trình này có thể thay đổi, nhưng thông thường không quá hai năm.

Bởi vậy, việc xác định tỷ số độ rão sau hai năm theo tiêu chuẩn này được sử dụng khi tiến hành tính toán độ bền tĩnh dài hạn của ống.

Lý thuyết về độ rão của vật liệu nhựa nhiệt dẻo được giải thích tại Phụ lục A.

Đối với thực nghiệm, phép thử này có thể được tiến hành dựa trên tuổi thọ của mẫu thử khác, nhiệt độ thử khác và/hoặc thời gian thử khác.

ỐNG BẰNG NHỰA NHIỆT DẺO – XÁC ĐỊNH TỶ SỐ ĐỘ RÃO

Thermoplastics pipes – Determination of creep ratio

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định tỷ số độ rão của ống nhựa nhiệt dẻo có tiết diện tròn.

2. Ký hiệu

Đơn vị

3. Nguyên tắc

Đặt một đoạn được cắt từ ống vào giữa hai tấm phẳng nằm ngang song song với nhau và tác dụng một lực nén không đổi lên ống trong thời gian 1 008 h (42 ngày).

Độ biến dạng của đoạn ống được ghi lại tại các thời điểm xác định sao cho có thể vẽ được đồ thị của độ biến dạng theo thời gian. Sự tuyến tính của số liệu được phân tích và tỷ số độ rão được tính toán là tỷ số giữa giá trị độ biến dạng ngoại suy cho hai năm với giá trị độ biến dạng đo được tại thời gian 6 min (0,1 h).

CHÚ THÍCH Nhiệt độ thử được quy định trong tiêu chuẩn viện dẫn đến tiêu chuẩn này, nếu thích hợp (xem 7.1).

4. Thiết bị, dụng cụ

4.1. Thiết bị thử nén, có khả năng tác dụng lực lên ống thông qua các tấm ép (4.2) và duy trì lực với độ chính xác trong khoảng 1 % đối với cả lực nén sơ bộ, Fo (xem 7.4) và lực nén cần thiết, F (xem 7.5). Lực này có thể tác động được trực tiếp hoặc gián tiếp, ví dụ bằng cách sử dụng một cánh tay đòn.

4.2. Hai tấm ép, mà qua đó có thể tác dụng lực nén lên mẫu thử. Tấm ép phải phẳng, nhẵn, sạch và không bị biến dạng trong quá trình thử đến mức có thể gây ảnh hưởng đến kết quả thử.

Chiều dài của mỗi tấm ép ít nhất phải bằng chiều dài của mẫu thử. Chiều rộng của mỗi tấm ép không được nhỏ hơn chiều rộng tối đa của phần bề mặt tiếp xúc với mẫu thử khi chịu nén ép cộng với 25 mm.

4.3. Dụng cụ đo kích thước, có khả năng xác định:

– từng giá trị chiều dài riêng biệt của mẫu thử (xem 5.2) chính xác đến 1 mm;

– đường kính trong của mẫu thử chính xác đến 0,1 mm hoặc 0,2 % di, tùy theo giá trị nào lớn hơn;

– sự thay đổi đường kính trong của mẫu thử theo hướng tác dụng lực, chính xác đến 0,1 mm hoặc 0,1 % độ biến dạng, tùy theo giá trị nào lớn hơn.

Sự thay đổi đường kính trong có thể được đo bên trong ống hoặc xác định từ sự dịch chuyển của tấm phẳng phía trên. Trong trường hợp có tranh chấp phải sử dụng phương pháp đo đường kính trong của ống.

Ví dụ về dụng cụ đo đường kính trong của ống gân lượn sóng được chỉ ra tại Hình 1.

Hình 1 – Ví dụ về dụng cụ đo đường kính trong của ống gân lượn sóng

4.4. Dụng cụ tính thời gian, có khả năng xác định 6 min đầu tiên với độ chính xác 1 s và thời gian còn lại với độ chính xác 0,1 % (xem 7.5 và 7.6).

5. Mẫu thử

5.1. Đánh dấu mẫu thử và số lượng mẫu thử

Ống sử dụng để xác định tỷ số độ rão phải được đánh dấu trên bề mặt ngoài bằng một đường thẳng dọc theo một đường sinh trên toàn bộ chiều dài ống. Từ ống đã được đánh dấu, lấy ba mẫu thử A, B và C tương ứng sao cho các đầu của mẫu thử vuông góc với trục của ống và có chiều dài phù hợp với 5.2.

