鋼質管道防腐用聚乙烯拉伸性能研究

李 輝，王鵬起，周 權，張培東，張榮勝

（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222006）

影響聚乙烯拉伸性能的因素有很多，內在因素有塑料組分變化、分子量大小及分布、分子結構、分子取向程度和內部缺陷等，外在原因有試驗儀器、試樣的制備與處理、試驗環境、試驗參數、操作過程、數據處理和人為因素等[1]。本研究重點分析了不同試樣類型產生的拉伸性能差異和部分標準中 “斷裂伸長率”的取值方法。

1 國標拉伸試樣類型介紹

GB/T 1040.2—2006中6.1部分，“只要可能，試樣應為1A或者1B型試樣，直接模塑的多用途試樣選用1A型，機加工試樣選用1B型”。GB/T 1040.2—2006附錄A：如果由于某些原因不能使用1型標準試樣時，也可使用1BA等小試樣，只要使小試樣的標稱應變速率最接近標準尺寸試樣的應變速率。由小試樣獲得的拉伸試驗結果與用1型試樣獲得的結果不可比較[2]。

根據國標GB/T 23257—2009的要求，原材料聚乙烯及其涂層都應達到斷裂伸長率≥600%，拉伸強度≥20 MPa[3]，但是該標準只是說拉伸性能引用 GB/T 1040.2—2006， 而 GB/T 1040.2—2006中有1A/1B/1BA/1BB/5A/5B共6種試樣類型，并未說明具體采用何種試樣類型，未明確拉伸速度，故此時要對試驗結果進行合格判斷會遇到問題。而于2017年5月12日發布，12月1日實施的GB/T 23257—2017則明確了試驗速度為50 mm/min，并且明確了驗收指標斷裂伸長率修改為斷裂標稱應變，同時對拉伸性能增加了拉伸屈服應力一項[4]，但同樣該標準未說明具體采用何種試樣類型，因此對不同試樣類型之間產生的試驗數據進行研究是有意義的。

2 拉伸取值方法歷史變化

從國內防腐標準來說，最早從SY/T 4013—1995開始[5]， 后被SY/T 0413—2002替代[6]， 當時SY/T 0413—2002參考了 DIN 30670—1991[7]制定，這3個標準對斷裂伸長率均采用斷裂拉伸應變進行計算，直到 2010年8月20日 SY/T 0413—2002被作廢。2009年10月1日，GB/T 23257—2009正式實施，此時斷裂伸長率的取值就由斷裂拉伸應變改成了斷裂標稱應變，但DIN 30670從1991版到2012版的取值方法一直是斷裂拉伸應變，只是2012版將涂層驗收要求從1991版的200%提高到了400%[8]。

GB/T 23257—2009中涉及聚乙烯拉伸性能的指標為斷裂伸長率與拉伸強度，其所引用拉伸試驗方法為GB/T 1040.2—2006（之前為GB/T 1040—1992版，與ISO 527.2—1993版等同），在GB/T 1040—1992中，未區分屈服情況，斷裂伸長率采用的是斷裂拉伸應變，用公式（1）計算[9]。

式中：εB—斷裂拉伸應變，用比值或百分數表示；

ΔL0—試樣標距間長度的增量，mm；

L0—標距，mm。

GB/T 1040.2—2006中對于拉伸性能并無斷裂伸長率的定義，其對聚乙烯的斷裂伸長率的計算根據屈服情況分為兩種，即未發生屈服而斷裂的試樣采用斷裂拉伸應變，發生屈服之后而斷裂的試樣使用斷裂標稱應變，用公式（2）計算。

式中：εt—標稱應變，以尺寸比值或百分比表示；

Lt—試驗開始后夾頭間距離的增量，mm；

L—夾頭間距離，mm。

在ISO 527.1—2012中已經對標稱應變的定義進行了進一步完善，并規定標稱應變的計算方法有兩種[10]，其中方法A為試驗開始后記錄夾頭間的位移。同樣用公式（2）計算標稱應變。

