燃氣輸配聚乙烯壓力管道環境影響因素及對策

申麥茹，鐵文安，李艷芳

（1 陜西省特種設備檢驗檢測研究院，陜西西安 710048；2 陜西延長涇渭新材料科技產業園有限公司，陜西西安 710075；3 陜西華山勝邦塑膠有限公司，陜西西安 710043）

聚乙烯原材料是一種以聚乙烯為基料的共聚物混合材料，材料中必須添加一定量的抗氧化劑、光穩定劑和碳黑（僅適用黑色混配料）等添加劑來防止氧化。由于聚乙烯(PE) 管材具有優異的耐腐蝕性、耐環境應力開裂和抗震破壞性能好等優點，己成為城鎮中、低壓燃氣管道的首選，然而作為一種高分子有機材料，容易受光氧化、熱氧化、臭氧分解，在紫外線作用下容易降解，受輻射后可發生交聯、斷鏈、形成不飽和基團等反應，其老化問題不可避免，也是影響燃氣管道壽命和使用安全性的重要因素之一［1-4］。中低壓城鎮燃氣聚乙烯管道工作溫度限定為-20～40 ℃，由于燃氣介質溫度通常為常溫，其工作溫度主要取決于周圍環境溫度［5］。本文根據80℃恒溫老化試驗后的氧化誘導時間、熔體質量流動速率、拉伸性能、斷裂伸長率、靜液壓強度測試數據，分析環境溫度對材料各性能指標的影響規律，給出了聚乙烯燃氣管道的設計、制造、運輸和儲存、使用環節受環境溫度影響應采取的應對措施，避免和減少環境溫度對聚乙烯管道壽命的影響。

1 80℃恒溫老化試驗

1.1 試樣準備

采用PE100 燃氣專用混配料（型號為HE3490LS），按照GB 15558.1-2018 加工成黑色dn63mm×en5.8mm(4條黃色色條) 及dn63mm×en3.6mm(4 條橙色色條) 的管材。采用機加工制成GB/T 8804.3-2003 中I、II 型啞鈴試樣。試樣規格及代號如表1、圖1 所示。并將試樣按不同時間段分類并標識，試樣數量與老化時間的對應關系見表2。

表1 試樣規格及代號Table 1 Sample specification and code

表2 試樣數量（ 件) 與老化時間對應關系Table 2 The corresponding of sample quantity and aging time

圖1 A、B、C、D 四種試樣Fig.1 Samples A, B, C and D

1.2 試驗儀器與設備

管材擠出機，型號LEP45-50，瑞典Labtech 公司；80℃恒溫實驗箱， HAM2003，丹麥HAM 公司；差示掃描量熱儀（DSC），型號DSC214，德國NETZSCH 公司；熔體流動速率測試儀，型號MF20，美國INSTRON 公司；電子拉力萬能試驗機，型號Model E44，美國美特斯工業系統公司；管材耐壓爆破試驗機，XGNB-N-B。

1.3 試驗方法及項目要求

將制成的試樣置于80℃恒溫水中，在累計放置時間( 不受應力) 分別為6、12、13、14、15、16、17、18、19 個月時，對不同老化時間段試樣進行氧化誘導時間、拉伸性能、熔體流動速率、靜液壓試驗。試驗項目及要求見表3。

表3 試驗項目及要求Table 3 Test items and requirements

2 試驗結果及數據分析

2.1 試驗結果

經80℃恒溫老化試驗后試樣的氧化誘導時間、熔體質量流動速率、斷裂伸長率、拉伸強度、靜液壓強度試驗數據與老化時間段的對應關系分別如圖2～圖5、表4所示。

圖2 氧化誘導時間Fig.2 Oxidation induction time

圖3 熔體質量流動速率Fig.3 Melt mass flow rate

圖4 斷裂伸長率Fig.4 Elongation at break

圖5 拉伸強度Fig.5 Tensile strength

表4 不同時間段靜液壓強度數據Table 4 Hydrostatic strength data in different time periods

2.2 試驗結果分析

（1）氧化誘導時間

試驗結果顯示，經80℃恒溫老化試驗，累計6 個月時試樣的氧化誘導期最長為18min，最短為13.1min，均低于標準要求的20min。 說明聚乙烯材料氧化誘導時間受環境溫度（高溫）影響較大，很快發生氧化。

