鐵文安,籃斌翔,祁 蓉,朱序陽(yáng),孫芳莉
(1陜西延長(zhǎng)涇渭新材料科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,陜西西安710075;2西北工業(yè)集團(tuán)有限公司,陜西西安710043)
天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)清潔的能源,在國(guó)民社會(huì)的發(fā)展中起著重要的作用。尤其是國(guó)家“煤改氣”項(xiàng)目的逐步推進(jìn),使得天然氣與人們的生產(chǎn)生活更加息息相關(guān)。管道運(yùn)輸是天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?,已?jīng)形成了一整套的運(yùn)輸系統(tǒng),城鎮(zhèn)管道運(yùn)輸系統(tǒng)作為其中的重要環(huán)節(jié)起著關(guān)鍵的作用。聚乙烯(PE)管道的使用壽命較長(zhǎng)、抗腐蝕能力強(qiáng)、摩擦阻力低、質(zhì)量輕,從而被大規(guī)模地使用于城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中[1]。城鎮(zhèn)燃?xì)庥镁垡蚁┕艿缽V泛應(yīng)用于人口比較密集的區(qū)域,失效會(huì)引發(fā)較為嚴(yán)重的后果,城鎮(zhèn)燃?xì)釶E 管道老化失效已成為重要的安全問(wèn)題之一[2]。聚乙烯管道在具體實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境、溫度、壓力、管材結(jié)構(gòu)等因素的影響,對(duì)管道的使用壽命會(huì)造成一定的損害[3-10]。
目前對(duì)聚乙烯管道老化的研究一般分為自然老化和人工老化兩種方法[11],評(píng)價(jià)聚乙烯材料老化壽命最有效、最直接的方法是進(jìn)行自然老化。本文針對(duì)燃?xì)庥镁垡蚁┕艿罒o(wú)法確定自然環(huán)境老化時(shí)間與管道壽命之間的關(guān)系的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿肋M(jìn)行大氣暴露試驗(yàn)的方式,研究聚乙烯管道暴露在自然環(huán)境下而不影響其性能指標(biāo)的最大接受能量點(diǎn),并進(jìn)一步尋找燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿澜邮荜?yáng)光照射后接受能量與管材性能指標(biāo)之間的變化關(guān)系。對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿涝诶鄯e接收能量為3.5GJ/m2~7.5GJ/m2之間的試樣老化特征進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。重點(diǎn)研究了聚乙烯燃?xì)夤艿涝诓煌鄯e接收能量點(diǎn)下的氧化誘導(dǎo)時(shí)間、拉伸屈服點(diǎn)、斷裂伸長(zhǎng)率、熔體流動(dòng)速率(MFR) 等力學(xué)性能指標(biāo)的變化,為聚乙烯燃?xì)夤艿朗褂脡勖念A(yù)測(cè)及研究提供理論支撐。
聚乙烯(PE100) 燃?xì)夤軐S没炫淞希罕睔W化工有限公司,型號(hào)HE3490LS。
管材擠出機(jī):瑞典萊伯泰科公司,型號(hào)LEP45-50;差示掃描量熱儀:德國(guó)耐馳公司,型號(hào)DSC214;熔體流動(dòng)速率測(cè)試儀:美國(guó)英斯特朗公司,型號(hào)MF20;電子拉力萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):美國(guó)美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司,型號(hào)Model E44。