5.2. Chiều dài mẫu thử

5.2.1. Chiều dài của mỗi mẫu thử phải được xác định bằng cách lấy giá trị trung bình cộng của từ ba đến sáu phép đo chiều dài ở khoảng cách đều nhau xung quanh chu vi của ống như nêu tại Bảng 1. Chiều dài của mỗi mẫu phải tuân theo 5.2.2, 5.2.3, 5.2.4 hoặc 5.2.5, tương ứng.

Mỗi phép đo chiều dài trong số từ ba đến sáu phép đo phải được xác định chính xác đến 1 mm.

Đối với từng mẫu thử, giá trị chiều dài nhỏ nhất trong số từ ba đến sáu giá trị đo không được nhỏ hơn 0,9 lần giá trị đo chiều dài lớn nhất.

Bảng 1 – Số lượng các phép đo chiều dài

5.2.2. Đối với ống có đường kính danh nghĩa, d_n nhỏ hơn hoặc bằng 1 500 mm, chiều dài trung bình của mẫu thử phải là (300 ± 10) mm.

5.2.3. Đối với ống có đường kính danh nghĩa, d_n lớn hơn 1 500 mm, chiều dài trung bình của mẫu thử tính theo milimét phải ít nhất là 0,2 d_n.

5.2.4. Các ống thành kết cấu dạng gân, gân lượn sóng hoặc các kết cấu lặp lại khác vuông góc phải được cắt sao cho mỗi mẫu thử sẽ bao gồm toàn bộ các gân, gân lượn sóng hoặc kết cấu lặp lại đó. Phải cắt tại điểm giữa hai gân, gân lượn sóng hoặc kết cấu lặp lại đó.

Chiều dài của mẫu thử phải bao gồm tối thiểu số lượng các gân, gân lượn sóng hoặc kết cấu lặp lại đó để có chiều dài là 290 mm hoặc lớn hơn, đối với ống có đường kính lớn hơn 1 500 mm thì chiều dài là 0,2 d_n hoặc lớn hơn.

CHÚ DẪN

p bước kết cấu

L chiều dài mẫu thử

Hình 2 – Mẫu thử cắt từ ống có gân vuông góc

5.2.5. Ống có thành kết cấu dạng gân, gân lượn sóng hoặc kết cấu lặp lại khác dạng xoắn ốc phải được cắt vuông góc sao cho chiều dài mẫu thử bằng với đường kính trong của ống ± 20 mm nhưng không được nhỏ hơn 290 mm hoặc lớn hơn 1 000 mm.

5.3. Đường kính trong của mẫu thử

Đường kính trong d_iA, d_iB và d_iC của các mẫu thử A, B và C tương ứng (xem 5.1) phải được xác định theo một trong các cách sau

a) lấy giá trị trung bình cộng của bốn phép đo đường kính tại các khoảng cách 45^o của một tiết diện ngang tại trung điểm của chiều dài ống, trong đó mỗi phép đo phải được xác định chính xác đến 0,1 mm hoặc 0,2 % d_i, tùy theo giá trị nào lớn hơn, hoặc

b) đo trên tiết diện ngang tại trung điểm của chiều dài ống bằng thước p theo TCVN 6145 (ISO 3126).

CHÚ THÍCH TCVN 6145 (ISO 3126) được đưa vào Thư mục tài liệu tham khảo vì người sử dụng có thể lựa chọn phương

pháp đo theo a) hoặc b). Tuy nhiên, nếu lựa chọn phương pháp b) thì TCVN 6145 (ISO 3126) rất cần thiết cho người sử dụng tiêu chuẩn này và coi như một tài liệu viện dẫn.

Giá trị đường kính trong trung bình của từng mẫu thử A, B hoặc C tính toán được hoặc đo được tương ứng là d_iA, d_iB và d_iC.

Giá trị trung bình d_i của ba giá trị này phải được tính theo công thức (1):

                                           (1)

5.4. Tuổi thọ của mẫu thử

Tại thời điểm bắt đầu của phép thử theo Điều 7, tuổi thọ của mẫu thử phải là (21 ± 2) ngày.

6. Điều hòa

Mẫu thử phải được điều hòa trong không khí ở nhiệt độ thử (xem 7.1) trong ít nhất 24 h ngay trước khi thử theo Điều 7.

7. Cách tiến hành

7.1. Trừ khi có quy định khác trong tiêu chuẩn viện dẫn đến tiêu chuẩn này, tiến hành quy trình thử sau tại nhiệt độ (23 ± 2) ^oC hoặc (27 ± 2) ^oC.