方法B更適用于存在屈服和變細的多用途試樣，但要求屈服時的應變是由引伸計準確測量的。記錄儀器夾頭間的位移，用公式（3）計算標稱應變。

式中：εt—標稱應變，以尺寸比值或百分比表示；

εy—屈服應變，以尺寸比值或百分比表示；

ΔLt—試樣屈服后夾頭間距離的增量，mm；

L—夾頭間距離，mm。

嚴格來說，方法B應該是GB/T 1040.2—2006定義的取值方法。經過對試驗數據的分析比對，發現該方法與方法A所得結果相差不超過2%且取值麻煩，也未發現有同行業明確采納此公式計算，本研究未采納。

3 試驗結果分析

試驗從2017年4月開始，共統計了200多個數據，所有試驗均在環境溫度23±2℃、相對濕度（50±5）%的標準環境下進行。拉伸試樣及其斷裂后的形狀如圖1所示，圖1（a）從下往上的試樣類別分別為1B/1BA/IV/5A/5型。不同類型試樣的拉伸試驗結果見表1～表3。

表1中序號1～3為GB/T 1040.2—2006方法，序號 4為 ISO 527.3—1995方法[11]，序號 5為ASTM D638—2014方法[12]，試樣厚度范圍2.27～2.32 mm。從表1結果看，各試樣斷裂拉伸應變和拉伸屈服應力偏差不超過15%，1B、1BA、IV型試樣結果整體較為接近，而5A、5型試樣斷裂標稱應變數據比1B和1BA試樣偏小25%～40%。這就存在同樣的原材料如果取斷裂標稱應變判定結果，使用1B或1BA試樣檢驗合格，而用5A試樣檢驗可能不合格的情況。

圖1 拉伸試樣及其斷裂后的形狀

表1 批次1聚乙烯原材料壓塑試樣典型拉伸結果（試樣類型對比）

表2 批次1聚乙烯側向纏繞涂層試樣典型拉伸結果（1B與1BA涂層方向性對比）

表3 批次1聚乙烯原材料壓塑試樣典型拉伸結果（拉伸速度對比）

表2是同一塊涂層分別取1B和1BA試樣各5個，其中周向1個、軸向4個，拉伸速度均為50 mm/min，厚度3.04～3.60 mm。從表2看出：①涂層試樣各向異性現象明顯，兩者周向拉伸都很好，但1B試樣軸向容易出現肩部斷裂，而1BA試樣軸向則不容易出現肩部斷裂；②當發生肩部斷裂現象時，拉伸強度與拉伸屈服應力相等，且比中間斷裂時數據偏小25%左右，斷裂標稱應變數據軸向比正常中間斷裂值減小30%～70%；③拉伸在中間斷裂時，數值波動10%～30%；④拉伸屈服應力與試樣類型、試樣斷裂的位置、涂層試樣方向關系不大，數據較為穩定。這也就解釋了國外防腐標準強調的是拉伸屈服應力，而不是拉伸強度，涂層部分 “斷裂伸長率”不與原材料采用相同驗收要求的原因。

表3是依據DIN 30670—2012附錄F，對于1B和5A試樣，分別采用50 mm/min和25 mm/min拉伸速度的對比[8]，試樣厚度1.94～2.22 mm。由表3可看出，分別采用50 mm/min和25 mm/min拉伸速度時，5A試樣的主要結果變化并不明顯，由于該標準采用斷裂拉伸應變計算，而此時1B和5A結果偏差不超過11%，故該標準使用1B或5A均是合理的。而對GB/T 1040.2—2006，不論采用哪個速度，兩者斷裂標稱應變偏差達25%～35%，1B和5A不能同時使用。

