聚乙烯管材應(yīng)變硬化模量與裂紋擴(kuò)展速率相關(guān)性研究

李茂東，陳國(guó)華，楊 波，黃曉之，王志剛

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510663；2. 華南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程研究所，廣州 510641)

0 前言

PE管道同金屬管道相比，具有耐化學(xué)腐蝕、質(zhì)輕、壽命長(zhǎng)、易施工、抗沖擊性和抗震性好、環(huán)保和易成型等優(yōu)點(diǎn)，已被世界各國(guó)公認(rèn)為城市燃?xì)廨斔凸芫W(wǎng)的最佳選擇[1]。PE管材在長(zhǎng)期承壓情況下容易發(fā)生慢速裂紋擴(kuò)展(SCG)導(dǎo)致脆性破壞并造成泄漏[2]。SCG可定義為在管材應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋并在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以穩(wěn)定速率逐漸擴(kuò)展的一種失效行為，在PE管材投入實(shí)際使用前必須嚴(yán)格地評(píng)價(jià)PE管材的耐SCG性能[3]。PE燃?xì)夤艿老到y(tǒng)被稱為現(xiàn)代城市的“生命線”。PE燃?xì)夤芫W(wǎng)分布在城市地下的角角落落，周邊的人口、商業(yè)和企業(yè)眾多。一旦發(fā)生事故會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等惡性事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失慘重、社會(huì)影響惡劣、還存在嚴(yán)重的環(huán)境污染。

當(dāng)前評(píng)價(jià)PE管材耐SCG性能的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法主要包括切口管試驗(yàn)(NPT)、單邊缺口拉伸試驗(yàn)(PENT)、全缺口拉伸蠕變?cè)囼?yàn)(FNCT)、錐體試驗(yàn)等。這些方法大多通過對(duì)試樣預(yù)制缺口，然后再將試樣放置在高溫的表面活性溶液中使其發(fā)生SCG。然而試驗(yàn)時(shí)間冗長(zhǎng)、制樣步驟復(fù)雜、試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等因素使這些方法存在一定的局限性，難以支撐PE管材性能快速發(fā)展的需求[4]。因此，研究者們一直著力于開發(fā)出更快、更可靠的SCG試驗(yàn)方法。在這其中，一種由沙伯基礎(chǔ)工業(yè)公司開發(fā)出的新SCG試驗(yàn)方法 - 應(yīng)變硬化試驗(yàn)法[5]因試驗(yàn)時(shí)間短、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)引起了業(yè)內(nèi)高度關(guān)注。該方法通過在80 ℃下對(duì)厚度很薄的啞鈴型試樣進(jìn)行拉伸并得到相應(yīng)的拉伸曲線，對(duì)該曲線中出現(xiàn)應(yīng)力陡然增加部分進(jìn)行線性擬合，并將線性擬合得到的線段斜率，即應(yīng)變硬化模量作為評(píng)價(jià)材料耐SCG性能的一個(gè)直接度量。通過與NPT、FNCT、PENT等傳統(tǒng)SCG試驗(yàn)方法進(jìn)行大量的循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)后，驗(yàn)證了應(yīng)變硬化模量與PE管材耐SCG性能之間的確存在明顯的正相關(guān)性[6-8]。另一方面，不同于用試樣失效時(shí)間來對(duì)PE管材耐SCG性能進(jìn)行表征的NPT、FNCT、PENT等方法，錐體試驗(yàn)是將預(yù)制缺口管材在承受環(huán)向應(yīng)變并浸沒在80 ℃的表面活性溶液下測(cè)得的裂紋擴(kuò)展速率作為耐SCG性能表征[9]，目前對(duì)裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)變硬化模量之間的相關(guān)性的研究仍比較欠缺。

本文采用應(yīng)變硬化試驗(yàn)得到3種不同牌號(hào)的PE100管材試樣的應(yīng)變硬化模量，并將其與通過錐體試驗(yàn)得到的裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行相關(guān)性研究，旨在用該相關(guān)性驗(yàn)證應(yīng)變硬化試驗(yàn)評(píng)價(jià)PE管材耐SCG性能的正確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

選取3種不同牌號(hào)雙峰相對(duì)分子質(zhì)量分布的管材級(jí)PE100黑色顆粒料，并分別編號(hào)為PE1、PE2、PE3；

PE1，共聚單體為1 - 己烯，黑色，中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司；

PE2，共聚單體為1 - 己烯，黑色，沙伯基礎(chǔ)工業(yè)公司；

PE3，共聚單體為1 - 丁烯，黑色，中國(guó)石油吉林石化公司;