Trong trường hợp có tranh chấp, sử dụng nhiệt độ (23 ± 2)^oC.

7.2. Nếu có thể xác định tại vị trí nào mẫu thử có độ cứng vòng nhỏ nhất thì đặt mẫu thử đầu tiên A vào vị trí đó trong thiết bị thử.

Mặt khác, đặt mẫu thử đầu tiên này vào vị trí sao cho đường thẳng đánh dấu trên mẫu tiếp xúc với tấm phẳng phía trên.

Khi đặt hai mẫu tiếp theo B và C vào thiết bị thử thì quay hai mẫu này các góc tương ứng 120^o và 240^o so với vị trí của mẫu đầu tiên.

7.3. Đối với từng mẫu, lắp thước đo độ biến dạng và kiểm tra vị trí góc của mẫu thử so với tấm phẳng phía trên.

7.4 Hạ tấm ép phía trên xuống cho đến khi nó chạm vào phần phía trên của mẫu thử.

Tác dụng lực sơ bộ F_o được làm tròn đến giá trị lớn hơn tiếp theo nếu áp dụng giá trị tính toán theo công thức (2) [xem khoản b)] và nếu áp dụng được, tính đến cả khối lượng của tấm ép:

a) đối với ống có d_n nhỏ hơn hoặc bằng 100mm, F_o phải là 7,5 N.

b) đối với ống có d_n lớn hơn 0,1 m, phải tính giá trị F_o theo công thức (2) và làm tròn đến giá trị lớn hơn tiếp theo nếu cần:

F_o = 0,00025d_n × L                                                                     (2)

trong đó

F_o là giá trị tải trọng sơ bộ tính toán, tính bằng niutơn;

d_n là đường kính ngoài danh nghĩa của ống, tính bằng milimét;

L là chiều dài trung bình tính toán của mẫu thử, tính bằng milimét.

Lực tác dụng sơ bộ phải ở giữa 95 % và 105 % giá trị lực tính toán.

7.5. Trong vòng 5 min sau khi tác dụng lực sơ bộ, F_o, điều chỉnh thước đo độ biến dạng về “0” và bắt đầu tác dụng lên mẫu thử lực nén ép tăng dần sao cho trong vòng từ 20 s đến 30 s đạt đến lực nén F. Lực F phải được chọn sao cho sau 360 s (6 min) mẫu thử có tỷ số độ biến dạng là (1,5 ± 0,2) %, nghĩa là :

= 0,015 ± 0,002                                                                                            (3)

Tại thời điểm đạt được đến lực F thì bắt đầu tính thời gian.

7.6. Xác định độ biến dạng ban đầu, y₀ sau 6 min tác dụng được toàn bộ lực. Sau đó xác định độ biến dạng sau khi tác dụng toàn bộ lực sau 1 h, 4 h, 24 h, 168 h, 336 h, 504 h, 600 h, 696 h, 840 h và 1 008 h.

Nếu giá trị y₀ nằm ngoài các giới hạn quy định tại 7.5 thì dừng thử, điều hòa lại mẫu thử trong ít nhất một giờ và thử lại theo 7.3.

Khi không thể đọc được giá trị trên thước đo độ biến dạng tại các thời gian tương ứng giữa 500 h và 1 008 h, cho phép đo tại thời gian sai lệch ± 24 h, miễn là sử dụng thời gian thực của phép đo để vẽ đồ thị theo Điều 8.

VÍ DỤ Thay vì đọc tại thời gian 840 h, độ biến dạng được đọc sau 862 h. Trong trường hợp này sử dụng giá trị đo tại 862 h để phân tích hồi quy.

CHÚ THÍCH Khi phép thử độ rão bắt đầu từ thứ Hai hoặc thứ Năm thì cuối tuần không được dừng phép thử.

8. Xác định tỷ số độ rão

8.1. Đối với từng mẫu thử trong số ba mẫu thử, vẽ đồ thị quan hệ giữa độ biến dạng tính bằng mét với thời gian tính bằng giờ trong một hệ tọa độ logarit (xem Hình 3) và xác định bằng phương pháp hồi quy tuyến tính phương trình đường thẳng

Y_t = B + M logt                                                                                                  (4)

qua tất cả mười một điểm và qua mười điểm cuối, qua chín điểm cuối, …..và qua năm điểm cuối (xem Bảng 2), trong đó hai hằng số B và M và hệ số tương quan, R được xác định theo các công thức từ (5) đến (7), là phương pháp bình phương nhỏ nhất:

                                                                   (5)