所謂氧化誘導時間就是人為改變管材的使用環境（氧氣、氮氣、室溫），提高氧氮密度與壓力、環境溫度（200℃），測試極端環境條件下材料發生自動催化氧化反應的時間［2-3］。氧化誘導時間是評價材料成型、儲存、焊接、使用過程中自身熱穩定性的最重要指標，是管材發生質變產生脆性破壞的原因之一，其直接影響管材的擱置壽命和使用壽命。氧化誘導時間越長，材料的熱穩定性越好，壽命越長。

（2）熔體質量流動速率

試驗結果顯示，80℃恒溫老化時間達19 個月，其熔體質量流動速率仍在合格范圍內。

熔體質量流動速率是表述塑料在一定溫度和壓力下熔體流動性的參數，同時間接表述塑料平均分子量的高低。平均分子量越低，熔體流動速率則越大，則表示塑料熔融狀態下流動性好；平均分子量越高，熔體流動速率越小，則表示塑料熔融狀態下流動性差。該指標是選擇材料和牌號的重要參考指標。而熔體流動速率經80℃恒溫老化試驗，并不能改變其分子量的高低，因此測試數據并未發生太大變化，試驗溫度下（不受應力）對材料的熔體質量流動速率影響不大。

(3)斷裂伸長率、拉伸強度

斷裂伸長率是材料在拉伸斷裂時的伸長率，表征在拉伸試驗條件下的材料韌性。斷裂伸長率數值越高，材料抗變形能力越強。拉伸強度是材料從塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是在靜拉伸條件下的較大承載能力，它表征材料較大均勻塑性變形的抗力。說明試驗溫度（不受應力）對材料的強度影響不大。

試驗結果顯示，最長經過19 個月的80℃恒溫老化試驗，除了個別斷裂伸長率低于350% 外，其余斷裂伸長率、拉伸強度試驗結果均滿足標準要求。

（4）靜液壓強度

試驗數據顯示，經過長達19 個月的80℃恒溫老化試驗，靜液壓試驗結果為無破壞、無滲漏。

靜液壓強度試驗是在一定溫度下對管材原材料及加工工藝的短期內綜合考量，與材料本身的性質有關。通過GB/T 18252-2008《塑料管道系統 用外推法確定熱塑型塑料管材材料以管材型式的長期靜液壓強度》來預測在一定溫度、壓力的長期使用壽命。經80℃恒溫老化試驗，在不考慮其他因素的情況下，試驗溫度下材料靜液壓強度試驗無損壞、無泄漏，說明材料及加工工藝符合要求。

3 應對溫度影響的措施

80℃恒溫老化試驗，只考慮高溫，未考慮低溫、應力、介質、氧、紫外線、光等影響的情況下進行試驗。試驗結果顯示，環境溫度對材料氧化誘導時間影響最大，其余性能指標未見明顯異常。在進行聚乙烯燃氣管道設計、制造、運輸和儲存、安裝、使用、定期檢驗過程中應關注環境溫度對其性能的不利影響，并采取相應措施規避環境溫度對聚乙烯燃氣管道引起的安全風險。

3.1 根據工作溫度進行壓力折減

工作溫度指管材內外環境的年度平均溫度。對于埋地敷設的聚乙烯燃氣管道，管內燃氣通常為常溫，相對恒定，管道的工作溫度主要取決于管道埋深處周邊地溫，通常與陽光照射、地表狀況、深度等因素有關，且處于變化中。研究表明，地溫變化隨深度增加急劇降低, 通常在1.0～1.2 m 后趨于恒定；地表狀況對地溫有明顯影響,混凝土地面處地溫高于綠化帶地面；陽光照射對地溫提高有影響, 但較小［1］。因此，聚乙烯燃氣管道設計時應考慮管道埋設處的溫度，確定管道的工作溫度，按工作溫度對最大允許工作壓力Pmax=MOP/DF［MOP 為最大工作壓力（MPa），以20℃為參考工作溫度］ 進行折算。工作溫度下的壓力折算系數見表5。中間溫度按內插法計算。