分別由PE1、PE2、PE3管材顆粒料擠出而成的3種管段試樣，試樣規(guī)格為DN63-SDR17.6，長(zhǎng)度為150 mm。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電動(dòng)加硫壓片機(jī)，XH-406B，東莞錫華檢測(cè)儀器公司；

帶高低溫箱電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，Z020，德國(guó)Zwick/Roell公司；

恒溫水槽，SC-25A，上海汗諾儀器公司；

黃銅錐體，根據(jù)管段試樣規(guī)格尺寸定制，東莞精建自動(dòng)化設(shè)備有限公司。

1.3 樣品制備

根據(jù)ISO18488標(biāo)準(zhǔn)，分3個(gè)步驟制取應(yīng)變硬化試驗(yàn)所需的啞鈴型試樣；首先在180 ℃、5 MPa的條件下，將PE顆粒原料放入壓片機(jī)的1 mm模框中壓塑5 min，然后以15 ℃/min的平均冷卻速率將其冷卻至常溫，脫模后得到1 mm的薄片；接著將薄片放入烘箱內(nèi)，120 ℃下放置1 h，然后使試片緩慢冷卻至室溫；最后從薄片中切出啞鈴型試樣，試樣總長(zhǎng)度為70 mm，端部寬度為20 mm，厚度為1 mm；

根據(jù)GB/T 19279開展錐體試驗(yàn)，由于標(biāo)準(zhǔn)中并未明確指出恒溫水槽的具體制作材料；常用恒溫水槽的內(nèi)層和加熱管均由鋼制成，而表面活性溶液在80 ℃的環(huán)境下會(huì)隨著試驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)發(fā)生老化而使pH值降低，酸性提高[10];換言之，如果在錐體試驗(yàn)時(shí)讓表面活性溶液直接接觸恒溫控制槽內(nèi)層，那么后者將會(huì)在試驗(yàn)中被前者腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可造成試驗(yàn)設(shè)備的損壞，并極大地影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性;對(duì)此，特別設(shè)計(jì)了一種用具有耐高溫、耐強(qiáng)酸特質(zhì)的石英材料制成的圓柱形容器;為方便錐體試驗(yàn)過程中取出測(cè)量管材的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，該圓柱形容器的外徑、高度、厚度分別設(shè)計(jì)為80、180、3 mm，并在瓶口加工螺紋配合塑料瓶蓋旋緊以保證容器良好的密封性;圓柱形石英容器、PE管段試樣、黃銅錐體如圖1(a)所示。

(a) 石英容器、管段試樣、錐體 (b) 將試樣裝入石英容器 (c) 錐體試驗(yàn)開始 (d) 裂紋擴(kuò)展情況圖1 錐體試驗(yàn)過程Fig.1 Process of cone test

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

應(yīng)變硬化試驗(yàn)：將試樣置于80℃的溫度箱中，以20 mm/min的速率對(duì)其進(jìn)行拉伸，用設(shè)備自帶軟件獲取應(yīng)力 - 應(yīng)變數(shù)據(jù);

錐體試驗(yàn):首先配置濃度為5 %的表面活性溶液，接著在保證錐體和管段試樣同軸的情況下，用帶有夾板的壓力機(jī)將錐體以100 mm/min的速率全部壓入管段試樣，然后在被錐體完全插入的管段試樣一端沿錐體上的凹槽加工軸向長(zhǎng)度為10 mm的缺口;在加工完缺口后，將帶有錐體的管段試樣放入圓柱形容器中，錐體部分置于容器底部，再將表面活性劑倒入容器中，保證整個(gè)管段被表面活性溶液完全浸沒，如圖1(b)所示;最后，將該容器放入恒溫水槽中，放入足量的水后加蓋密封，將溫度設(shè)置為80 ℃，開始試驗(yàn)，如圖1(c)所示;在試驗(yàn)過程中需每隔24 h將管段試樣取出，測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，一次試驗(yàn)持續(xù)14 d，圖1(d)為錐體試驗(yàn)結(jié)束時(shí)裂紋擴(kuò)展的情況;在錐體試驗(yàn)開展至24 h時(shí)，將容器取出并用溫度計(jì)測(cè)量其中表面活性溶液溫度，結(jié)果基本保持在(80±1) ℃，可見容器的傳熱效果良好，再結(jié)合裂紋沿軸向發(fā)生的擴(kuò)展現(xiàn)象，本錐體試驗(yàn)方案的可行性得到驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變硬化模量分析

