擠出工藝對聚乙烯管材殘余應力分布的影響

孫 晉，華 曄，者東梅

(中國石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京 100013)

0 前言

塑料管材因具有耐腐蝕性、耐磨性、焊接性能好、對輸送介質無污染、使用壽命長等眾多優點，廣泛應用于燃氣、供水、油田、海水淡化和核工業等領域[1]。擠出加工是塑料管材的主要成型方法之一，主要包括塑化、擠出、定徑、冷卻、牽引和切割等流程。長期以來管材的擠出工藝和品質控制主要依靠經驗，仍然有很多未解決的問題阻礙著管材品質的提高。不少案例發現大口徑厚壁管材擠出加工產生的殘余應力會造成管材開裂，使用壽命受損，給工程帶來重大隱患。因此如何減小大口徑厚壁管材的殘余應力是擠出加工行業的重點關注內容。研究管材殘余應力的產生原因，并從理論上分析和計算殘余應力的分布，對于模具設計、工藝優化和提高產品品質都具有重要的意義[2-4]。

小孔法測量殘余應力是1934年德國學者J Mathar提出的，已成為應用最廣泛的殘余應力測量方法之一。小孔法根據鉆孔是否穿透構件分為通孔法和盲孔法，具有簡單易行、精確度較高、對構件損傷程度小等特點。目前國內外對殘余應力測試的研究主要集中在金屬材料和一些工程塑料領域，對熱塑性材料的殘余應力研究還處于探索階段[5-8]。本文通過調整不同冷卻速度擠出制備不同殘余應力的聚乙烯管材制品，系統考察了擠出工藝對聚乙烯管材內外層的殘余應力分布和常規力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PE-HD管材，YGH041T，黑色，PE100，按GB/T 1040.2—2006測試得到其拉伸屈服應力為25 MPa，彈性模量為860 MPa，中國石化上海石油化工股份有限公司。

1.2 主要設備及儀器

管材單螺桿擠出機，BBC 1-90-30，螺桿直徑為90 mm，長徑比為30，巴頓菲爾辛辛那提塑料設備有限公司；

熔體流動速率測定儀，MI-4，1653，德國GOTTFERT公司；

差示掃描量熱儀(DSC)，DSC8000，美國PE公司；

材料試驗機，Instron 4466，美國Instron公司；

高低溫試驗箱，ZM-10KA，廣州愛斯佩克環境儀器有限公司；

管材靜液壓試驗機，1676，德國IPT公司；

管材耐慢速裂紋增長缺口制樣機，1653，德國IPT公司；

殘余應力測試儀，MTS3000，意大利SINT公司。

1.3 樣品制備

聚乙烯管材的擠出：為得到不同殘余應力的管材樣品，本文按照熔體和冷卻水的溫度差，設計了PE-HD管材在不同冷卻速度下的工藝參數(A、B和C)，如表1所示，工藝C為最優的工藝條件，熔體溫度和冷卻溫度的差值較小；工藝A和B逐步增加了管材的冷卻溫差，加快了管材的冷卻速度，3種擠出工藝所制備的管材樣品規格均為管材外徑為dn250，標準尺寸系列為SDR11；

表1 PE-HD管材的擠出工藝參數

SCG試驗樣品缺口的制備：按照GB/T 18476—2001采用專用缺口制樣機沿管材環向均勻分布的4個軸向切口，切口處剩余壁厚在管材壁厚的0.78～0.82倍之間；

管材拉伸樣品的分層制備：按GB/T 8804.3—2003采用機械加工方法沿管段周邊均勻制取啞鈴型試樣(類型1);為進一步考察管材沿壁厚方向外、中和內層的性能差異，將啞鈴型試樣沿壁厚方向平均銑削成3層，分別進行拉伸試驗。

1.4 性能測試與結構表征

縱向回縮率測試：按GB/T 6671—2001進行，測試溫度為110 ℃，樣品放置4 h后冷卻至室溫，計算3個平行試樣的算數平均值；

靜液壓強度測試：按GB/T 6111—2003進行，采用A型封頭，試驗溫度為20 ℃，環應力分別為12.4 MPa和13.5 MPa，記錄管材在恒壓下的破壞時間；