為了確保聚乙烯燃?xì)夤懿牡男阅茉谧匀焕匣瘲l件下變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的普適性,制備樣品時(shí)用管材擠出機(jī)制備為外徑× 壁厚分別為?110 mm×6.6 mm 和?63 mm×3.8 mm 兩種不同規(guī)格,在兩種不同規(guī)格管材外壁分布4 條均勻的黃色色帶。將制備好的管材經(jīng)機(jī)械加工成符合國(guó)標(biāo)(GB/T 8804.3-2003)要求的I、II 型啞鈴狀試樣。試樣具體信息及照片如表1 和圖1 所示。其中試樣B 與試樣D 為黑色啞鈴狀試樣,試樣A 與試樣C為中間平行部分具有黃色色帶的啞鈴狀試樣。
表1 試樣代號(hào)及規(guī)格Table 1 Specimen specifications and codes
圖1 試樣A、B、C、D 四種實(shí)物圖Fig. 1 Physical pictures of four samples A, B, C, D
1.4.1 大氣暴露實(shí)驗(yàn)
管材大氣暴露試驗(yàn)方法:樣品暴露方式為室外直接大氣暴露,試樣暴露面朝正南方,外飾件與地平面成45°傾角,試驗(yàn)架(無(wú)背板)下端離地面高度大于200mm。每個(gè)能量點(diǎn)結(jié)束后,分別對(duì)試樣的氧化誘導(dǎo)時(shí)間、拉伸性能、熔體流動(dòng)速率進(jìn)行測(cè)試。
驗(yàn)證場(chǎng)地:樣品投試于中國(guó)新疆吐魯番自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心靜態(tài)暴露試驗(yàn)區(qū)內(nèi)。該中心位于東經(jīng)89° 12′、北緯42° 56′,海拔61.5m,四周空曠,場(chǎng)地平坦。該地區(qū)日照充足,熱量豐富但又極端干燥,降雨稀少。當(dāng)?shù)貧庀髼l件較穩(wěn)定,各年間的氣象因素變化規(guī)律相似,屬于典型的干熱氣候條件。管材大氣暴露試驗(yàn)期間主要?dú)庀髷?shù)據(jù)見表2。
表2 管材大氣暴露試驗(yàn)期間主要?dú)庀髷?shù)據(jù)Table 2 Main meteorological data during pipe atmospheric exposure test
1.4.2 氧化誘導(dǎo)時(shí)間的測(cè)試
采用差示掃描量熱儀對(duì)不同接受能量點(diǎn)下的試樣氧化誘導(dǎo)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。樣品質(zhì)量為5mg,N2流量為50cm3/min,O2流量為50cm3/min,升溫速度為20 ℃/min,測(cè)試溫度為200℃。測(cè)試結(jié)果取切換點(diǎn)與氧化曲線最大斜率和基線之間交點(diǎn)的時(shí)間為氧化誘導(dǎo)時(shí)間。
1.4.3 拉伸性能的測(cè)試
根據(jù)GB/T 8804.3-2003 測(cè)試方法,I 型試樣與II 型試樣的實(shí)驗(yàn)速度分別為50mm/min 和100mm/min,標(biāo)距間距分別為50mm 和25mm。
1.4.4 熔體流動(dòng)速率的測(cè)試
根據(jù)GB/T 3682-2000 測(cè)試方法,將經(jīng)過(guò)拉伸測(cè)試的試樣裁制成小顆粒進(jìn)行熔體流動(dòng)速率測(cè)試,砝碼的質(zhì)量為5.0kg,試驗(yàn)溫度為190℃,切割時(shí)間間隔為120s。
圖2 為隨接收能量的增加四種試樣A、B、C、D 的氧化誘導(dǎo)時(shí)間的變化曲線圖,由圖可以看出四種試樣的氧化誘導(dǎo)時(shí)間隨著能量的增大而逐漸減小,表明聚乙烯燃?xì)夤懿牡臒岱€(wěn)定性隨著接受能量的增大逐漸減弱。四種試樣在累計(jì)接受能量6.0GJ/m2時(shí)(相關(guān)于陜西地區(qū)14個(gè)月的日照時(shí)數(shù)),樣品氧化誘導(dǎo)時(shí)間開始低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的20min,表明試樣在外暴露存放而不影響使用性能的時(shí)間為14 個(gè)月。四種試樣之間的氧化誘導(dǎo)時(shí)間在各個(gè)累計(jì)接受能量點(diǎn)之間的差別不是很大,表明有無(wú)色帶對(duì)聚乙烯管材的氧化誘導(dǎo)時(shí)間影響不大。