                                                                              (6)

                                                         (7)

trong đó

B là độ biến dạng lý thuyết, tính bằng milimét tại thời gian t = 1 h;

M là hệ số gradient;

N là số lượng điểm trên đường cong độ biến dạng sử dụng trong phép hồi quy tuyến tính;

R là hệ số tương quan (nếu R có giá trị nằm giữa 0,99 và 1,00 thì coi như các điểm dùng để vẽ đồ thị nằm trên một đường thẳng);

Y₂ là độ biến dạng ngoại suy, tính bằng milimét, sau hai năm (17 520 h).

t_i là thời gian lấy điểm i;

x_i = log(t_i) ;

y_i là độ biến dạng tổng đo được tại thời gian t_i.

Đối với bảy công thức Y_t = B + M logt nhận được từ các mẫu thử đã cho, tính giá trị độ biến dạng ngoại suy cho hai năm Y₂ (t = hai năm = 17 520 h) (xem Bảng 2).

Chọn giá trị độ biến dạng cho hai năm, Y₂ (để tính toán tỷ số độ rão của mẫu thử) là giá trị Y₂ tính được lớn nhất tương ứng với hệ số tương quan R là 0,999 hoặc giá trị lớn nhất giữa 0,990 và 0,999.

Nếu giá trị lớn nhất này nhỏ hơn 0,990, xem 8.3.

Từ giá trị Y₂ đã có, tính toán tỷ số độ rão của từng mẫu trong số ba mẫu thử theo các công thức từ (8) đến (10):

                                                               (8)

                                                               (9)

                                                               (10)

Tính toán và ghi lại tỷ số độ rão của ống là giá trị trung bình cộng của ba giá trị tính toán, sử dụng công thức (11):

                                                                                               (11)

VÍ DỤ Tính độ rão: ví dụ về tập hợp số liệu độ biến dạng/thời gian của một mẫu thử được nêu tại Bảng 2, cùng với các giá trị tương ứng của M , B, R và Y₂ đối với các khoảng khác nhau của các điểm được nêu tại cột bốn, chỉ ra các điểm đã được tính vào trong phân tích hồi quy. Đồ thị nhận được tại Hình 3 phù hợp với điều này, Y₂ nhận được dựa trên tập hợp tối thiểu năm điểm trong đó, R có giá trị cao nhất trên 0,990.

Bảng 2 – Số liệu tương ứng với Hình 3

CHÚ DẪN

t thời gian, h

y độ biến dạng, mm

y₀ độ biến dạng ban đầu

y₂ độ biến dạng ngoại suy cho hai năm

Hình 3 – Đồ thị độ biến dạng/thời gian cho một mẫu thử

8.2. Trong một số phương pháp tính, giá trị cho 50 năm vẫn được yêu cầu. Giá trị độ biến dạng cho 50 năm, Y₅₀ có thể được tính toán bằng cách sử dụng quy trình quy định tại 8.1 nhưng thay vì giá trị 2 năm thì thay giá trị 50 năm (438 000 h).

8.3. Nếu sử dụng năm điểm cuối mà vẫn không nhận được hệ số tương quan lớn hơn 0,990 trong phân tích hồi quy đối với mẫu bất kỳ trong ba mẫu thì tiếp tục thử trên tất cả ba mẫu bằng cách xác định độ biến dạng tại 1 200 h, 1 400 h, 1 680 h, 2 000 h, 2 400 h, 2 818 h, 3 400 h hoặc 4 000 h, mỗi thời gian này ± 24 h hoặc cho đến khi hệ số tương quan vượt qua 0,990 sử dụng năm phép đo cuối, tùy theo trường hợp nào xảy ra trước.

9. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử nghiệm phải bao gồm các thông tin sau:

a) viện dẫn tiêu chuẩn này và tiêu chuẩn viện dẫn đến tiêu chuẩn này, nếu có;

b) nhận dạng ống nhựa nhiệt dẻo, bao gồm

1) nhà sản xuất,

2) loại ống,

3) loại vật liệu,

4) kích thước và loại ống,

5) ngày sản xuất,

5) chiều dài mẫu thử, và

7) khối lượng trên mét chiều dài ống;

c) nhiệt độ thử;

d) lực ép sơ bộ;

e) đồ thị lực/độ biến dạng đối với từng mẫu thử;

f) nếu phù hợp, lực và độ biến dạng mà tại đó xảy ra bất kỳ một hiện tượng nào quy định tại 7.2;

g) độ biến dạng và lực tại điểm tối đa, nếu có điểm tối đa;