SCG性能測試：按GB/T 18476—2001進行，試驗溫度為80 ℃，試驗壓力為0.92 MPa，記錄管材在恒壓下的破壞時間；

管材分層拉伸性能測試：按GB/T 8804.3—2003分別測量管材外、中和內層的拉伸性能，拉伸速率為50 mm/min；

圖1 應變花類型Fig.1 Type of strain gage

管材殘余應力測試：按ASTM E837—2013a鉆孔法分別測量管材內外層沿壁厚方向上的殘余應力分布[9]；將應變花粘貼在試樣測量點上，并接好測量導線，所用的應變花類型如圖1所示；將帶觀察鏡的鉆具安裝在試樣上方，并使鉆頭對準應變計中心處；為了避免鉆孔在測量區域產生熱量，鉆頭轉速很低(250 r/min)，進給速度緩慢(0.2 mm/min)，以最大程度地減少對殘余應力的影響；在鉆孔過程中，包圍在鉆孔周圍的殘余應力得到釋放，所產生的微應變被連接到應變計上的儀器記錄，得到管材3個方向上的釋放應變隨著鉆孔深度的變化曲線，最終計算得到管材的最大主應力σmax、最小主應力σmin、最大主應力角度β和Von Mises等效殘余應力σvon等數值，測試場景如圖2所示。

(a)外層 (b)內層圖2 管材內外層的殘余應力測試場景Fig.2 Residual stress measurement on outer and inner layer of pipes

2 結果與討論

2.1 擠出工藝對管材物理性能的影響

對3種不同工藝條件下擠出的管材樣品分別進行縱向回縮率試驗，最終結果如表2所示，工藝條件A擠出的管材縱向回縮率最大。塑料管材的縱向回縮率顯示了其在冷熱影響下沿縱向尺寸變化的穩定性，也側面反映了管材加工冷卻過程產生的殘余應力大小。高分子材料的分子鏈在流動剪應力的作用下發生取向，管材的冷卻速度很快，解取向過程(高分子鏈的整體運動)只進行了一部分就停止了，而另一部分作為殘余取向被凍結在材料中。但由于取向的高分子鏈占據較大的自由體積，處于較高的能態，仍有向低能態發展的趨勢(如松弛、卷曲、纏繞或重結晶等)，宏觀的表現就是發生體積收縮。因此工藝條件A下PE-HD分子鏈取向度也增大，其縱向收縮率也隨之增大，同時由取向所引起的殘余應力就越大。

將3種工藝條件下擠出的管材在不同環應力(12.4 MPa和13.5 MPa)下進行靜液壓試驗，最終結果如表2所示。試驗首先按照PE給水管材GB/T 13663的技術要求(20 ℃、環應力為12.4 MPa)進行，3種管材均在恒壓5 000 h后未破壞。因此可以認為常規條件的靜液壓試驗難以發現冷卻速度對管材靜液壓性能的影響。隨后將環應力增加至13.5 MPa，管材在靜液壓試驗下的韌性破壞形狀如圖3所示。可以看出，隨著冷卻速度的加快，PE-HD管材的靜液壓破壞時間也隨之降低，也從另一方面反映了擠出冷卻過程產生的殘余應力差異對管材耐靜液壓性能的影響。

表2同時給出了3種工藝條件下PE-HD管材在80 ℃下的SCG性能變化。隨著冷卻速度的加快，PE-HD管材的SCG破壞時間也隨之降低。慢速裂紋增長導致的破壞屬于典型的脆性破壞，PE材料在持續低應力狀態下，系帶分子鏈開始解纏結和松弛。隨著時間的推移，系帶分子鏈逐漸從晶區拔脫，剩下為數不多的系帶分子鏈承受著載荷作用，造成更大的應力集中，最后發生脆性破壞[10-11]。圖4所示為PE-HD管材在SCG試驗下的脆性破壞形狀。由于工藝A冷卻速度最快，其結晶也相對最不完善，由此所引起的殘余應力也越大，系帶分子鏈的解纏結速度越快，導致工藝A下管材的SCG破壞時間最短。這也進一步驗證了冷卻速度對管材殘余應力的影響。

表2 PE-HD管材在不同工藝下的物理性能

圖3 管材靜液壓試驗的韌性破壞圖Fig.3 Ductile failure of pipes at hydrostatic test

(a)整體圖 (b)局部放大圖圖4 管材SCG試驗的脆性破壞圖Fig.4 Brittle failure of pipes at SCG test

2.2 擠出工藝對管材內外層殘余應力的影響

通過研究擠出工藝對管材常規物理性能的影響，可以定性地考察其殘余應力的影響。本文首次將盲孔法用于大口徑塑料管材殘余應力的定量測量。對于3種工藝條件下擠出的dn250管材，本文按照盲孔法測得其沿鉆孔深度方向上釋放應變的變化情況，如圖5所示，其中ε1、ε2和ε3分別與應變花上的A、B和C 3個方向相對應。可以看出，3種工藝下的管材外層釋放應變隨著鉆孔深度逐漸遞增,而內層的釋放應變相對較小，且隨著鉆孔深度的增加改變不大。

