燃氣用聚乙烯管材壽命預測

喬 佳， 姜 鑫， 王馨培， 雷素敏

(北京市燃氣集團研究院，北京100011)

1 概述

聚乙烯(Polyethylene，PE)管道壽命長、耐腐蝕、易施工、抗沖擊性好、易成型、更環(huán)保，廣泛應用于城市燃氣輸配系統(tǒng)中[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，聚乙烯管道的安全性也非常高，其漏損率遠低于鑄鐵等金屬管道[2]。按照現(xiàn)行國家標準GB 55009—2021《燃氣工程項目規(guī)范》，燃氣管道的設計使用壽命不應低于30 a。按照GB 15558.1—2015《燃氣用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》，PE管材的設計使用壽命為50 a。第1批在役管道已經(jīng)服役30 a，是否可以繼續(xù)使用，還能繼續(xù)使用多長時間，是否會帶來安全隱患等是燃氣行業(yè)一直以來關注的問題。

目前針對PE管道使用壽命的研究還較少，西南石油大學林東等人針對5個服役2～13 a燃氣聚乙烯管材樣品的老化性能評價指標進行研究，研究結果表明：管材使用時間越長，管材的氧化誘導時間與熔體質(zhì)量流動速率的變化率越大，其抗氧化性能與流動性能越弱；管材的炭黑含量受加工條件的限制，可能出現(xiàn)在役管材的炭黑含量大于新管材的情況；管材在服役過程中密度基本不變，不能表征管材的老化性能[3]。

為了更好地分析PE管材的使用壽命，本文對庫存時間較長的PE燃氣管材進行性能測試，并利用測試數(shù)據(jù)，對其使用壽命進行預測。

2 試驗部分

① 試驗材料

2002年某公司生產(chǎn)的PE80埋地燃氣管，規(guī)格DN 90 mm，壁厚4.2 mm。

② 檢測依據(jù)

管材、管件檢測的性能指標應符合產(chǎn)品出廠時執(zhí)行的標準所規(guī)定的指標，如2002年的管材，性能指標應符合當時標準GB 15558.1—1995《燃氣用埋地聚乙烯管材》(現(xiàn)已作廢)，測試方法參考GB 15558.1—2015《燃氣用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》。

③ 檢測指標

檢測氧化誘導時間、斷裂伸長率，并進行熱失重試驗測試PE材料熱失重 50%的時間。

④ 檢測方法

依據(jù)GB/T 19466.6—2009《塑料 差示掃描量熱法(DSC) 第6部分：氧化誘導時間(等溫OIT)和氧化誘導溫度(動態(tài)OIT)的測定》測試管材氧化誘導時間。依據(jù)GB/T 8804.1—2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第1部分：試驗方法總則》測試管材的斷裂伸長率。熱失重試驗:參照其他PE熱老化試驗進行。

3 結果討論

3.1 氧化誘導時間

依據(jù)GB/T 19466.6—2009測試管材氧化誘導時間。管材沖壓出柱狀樣條3個，分別在每個柱狀樣條內(nèi)層、中間層、外層處截取圓形薄片試樣。將試樣放入坩堝內(nèi)，在氮氣氣氛中以20 ℃/min的速度升溫10 min至試驗溫度(200 ℃)，并恒溫3 min，將氣體切換為同氮氣流速相同的氧氣后，繼續(xù)恒溫，測定發(fā)生氧化反應的時間，各層試樣試驗結果均取最小值。試樣氧化誘導時間測試結果見圖1。圖1的橫坐標從試驗開始時開始計時，氧化誘導時間為發(fā)生氧化反應的時間減去升溫10 min以及恒溫3 min。

圖1 試樣氧化誘導時間測試結果

內(nèi)層、中間層、外層的氧化誘導時間分別為24.60、54.83、13.98 min。GB 15558.1—2015要求氧化誘導時間大于20 min，顯然外層已經(jīng)不能滿足標準要求，也就是說外層已經(jīng)發(fā)生明顯氧化。此情況下管材可以繼續(xù)使用，可通過熱失重試驗來確定管材的剩余使用壽命。

3.2 斷裂伸長率

依據(jù)GB/T 8804.1—2003測試管材的斷裂伸長率。用機械加工的方法制作啞鈴形試樣6個，取各試樣試驗結果最小值。從中心點近似等距離畫兩條標線并記錄標線間的原始長度，采用拉力試驗機在試驗溫度23 ℃±2 ℃的條件下，按照10 mm/min的拉伸速度進行試驗，記錄試樣的應力應變曲線直至試樣斷裂，并在此曲線上標出試樣達到斷裂時標線間的長度。斷裂伸長率最小的試樣拉伸試驗結果見圖2。

圖2 試樣拉伸試驗結果

斷裂伸長率計算式為：

(1)

式中ε——斷裂伸長率

L——斷裂時標線間長度,mm

L0——原始標線間長度,mm，為100.98 mm

ΔL——標線間長度的增量，mm

將試樣拉伸試驗結果代入式(1)，計算出試樣斷裂伸長率為600%，符合GB 15558.1—2015斷裂伸長率應大于350%為合格的要求。因此，從力學性能上來說，滿足使用要求。

3.3 熱失重試驗

根據(jù)行業(yè)普遍經(jīng)驗[4]，針對放置一段時間后的管材，熱失重試驗中，熱失重50%時管材的老化程度，就是管材失效時老化程度。根據(jù)熱失重試驗數(shù)據(jù)，可以外推出當溫度為20 ℃時，管道達到失效時老化程度所需時間，即管材剩余使用壽命。熱失重試驗采用空氣氣氛，樣品質(zhì)量5～10 mg，根據(jù)PE管材的性能設置溫度，記錄熱失重達到50%的時間。不同反應溫度下試樣熱失重測試結果見表1。

表1 不同溫度下試樣熱失重測試結果

PE老化是一系列復雜的化學反應和物理變化的綜合效應，通過表1可以看出，反應溫度越高，熱失重達到50%的時間越短，表征反應速率越快，因此升高溫度能夠加速老化反應。經(jīng)典的老化方程認為材料熱失重達到50%的時間的自然對數(shù)與反應溫度倒數(shù)成線性關系[4]，具體如下：

(2)

式中t——熱失重達到50%的時間,min

T——反應溫度,K

a、b——常數(shù)

圖3 ln t與1/T的擬合曲線

根據(jù)擬合曲線，可以計算出斜率和截距，得出a=8 497.9，b=-13.296，代入式(2)，可以計算PE管材在20 ℃的條件下，剩余使用壽命大約為12 a。而管材生產(chǎn)年份為2002年，截至2021年已經(jīng)存放19 a，因此預估該PE管材的使用壽命為31 a左右。

需要注意的是，該管材是室溫放置，未做任何處理，與埋地管道的環(huán)境有一定的差異，如光照和氧氣等。試驗利用僅存的管材，代表性不強，后續(xù)可以對更多樣品進行試驗和測試，為PE管材使用壽命研究提供支持。

4 結論

① 通過測試發(fā)現(xiàn)試樣外層氧化誘導時間不滿足GB 15558.1—2015《燃氣用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》中氧化誘導時間大于20 min的要求。

② 試樣斷裂伸長率滿足要求。

③ 通過熱失重試驗，并擬合熱失重達到50%的時間的自然對數(shù)與反應溫度倒數(shù)的曲線，得出在20 ℃條件下，生產(chǎn)年份為2002年的管材剩余使用壽命約為12 a，截至2021年，已存放19 a，因此該PE管材的使用壽命約為31 a。