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算出試樣在拉伸過程中受到的真應(yīng)力(σtrue)和試樣的拉伸比(λ)(即試驗(yàn)中某時(shí)刻試樣標(biāo)矩長(zhǎng)度l與試樣初始標(biāo)距l(xiāng)0的比值)，整理得到PE1～PE3的σtrue-λ的應(yīng)變硬化試驗(yàn)曲線，如圖2所示。

(1)

(2)

式中F——測(cè)量力，N

A——試樣的初始截面積，mm2

l0——試樣標(biāo)矩的初始距離，mm

Δl——試樣增長(zhǎng)長(zhǎng)度，mm

ε——應(yīng)變

1—PE1 2—PE2 3—PE3圖2 PE1～PE3的應(yīng)變硬化試驗(yàn)曲線Fig. 2 SH test curve of PE1～PE3

應(yīng)變硬化區(qū)間(通常λ為8～12的區(qū)間)內(nèi)的“新虎克應(yīng)變”(εNHSM)以及“新虎克本構(gòu)模型”可分別用式(3)和式(4)表示，式(4)中C為擬合出本構(gòu)方程中的常數(shù)。在繪制出σtrue-εNHSM曲線之后，對(duì)其應(yīng)變硬化區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖3所示，應(yīng)變硬化模量(〈Gp〉)約等于線性擬合出直線段斜率的20倍。

1—PE1 2—PE2 3—PE3圖3 σtrue-εNHSM曲線(虛線代表線性擬合直線段)Fig.3 True stress versus Neo-Hookean Strain Measure(Dashed line represent linear fitting data )

(3)

(4)

值得注意的是，相對(duì)于傳統(tǒng)SCG試驗(yàn)對(duì)試樣采取預(yù)制切口以使裂紋發(fā)生擴(kuò)展的方法，應(yīng)變硬化試驗(yàn)只是對(duì)無缺口的啞鈴型試樣進(jìn)行拉伸，在整個(gè)試驗(yàn)過程中都沒有出現(xiàn)裂紋。因此該試驗(yàn)方法的可行性必然建立在其基本原理與PE管材銀紋 - 裂紋擴(kuò)展微細(xì)觀機(jī)理的密切聯(lián)系上，結(jié)合如圖4所示的SCG機(jī)理示意圖，對(duì)應(yīng)變硬化試驗(yàn)的基本原理進(jìn)行說明。

圖4 SCG微細(xì)觀機(jī)理示意圖Fig.4 Schematic illustration of microscopic mechanism of SCG

PE管材在長(zhǎng)時(shí)間的低載荷作用下，其非晶區(qū)被拉長(zhǎng)。在銀紋區(qū)域內(nèi)，由經(jīng)過伸展和取向排列后的系帶分子組成的微纖維也慢慢被拉伸，這些微纖維被拉伸后的強(qiáng)度比材料屈服強(qiáng)度還要大，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)變硬化響應(yīng)以抵抗自身的變形趨勢(shì)[11-13]。因此在細(xì)觀層面上，PE管材對(duì)SCG的抗性主要是由微纖維固有的應(yīng)變硬化響應(yīng)所控制的，PE管材的應(yīng)變硬化和其耐SCG性能之間有直接的正相關(guān)聯(lián)系。基于上述理論模型，學(xué)者們將應(yīng)變硬化模量作為PE管材耐SCG性能的直接表征參量，PE管材的應(yīng)變硬化模量越大，其耐SCG性能就越強(qiáng)。

●—PE1 ■—PE2 ▲—PE3圖5 PE裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between crack growth length and test time of PE