■—外層，ε1 ●—外層，ε2 ▲—外層，ε3 ▽—內層，ε1 ?—內層，ε2 ?—內層，ε3(a)工藝A (b)工藝B (c)工藝C圖5 管材內外層在3個方向上的釋放應變隨鉆孔深度的變化Fig.5 Residual strain in three direction versus hole depth on outer and inner layer of pipes

根據ASTME837標準按照式(1)～(3)計算得到管材內外層的σmax、σmin、β和σvon：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中ε1、ε2、ε3——3個方向的釋放應變，μm/m

σmax——最大主應力，MPa

σmin——最小主應力，MPa

σvon——Von Mises等效殘余應力，MPa

β——最大主應力方向，即最大主應力和應變花參考軸的順時針夾角，(°)

E——材料的彈性模量，MPa

A、B——2個應變釋放系數，其值與鉆孔的孔徑、應變花尺寸、材料的彈性模量和泊松比有關圖6給出了管材內外層的殘余應力沿鉆孔深度的分布曲線，可以看出，3種工藝下管材內層殘余應力σvon的最大值均在3 MPa以下，且隨鉆孔深度的變化影響不大，很難分辨差異。這是由于管材的擠出冷卻主要采用外冷方式，冷卻溫差的調整對管材內層的溫度影響不大，因此其殘余應力差異不大。而管材外層的殘余應力σvon相對比內層大，且隨著鉆孔深度的增加逐步提高，呈現非均勻分布的情況。隨著冷卻速度的增大(C-B-A)，外層殘余應力也隨之上升，其最大值由6.7 MPa升至12 MPa。同時在工藝B和C條件下，外層殘余應力在0.8 mm孔深處出現平臺。

■—外層，工藝A ●—外層，工藝B ▲—外層，工藝C□—內層，工藝A ○—內層，工藝B △—內層，工藝C圖6 管材內外層沿鉆孔深度方向上的殘余應力分布Fig.6 Residual stress distribution in hole depth on outer and inner layer of pipes

塑料管材擠出加工產生的殘余應力主要有以下2個來源：(1)聚合物熔體在模腔擠出流動過程中形成剪切應力，分子鏈取向由于冷卻溫度的迅速下降不能完全松弛。在擠出加工過程中管材外層分子鏈受到的剪應力較大，管材內層的剪應力較小，其取向度分布也存在一個梯度。當溫度降至玻璃化轉變溫度以下時，由取向所引起的殘余應力被“凍結”在固體中；(2)在冷卻過程中管材外層冷卻速度快，而內層冷卻速度較慢。管材在壁厚方向上的溫度分布不均勻，由此所引起的收縮和結晶差異會產生殘余應力。因此管材外層的殘余應力比內層大，而且管材外層的殘余應力沿壁厚方向是不均勻分布的。

2.3 管材分層拉伸試驗驗證

為了驗證管材內外層的殘余應力差異，本文將PE-HD管材按照壁厚方向平均銑削成3層，分別進行拉伸力學試驗。采用工藝A擠出管材內、中間和外層的應力-應變曲線如圖7所示。可以看出，相比于內層和中間層，管材外層試樣的屈服強度最低。這是由于管材的冷卻速度快，結晶度較低，其拉伸屈服強度也隨之降低。這也從側面驗證了管材外層殘余應力比內層大的測試結果。

1—外層 2—中間層 3—內層圖7 管材不同層的拉伸應力-應變曲線Fig.7 Tensile stress versus strain for different layer of pipes

3 結論

(1)系統考察了擠出冷卻速度對管材常規物理性能的影響，發現隨著冷卻速度的增加，管材縱向回縮率逐步增大，而其靜液壓破壞時間和SCG破壞時間也隨之降低,這是由于冷卻速度越大，由取向和冷卻結晶所引起的殘余應力就越大;

(2)首次采用盲孔法測量了3種工藝下PE-HD管材內外層殘余應力分布情況，發現管材內層的殘余應力較小，很難分辨差異;而管材外層的釋放應變和殘余應力值相對比內層大，且隨著鉆孔深度和冷卻速度的增加逐步提高，呈現非均勻分布的情況;這是由于管材擠出冷卻主要采用外冷方式，冷卻速度的變化對于管材內層的溫度影響不大;而管材外層PE-HD分子鏈取向和結晶速度的差異，由此引起的殘余應力隨著冷卻速度的增大而上升;

(3)采用管材在壁厚方向上的分層拉伸試驗發現外層試樣的拉伸屈服強度最低，進一步驗證了管材內外層的殘余應力測試結果。