表5 工作溫度下的壓力折算系數Table 5 Pressure conversion coefficient at operating temperature

3.2 按設計使用年限考慮材料強度

聚乙烯管道的強度是指其應用到50 年的強度。其在使用過程中，不僅受到溫度的影響外，還會因應力、介質、氧氣等因素的影響發生老化，材料的強度會隨者時間的推移逐漸下降。同時，由于應力作用，會發生應力松弛。因此，設計時應按使用年限考慮材料強度。

3.3 控制抗氧化劑、光穩定劑、碳黑（黑色管材）用量

抗氧化劑可有效抑制和延緩聚乙烯混配料的自動氧化降解，光穩定劑可提高材料抵抗紫外線的破壞能力，碳黑是有效的光屏蔽劑。通過控制其添加量可提高成型過程中熱穩定性。

3.4 保證管道埋設深度

《城鎮燃氣工程設計規范》(GB 50028) 規定, 城鎮市政燃氣管道埋深通常在0.8～1.2 m。此深度受陽光及地表狀況影響較小，管道埋深處的溫度相對比較恒定，有利于管道工作溫度相對穩定。若埋深不能滿足設計有求時，應采取加套管等保護措施。

3.5 不得進入和穿過熱力管溝敷設，保證與熱力管道間水平及垂直凈距

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》第4.3.2 條規定，應保證燃氣管道外壁溫度不超過40℃。熱力管道通常因介質溫度較高，使其周圍環境溫度升高，可能導致相鄰的聚乙烯燃氣管道外壁超過40℃，使其發生老化，使用壽命減少。聚乙烯燃氣管道與熱力管道之間水平和垂直距離應滿足CJJ 63-2018 中表1、表2 要求。當受到地形限制時，不能保證與熱力管道水平及垂直凈距時，可采取有效的隔熱防護措施，如架設混凝土套管，必要時套管內充填絕熱材料、采用防護板等措施［5］。

3.6 運輸和儲存過程防曝曬、雨淋、遠離熱源并采取防紫外線措施

光、溫度、濕度、紫外線均使聚乙烯材料發生老化。在運輸或臨時施工存放中應采用遮蓋物遮蓋。儲存時應存放在溫度不超過40℃的倉庫（存儲型物理建筑）或半露天堆場（貨棚內），應有防紫外線照射的措施。 生產到使用期間，累計受到太陽能輻射量超過3.5GJ/m2時，累計接受的能量可根據我國各地太陽能輻射總量參考表6 進行估算，或按規定存放時間超過4 年，應對其進行抽檢。

表6 我國主要氣候類型的年太陽能總量參考表Table 6 Annual solar energy total reference table for main climate types in China

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》3.1.3 條管材抽檢的項目包括靜液壓強度、電熔接頭的剝離強度和斷裂伸長率。但根據80℃恒溫老化試驗結果分析，氧化誘導時間對材料溫度比較敏感，因此建議先進行氧化誘導時間抽檢，其合格后再進行其他項目抽檢。

3.7 控制焊接時環境溫度，并按環境溫度對焊接參數進行修正

熱熔或電熔連接時環境宜在-5～40 ℃范圍內，若低于-5℃，應采取保溫措施，夏季應有遮陽措施，避免管子高溫時焊接后溫度變化引起縱向回縮后導致接口開裂。同時根據環境溫度對焊接溫度進行修正。

3.8 鋼塑轉換接頭焊接鋼管段接頭時應對鋼塑過渡段采取降溫措施

鋼塑轉換管件的鋼管段與鋼管焊接時，防止鋼管端焊接熱量傳遞給鋼塑邊界時，由于塑料熱阻較大，熱量容易在鋼與塑料邊界處聚集造成此處溫度過高，局部過熱引起材料性能改變，應對鋼塑過渡段采取降溫措施，并應確定好降溫位置。

3.9 管道采用蜿蜒敷設

采用管道蜿蜒敷設，克服溫差引起的軸向變形，使管道不受約束隨溫度變化自由活動。

4 結束語

光、濕度、紫外線、溫度等因素均可加速管材的老化，溫度作為對管材性能影響條件之一，應避免管材在高溫下運輸和儲存、使用。若進行復檢時應考慮抽檢材料的氧化誘導時間。在定期檢驗中，應重點抽查管道埋深不夠、裸露或鋼塑過渡部位的材料力學性能，防止因溫度的影響造成的材料老化問題。