2.2 裂紋擴(kuò)展速率分析

如圖5所示，通過記錄試樣每24 h擴(kuò)展的裂紋長(zhǎng)度，并得出裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度對(duì)時(shí)間的變化曲線。可以看出，在錐體試驗(yàn)剛開始時(shí)，裂紋幾乎不擴(kuò)展，這是PE管材試樣中的銀紋微纖維還未到達(dá)其斷裂程度而反映出典型的“延遲斷裂”現(xiàn)象。而在幾天之后，試樣的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度開始有明顯的變化，可見在連續(xù)的高溫活性環(huán)境作用下，材料結(jié)晶區(qū)內(nèi)的鏈流動(dòng)性提高，促使結(jié)晶區(qū)內(nèi)的分子鏈發(fā)生擴(kuò)散，銀紋引發(fā)應(yīng)力隨之降低，同時(shí)系帶分子滑移和解纏的摩擦力減少導(dǎo)致銀紋中微纖維被拉斷，裂紋開始擴(kuò)展[14-15]。隨著試驗(yàn)時(shí)間的逐漸增長(zhǎng)，銀紋 - 裂紋擴(kuò)展過程中的損傷積累使得PE管材對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗性逐步降低，裂紋擴(kuò)展的幅度越來越大。在錐體試驗(yàn)中，裂紋擴(kuò)展速率是PE管材耐SCG性能的直接度量，試樣的裂紋擴(kuò)展速率越大，其耐SCG性能越弱。

如圖6所示，通過對(duì)整個(gè)試驗(yàn)周期的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度 - 時(shí)間曲線進(jìn)行線性擬合得到試樣的裂紋擴(kuò)展速率。

●—PE1 —PE1線性擬合 ■—PE2 ┄ —PE2線性擬合▲—PE3 —— —PE3線擬合圖6 線性擬合得到的裂紋擴(kuò)展速率Fig.6 Acquisition of crack growth rate by linear fitting

PE1～PE3的應(yīng)變硬化模量和裂紋擴(kuò)展速率結(jié)果如表1所示。

表1 PE的應(yīng)變硬化模量和裂紋擴(kuò)展速率Tab.1 Strain hardening modulus and crack growth rate of PE

2.3 應(yīng)變硬化模量與裂紋擴(kuò)展速率相關(guān)性研究

如圖7所示，PE1～PE3的應(yīng)變硬化模量與裂紋擴(kuò)展速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是不同PE管材試樣中的銀紋微纖維的應(yīng)變硬化程度差異在錐體試驗(yàn)結(jié)果上的直觀反映，PE管材中微纖維的應(yīng)變硬化程度越大，其抵抗裂紋擴(kuò)展的能力在錐體試驗(yàn)中就會(huì)表現(xiàn)為較小的裂紋擴(kuò)展速率。在試驗(yàn)前并不知道同為PE100的PE1～PE3之間耐SCG性能差異的情況下，這2種試驗(yàn)的評(píng)價(jià)結(jié)果完全相同，應(yīng)變硬化試驗(yàn)評(píng)價(jià)PE管材耐SCG性能的正確性得到證明。

圖7 應(yīng)變硬化模量與裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系Fig.7 Relationship between strain hardening modulus and crack growth rate

由圖7顯示出的誤差棒可知，相比于錐體試驗(yàn)，應(yīng)變硬化試驗(yàn)的誤差較小。此外，可以發(fā)現(xiàn)PE2和PE3的裂紋擴(kuò)展速率比較相近，PE3的裂紋擴(kuò)展速率僅比PE2大5 %左右。考慮到錐體試驗(yàn)中表面活性因素帶有的局限性以及試驗(yàn)測(cè)量過程中的人為誤差，這個(gè)差值作為評(píng)價(jià)SCG性能差異的結(jié)果而言是比較小的。而PE2的應(yīng)變硬化模量比PE3要大將近14.8 %，這表明相比于錐體試驗(yàn)，應(yīng)變硬化試驗(yàn)可以更好地區(qū)分不同牌號(hào)PE100管材耐SCG性能的細(xì)微差異。由上述分析可知，應(yīng)變硬化試驗(yàn)的評(píng)價(jià)結(jié)果更加可靠。

3 結(jié)論

(1)裂紋擴(kuò)展過程中的損傷積累使得PE管材對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗性逐漸降低，錐體試驗(yàn)中PE管材的裂紋擴(kuò)展程度隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加而增大;

(2)應(yīng)變硬化試驗(yàn)和錐體試驗(yàn)對(duì)PE1～PE3的耐SCG性能評(píng)價(jià)結(jié)果完全相同，這是不同PE管材試樣中的銀紋微纖維的應(yīng)變硬化程度差異在錐體試驗(yàn)結(jié)果上的直觀反映，應(yīng)變硬化試驗(yàn)評(píng)價(jià)PE管材耐SCG性能的正確性得到證明;

(3)相比于錐體試驗(yàn)，應(yīng)變硬化試驗(yàn)不僅誤差較小，而且可以區(qū)分不同牌號(hào)PE100管材耐SCG性能之間的細(xì)微差異，評(píng)價(jià)結(jié)果要更加可靠。