h) các công thức Y_t = B + M logt sử dụng để ngoại suy đến điểm độ biến dạng cho hai năm đối với ba mẫu thử;

i) hệ số tương quan đối với từng trường hợp;

j) các điểm sử dụng để phân tích hồi quy tuyến tính;

k) các giá trị g_A, g_B và g_C tính toán được;

l) giá trị tỷ số độ rão tính toán được, g, làm tròn đến hai chữ số có nghĩa;

m) bất kỳ yếu tố nào có ảnh hưởng đến kết quả, như là các sự cố hoặc chi tiết các thao tác không theo quy định của tiêu chuẩn này;

n) ngày thử.

PHỤ LỤC A

(tham khảo)

Độ rão của vật liệu nhựa nhiệt dẻo

A.1. Ống bằng chất dẻo chịu một tải trọng không đổi sẽ bị biến dạng khi được lắp đặt bên dưới mặt đất với độ biến dạng ban đầu có thể ước lượng được qua độ cứng của ống. Độ cứng này được ký hiệu là S , biểu thị bằng kiloniutơn trên mét vuông, có thể xác định theo TCVN 8850 (ISO 9969) và công thức (A.1):

                                                                    (A.1)

trong đó

F là lực cần thiết để đạt đến độ biến dạng yêu cầu, tính bằng kiloniutơn;

L là chiều dài của vòng thử, tính bằng mét;

y là độ biến dạng của vòng, tính bằng mét.

Độ cứng của vòng ống có tiết diện ngang không đổi có thể được tính toán từ các tính chất của vật liệu và các hệ số hình học trong công thức (A.2):

                                                                                                            (A.2)

trong đó

E là modul đàn hồi của vật liệu;

I là momen quán tính;

D là đường kính trung bình của vòng thử.

Độ biến dạng của ống bằng chất dẻo chịu tải trọng không đổi trong phép thử tại phòng thí nghiệm sẽ tăng theo thời gian, không tính đến độ biến dạng ban đầu của nó. Điều này là do độ rão của vật liệu gây nên.

A.2. Vật liệu bằng chất dẻo ở mức độ phân tử được coi là được hình thành từ nhiều các mạch đại phân tử. Khi một lực tác dụng lên vật liệu này, các mạch đại phân tử này tự thân biến dạng ngay lập tức gây ra độ biến dạng ban đầu.

Khi vật liệu này chịu tác dụng của một tải trọng không đổi thì các mạch đại phân tử này dưới tác động của lực sẽ dịch chuyển tương đối so với nhau, gây ra độ rão: độ biến dạng tăng lên liên tục. Cấu trúc của các mạch đại phân tử này không thay đổi, do đó vật liệu này thể hiện phản ứng tức thời như nhau, trong quá trình tác dụng tải trọng không đổi, tải trọng này tăng lên.

A.3. Đối với mục đích thiết kế cần phải biết độ biến dạng của ống ngay sau khi lắp đặt và sau một thời gian dài.

Có thể ước lượng độ biến dạng ban đầu của ống từ giá trị độ cứng, S

CHÚ THÍCH Trong thực tế có thể sử dụng độ cứng danh nghĩa, S_n

Sự mô phỏng về độ biến dạng dài hạn (lý thuyết) dưới tác dụng của tải trọng không đổi đã được tính toán dựa trên độ cứng tiếp tuyến (STES) của ống, có tính đến tác động của vật liệu xung quanh ống. STES là giá trị độ cứng dài hạn, nhận được bằng cách thay thế modul đàn hồi của vật liệu [Công thức (A.2)] bằng modul độ rão [modul biểu kiến], nghĩa là modul ban đầu của vật liệu chia cho tỷ số độ rão, g

                                                                                          (A.3)

Cách tiếp cận này có thể dẫn đến việc giải thích rằng modun đàn hồi sẽ giảm theo thời gian, gây ra sự nhầm lẫn và quan điểm phủ nhận về sự phù hợp của chất dẻo sử dụng làm ống chôn lấp.

Để tránh sự nhầm lẫn, phương pháp hay dùng để tính toán là sử dụng tỷ số độ rão, γ được tính theo công thức (A.4):

                                                                                (A.4)

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TCVN 6145 (ISO 3126), Hệ thống ống bằng chất dẻo – Các chi tiết bằng chất dẻo – Xác định kích thước.

[2] TCVN 8850:2011 (ISO 9969:2007), Ống bằng nhựa nhiệt dẻo – Xác định độ cứng vòng.