聚乙烯燃气管材耐快速裂纹扩展方法研究.doc

聚乙烯燃气管材耐快速裂纹扩展方法研究 项目完成单位：国家化学建筑材料测试中心（材料测试部） 项目完成人： 华晔 刘畅 潘颖 武志军 魏若奇 摘 要 建立了符合要求的耐快速裂纹扩展能力（RCP）评价装置，用实验室小尺寸稳态试验方法（S4）对国内外典型的四种PE管材专用料的RCP性能进行了评价，针对不同挤出工艺和不同加工设备对临界压力(Pcs4)值的影响进行了初步探讨，对目前国内尚未开展的S4方法进行了研究。对临界压力值和PE管材专用料的结构参数和基本物理参数的关系进行了初步研究。 前言 与其它塑料管材相比，聚乙烯管更适于做燃气管，因为它既有适度的刚性、强度，又具有良好的柔性、耐蠕变性、耐环境应力开裂性和良好的热熔接性能和抗地震性能。目前，国外聚乙烯燃气管的使用相当普遍，在欧美和日本新铺设的燃气干、支管中，65%—90%采用的是聚乙烯管。作为一种新型管材，聚乙烯燃气管道在我国的用量还相对较少，在我国城市中低压燃气管网中的使用率还不到30%，但随着西气东输、城市管网建设等工程项目的进行，聚乙烯燃气管在国内的使用必将呈现快速增长的趋势。 燃气输送管要保证绝对的安全可靠，质量的控制必须非常严格。近年来发现聚乙烯燃气管在低温下有发生沿管轴快速开裂的现象。这时由于外力对管材的破坏（如建筑机器划伤、不适当的焊接、杂质等都会造成管材诱发开裂的应力集中点）和聚集在管材内部气体的内压的双重作用，小裂纹会以接近声速的速度迅速扩展成几十米、几百米甚至几千米的大裂纹，使输气管线的修复十分困难，造成巨大经济损失。 上个世纪国外对聚乙烯管材专用料开发和研究重心主要放在管材长期耐蠕变性能及寿命预测。近几年原材料开发的目标不仅要注重其耐长期蠕变性能，而且还要考虑管材耐裂纹快速裂纹扩展性能（RCP），这两项技术指标共同决定管材长期使用寿命。对RCP的研究在国外已经取得了一定成果，国内此项研究工作仍属空白。目前在国内市场上常见的聚乙烯燃气管材专用料有几十种，而进行过RCP性能评价的只有欧美少数大公司的几种牌号的管材专用料，这无疑给工程上的使用造成了极大的隐患，也不利于国产专用料的发展。本项目针对HDPE管材专用料耐快速裂纹扩展（RCP）试验方法进行研究，并对部分国内石化企业生产的HDPE管材专用料耐RCP能力作出评价。 目前评价管材RCP性能的测试方法有两种，全比例试验（Full scale）和小比例稳态试验（S4方法）。S4方法为实验室方法，是由英国帝国理工大学开发的，此试验方法可以测定在规定的温度和内压下，PE管材的开裂抑制或开裂扩展，也是国际上较为流行的评价方法，本项目就是采用S4法对管材的快速开裂进行评价。 另外，本项目的研究结果，也适用于HDPE承压水管以及其他塑料承压管材的耐RCP的性能评价工作，为其他管材专用料的开发提供可靠依据。 实验部分 主要试验装置 本试验装置由四部分组成：压力部分、开裂引发装置、计量段、制冷装置。 压力部分：根据试验需要对管材施以固定的压力，模拟管材在实际应用过程所承载的压力。 开裂引发装置：关键部件是撞击刀，其几何尺寸随管材尺寸不同而不同。撞击刀在压力作用下撞击管材表面，给与管材一初始裂纹，易引发RCP破坏。 图1：撞击刀的几何形状 计量段：由限制环、减压挡板、端帽组成。计量段的长度应大于5倍直径。限制环允许管材试样在加压过程中自由膨胀，并可将管材圆周上任意点的径向膨胀限制在最大直径为1.1倍公称直径的范围内，同时限制环也避免管材破坏过程中崩裂伤人；减压挡板的直径为试验管材直径的95%，挡板间距为0.4倍直径,减压挡板可起到前端管材破坏后继续保持后端管材内部压力的作用；端帽可将管材紧密的密封在计量段。计量段内的管材破环长度即为试验破环长度。 图2：耐快速裂纹扩展的装置示意图 图3. 已建立的试验装置实物图 制冷装置： 液体介质冷却装置，能长期保持0℃而不冻结。 图4：正在制冷柜中处理的管材样品 试验样品 为了使试验结果具有可比性和指导意义，本项目采用市场上广泛使用的具有代表性的管材专用料为样品，如表1所示。 表1 试验样品 序号 名称 原料编号 成管后编号 来源 1 PE80聚乙烯管材专用料 1＃ GS-001 欧洲进口 2 PE80聚乙烯管材专用料 2＃ GS-002 国产 3 PE100聚乙烯管材专用料 3＃ GS-003 欧洲进口 4 PE80聚乙烯管材专用料 4＃ GS-004 韩国进口 5 PE80聚乙烯管材专用料 1＃ GS-005 欧洲进口 表中1＃～4＃管材专用料在国内同一著名PE管材生产企业挤出成管。为了研究不同加工工艺和生产设备对试验结果的影响，本项目选择1＃管材专用料以不同加工工艺和生产设备在另一家著名PE管材生产企业挤出成管GS-005。