圖2 試樣A、B、C、D 的氧化誘導(dǎo)時(shí)間隨接受能量的變化曲線圖Fig. 2 Curves of the oxidation induction time of samples A,B,C and D with the energy received
圖3 為試樣A、B、C、D 的拉伸屈服強(qiáng)度隨接受能量的變化曲線。從圖中可以看出,隨著接受能量的逐漸增大,四種試樣的拉伸屈服強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化,這是由于試樣在暴曬老化的過(guò)程中,只有暴曬表面發(fā)生了一定的老化,且老化層較薄,不至于影響試樣在拉伸過(guò)程中發(fā)生屈服變化,所以所有試樣拉伸屈服強(qiáng)度保持基本不變[1]。
圖3 試樣A、B、C、D 的拉伸屈服強(qiáng)度隨接受能量的變化曲線圖Fig. 3 Curves of tensile yield strength of samples A,B,C and D with the energy received
圖4 為試樣A、B、C、D 的斷裂伸長(zhǎng)率隨接受能量的變化曲線圖。斷裂伸長(zhǎng)率因試樣不同而不同,與試樣B 和試樣D 相比,試樣A 和試樣C 的斷裂伸長(zhǎng)率下降明顯。試樣B、D 斷裂伸長(zhǎng)率基本保持不變,分別約為670%和590%。A 試樣相對(duì)于B 試樣,由于其表面具有黃色色帶,而黃色色帶部位的抗老化能力比黑色弱,樣品在接受能量為3.5GJ/m2后,發(fā)生了較為嚴(yán)重的老化降解,樣品在拉伸經(jīng)過(guò)屈服點(diǎn)后,在黃色色帶面上發(fā)生應(yīng)力集中,從而使試樣斷裂過(guò)早,引起了樣品斷裂伸長(zhǎng)率的顯著降低。同樣,C 試樣相對(duì)于D 試樣,由于表面也具抗老化性能較弱的黃色色帶,試樣斷裂伸長(zhǎng)率顯著降低。
圖4 試樣A,B,C,D 的斷裂伸長(zhǎng)率隨接受能量的變化曲線圖Fig. 4 Curves of the elongation at break of specimens A,B,C and D with the received energy
圖5 為試樣A,B,C,D 的MFR 隨接受能量的變化曲線圖。從圖中可以看出四種試樣的熔體流動(dòng)速率隨著接受能量的變化基本保持不變。這主要是由于4 種試樣在老化過(guò)程中雖然暴曬表面發(fā)生了降解老化,但老化層的厚度較薄,對(duì)管材整體的分子量分布和大小影響較小,4 種試樣的熔體流動(dòng)速率基本保持不變。
圖5 試樣A,B,C,D 的MFR 隨接受能量的變化曲線圖Fig. 5 MFR of samples A, B,C and D withthe energy received
(1)四種試樣在累計(jì)接受能量6.0GJ/m2時(shí)(相當(dāng)于陜西地區(qū)14 個(gè)月的日照時(shí)數(shù)),樣品氧化誘導(dǎo)時(shí)間開始低于20min,在累計(jì)接受能量7.5 GJ/m2能量后(相當(dāng)于陜西地區(qū)21 個(gè)月的日照時(shí)數(shù))氧化誘導(dǎo)期指標(biāo)均處于10min 左右的水平,試樣老化程度較為嚴(yán)重。
(2)在整個(gè)老化過(guò)程中,老化層都很薄,4 種試樣拉伸屈服強(qiáng)度基本保持不變。而對(duì)于A 樣和C 樣,由于老化面有黃色色帶,試樣拉伸過(guò)程中在色帶部分發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致試樣斷裂過(guò)早,其斷裂伸長(zhǎng)率降低較為明顯,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于B 樣和D 樣,更低于國(guó)標(biāo)≥350%的標(biāo)準(zhǔn)要求。
(3)由于在自然老化過(guò)程中老化層厚度較薄,4 種試樣老化后的熔體流動(dòng)速率基本保持不變。