另外，從對200多個試驗數據的整體分析結果來看，其中1B涂層試樣軸向25個中有16個發生肩部斷裂，占64%；原材料壓塑1B試樣35個中有14個 （厚度3.5～4.2 mm）發生肩部斷裂，占40%；1BA涂層試樣軸向35個中有13個 （厚度3.1～4.6 mm）發生肩部斷裂，占37%；原材料壓塑1BA試樣15個（厚度2.0～2.3 mm）中未發生肩部斷裂。1B試樣周向10個和1BA試樣周向20個中未發生肩部斷裂。這說明肩部斷裂與試樣類型、試樣厚度、試樣方向均有關，試樣越厚、試樣尺寸越大，涂層軸向容易發生肩部斷裂，而涂層周向很少發生肩部斷裂。

對于肩部斷裂和其他異常斷裂產生的數據，拉伸標準ISO 527.1—1993/2012和ASTM D638—2014原則上提到都應舍棄不能用來分析結果，ISO 527.1—1993/2012則提到對此種現象應在試驗報告中說明情況。

4 國內外標準對防腐材料拉伸要求的對比分析

國標GB/T23257與國外常用防腐技術標準關于原材料和涂層引用拉伸標準性能部分的對比見表4。

表4 國內外標準對防腐材料拉伸要求的對比

由表4可見，各標準對于拉伸性能的描述不一致。從試樣類型來說，其中DIN 30670—2012附錄F規定拉伸方法采用ISO 527-2，但是試樣類型明確規定為 1B/5A/5B，CSA Z245.21—2014采用ASTM D638—2014，明確規定試樣類型為IV型，ISO 21809-1∶2011對于原材料規定為ISO 3167—2014中的A/B型（注：分別與具有4 mm厚的ISO527-2中的1A/1B試樣等同），而對于涂層則規定只能使用ISO 527-3方法，厚度控制在≤1 mm，試樣類型推薦為1B/5，DEP 31.40.30.31－Gen.February 2011 主要是參考ISO 21809-1∶2009 修改，對于原材料規定為A/B型，對于涂層則參考ISO 527-2方法，試樣類型為1A/1B/1BA/1BB/5A/5B，盡可能用1型。

從取值方法來說，國外防腐標準都將驗收指標描述為“Elongation at break”， DIN 30670—2012雖然也是采用ISO 527方法，但其附錄F明確了取值方法為斷裂拉伸應變，并且有明確的計算公式；CSA Z245.21—2014采用 ASTM D638， 而ASTM D638中斷裂拉伸應變為“Percent Elongation at break”，斷裂標稱應變為“Nominal strain at break”，其他標準則參考ISO 527取值方法，取斷裂標稱應變。但評價防腐材料的拉伸性能時，應該采用哪個防腐標準更為科學，還有待進一步研究。

拉伸強度的偏差是指涂層沿鋼管周向和軸向的差值與兩者中較小者的比值。“拉伸強度的偏差”一詞國內最早出現在SY/T 4013—1995標準中[5]。我國是1995年在陜京天然氣管道和庫都輸油管道項目中開始應用3PE防腐技術的，現已無法考證當初設計該指標的緣由，但國標一直延續規定至今，歷次版本的標準中并沒有明晰的計算方法，這容易導致異議。拉伸強度試驗通常要求周向和軸向各取5個試樣，其差值有兩種計算方式，一是周向和軸向試樣一一對應的試驗數據差值；二是周向和軸向兩組試驗數據平均值的差值。有人認為，取平均值的差值也許更為嚴謹。結合番禺珠江鋼管公司歷年訂單的生產經驗來看，沒有任何出口訂單技術規格書中提到該指標，行業內常用的外國標準或國際標準對于強度都是規定拉伸屈服應力，也未體現這個指標。因此，筆者認為“拉伸強度的偏差”對防腐行業的實際指導意義不大，強度方面規定拉伸屈服應力即可。

5 標準在工程中的應用

挪威標準DNV-RP-F106中2003/2006/2010版對于原材料和涂層的拉伸性能要求均引用了ASTM D638和ISO 527，均要求拉伸屈服強度≥20 MPa，斷裂伸長率≥400%，而在2011版中對于聚乙烯原材料則改為拉伸屈服強度≥15 MPa，伸長率≥600%，拉伸方法僅限于ISO 527，涂層則修改為斷裂伸長率≥400%，不再強調拉伸屈服強度，拉伸方法僅限于ISO527-3，與ISO21809-1∶2011類似。該標準并未提到拉伸強度[18]。

番禺珠江鋼管公司2012年完成的3PE防腐訂單中，要求最嚴的是用于1 500 m深的荔灣深海管線，該項目原規格書參考了眾多外國和國際標準，要求聚乙烯拉伸方法采用ASTM D 638中IV型試樣，拉伸屈服強度高達21 MPa，斷裂拉伸應變≥700%，這個要求對于國內外原材料廠家來說是非常嚴格的。但其涂層斷裂伸長率采用ASTM D638中 I、II型試樣或者 ISO 527中的1型試樣，也就是通常所說的“大樣”，斷裂拉伸應變≥400%，拉伸強度≥20 MPa即可。由此來看，GB/T 23257—2017將拉伸強度定為≥22 MPa過于苛刻。

6 結 論

（1）不同試樣類型產生拉伸數據存在一定差異，對于同種材料同樣厚度來說，5A型原材料壓塑試樣斷裂標稱應變數據比1B和1BA型原材料壓塑試樣偏小約22%，而1B/1BA/IV型原材料壓塑試樣結果較為接近，1B涂層軸向試樣比1BA涂層軸向試樣容易發生肩部斷裂。1B和1BA涂層周向試樣極少發生肩部斷裂。

（2）新防腐標準 GB/T23257—2017對于拉伸性能技術參數的規定未指明試樣類型，建議參考 CSA Z245.21—2014，規定試樣類型為1BA，這可避免相關方對合格的判斷產生分歧。

（3）建議GB/T23257—2017根據實際生產情況，參照國外標準將聚乙烯涂層斷裂標稱應變改為≥400%。

[1]張懷志，閻功臣，景麗榮，等.影響塑料拉伸試驗結果的因素[J].工程塑料應用，2005，33(10)：51-53.

[2]GB/T 1040.2—2006，塑料拉伸性能的測定 第二部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件[S].

[3]GB/T 23257—2009，埋地鋼質管道聚乙烯防腐層[S].

[4]GB/T 23257—2017，埋地鋼質管道聚乙烯防腐層[S].

[5]SY/T 4013—1995，埋地鋼質管道聚乙烯防腐層技術標準[S].

[6]SY/T 4013—2002，埋地鋼質管道聚乙烯防腐層技術標準[S].

[7]DIN 30670—1991，鋼管及管件聚乙烯防腐層技術要求與試驗[S].

[8]DIN30670—2012，鋼管和管件的聚乙烯涂層要求和測試[S].

[9]GB/T 1040—1992，塑料拉伸性能試驗方法[S].

[10]ISO527.1—2012，塑料拉伸性能的測定第一部分：總則[S].

[11]ISO 527-3：1995，塑料拉伸性能的測定 第3部分：薄膜和薄片的試驗條件[S].

[12]ASTM D638—2014，塑料拉伸性能標準測試方法[S].

[13]ISO 21809-1：2011，石油天然氣工業－管道輸送系統中采用的埋地管道或水下管道的外防腐層－第一部分：聚烯烴防腐層（三層聚乙烯和三層聚丙烯）[S].

[14]CSA Z245.21—2014，工廠施用的鋼管外防腐聚乙烯涂層[S].

[15]ISO 1872-2：2007，塑料 聚乙烯(PE)模塑和擠塑材料第2部分:試樣制備和性能測定[S].

[16]ISO 3167—2014，塑料 多用途試樣[S].

[17]DEP 31.40.30.31－Gen：2011，管線鋼鋼管外防腐聚乙烯和聚丙烯涂層[S].

[18]DNV-RP-F106—2003/2006/2010/2011，工廠用外部管道涂層腐蝕控制[S].