王 曉 張術(shù)寬 辛明亮 陳家善 李茂東

（廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510663）

隨著高分子材料科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，塑料管材開(kāi)發(fā)利用率的不斷深化，以及塑料管材生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，塑料管材淋漓盡致地展示出其卓越性能[1]。目前，塑料管材已不再被人們誤認(rèn)為是金屬管材的“廉價(jià)替代品”。在這場(chǎng)“以塑代鋼”的革命中，聚乙烯管道倍受青睞，日益發(fā)出奪目的光輝，被廣泛用于燃?xì)廨斔汀⒔o水、排污、農(nóng)業(yè)灌溉、礦山細(xì)顆粒固體輸送，以及油田、化工和郵電通訊等領(lǐng)域，特別在燃?xì)廨斔蜕系玫搅烁鼮槠毡榈膽?yīng)用[2]。

自1956年鋪設(shè)世界上第1條聚乙烯燃?xì)夤艿酪詠?lái)，到上世紀(jì)70年代，在歐洲和北美，聚乙烯管道在燃?xì)忸I(lǐng)域得到迅速的推廣應(yīng)用[3]。聚乙烯管道在各國(guó)燃?xì)夤艿郎系膹V泛應(yīng)用已成為管道領(lǐng)域最引人注目的成就。一方面是聚乙烯材料制作管道具有非常獨(dú)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，另一方面是聚乙烯管道的原料性能，管材、管件制造工藝，連接方法，連接機(jī)具以及運(yùn)行中的維修手段等在多年的實(shí)踐中，已達(dá)到完善的配套系統(tǒng)[4]。在燃?xì)忸I(lǐng)域，無(wú)論是對(duì)于新鋪設(shè)或舊管道的修復(fù)和更新，聚乙烯管都是主要的選擇之一。

但是，由于歷史、技術(shù)和管理等原因，我國(guó)城市聚乙烯燃?xì)夤艿勒w處于質(zhì)量低劣、隱患不清、事故頻發(fā)、被動(dòng)堵漏搶修的狀況，安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻[5]。因此尋找原材料理化性能與聚乙烯燃?xì)夤艿赖牧W(xué)破壞關(guān)系就顯得非常重要。

1 密度

在聚乙烯原料生產(chǎn)過(guò)程中，密度數(shù)據(jù)在合理范圍內(nèi)波動(dòng)是生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)[6]。聚乙烯原料的密度與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此聚乙烯燃?xì)夤艿涝系拿芏瓤赡荛g接地與聚乙烯原料的力學(xué)破壞性能關(guān)聯(lián)起來(lái)。但是原材料的分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種影響因素對(duì)聚乙烯原料密度和力學(xué)破壞性能的影響不盡相同，因此聚乙烯原料的密度與力學(xué)破壞性能間的關(guān)系有時(shí)明顯有時(shí)不明顯。

歷史上，最強(qiáng)調(diào)密度對(duì)力學(xué)破壞性能的影響的時(shí)期是第1代高密度聚乙烯向第2代中密度聚乙烯發(fā)展的時(shí)期,當(dāng)時(shí)由于引進(jìn)共聚單體造成的密度減小和長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度的改進(jìn)有平行關(guān)系，人們相信降低密度起到了改進(jìn)性能的關(guān)鍵作用，但隨著第3代高密度聚乙烯的發(fā)展否定了這一觀點(diǎn)。

2 熔體流動(dòng)速率

熔體流動(dòng)速率是為了說(shuō)明原料可加工性發(fā)展起來(lái)的最簡(jiǎn)單的指標(biāo)[7]。熔體流動(dòng)速率的數(shù)據(jù)在合理范圍內(nèi)波動(dòng)是原材料生產(chǎn)過(guò)程、原料商品質(zhì)量及管材管件生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。熔體流動(dòng)速率與分子結(jié)構(gòu)及分在量有關(guān)，因此熔體流動(dòng)速率可能間接地與力學(xué)破壞性能聯(lián)系起來(lái)。一般情況下，熔體流動(dòng)速率小，相對(duì)分子質(zhì)量高，各種力學(xué)破壞性能較好[8]。但由于各種分子結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量方面的因素對(duì)熔體流動(dòng)速率的影響和對(duì)力學(xué)破壞性能的影響不盡相同，熔體流動(dòng)速率和力學(xué)破壞之間的關(guān)系很復(fù)雜，也可以說(shuō)是不確定的。

3 相對(duì)分子質(zhì)量及其分布

高分子材料的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布對(duì)各種力學(xué)破壞性能都有重要影響。一般說(shuō)來(lái)，相對(duì)分子質(zhì)量高，材料的力學(xué)破壞性能好，但同時(shí)可加工性較差[9]。但相對(duì)分子質(zhì)量不是影響材料力學(xué)破壞性能和可加工性的唯一因素，有時(shí)也不一定是主要因素。這在存在共聚單體時(shí)尤為明顯。聚乙烯燃?xì)夤艿涝系南鄬?duì)分子質(zhì)量分布、共聚單體的不同相對(duì)分子質(zhì)量級(jí)之間的分布、共聚單體在分子鏈上的序列分布都強(qiáng)烈地影響這其力學(xué)破壞性能。

4 交聯(lián)度

聚乙烯原料經(jīng)交聯(lián)后可以提高燃?xì)夤艿挚沽W(xué)破壞的性能，長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)中的脆性破壞模式消失，從而交聯(lián)聚乙烯提高了常溫下長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度性能和高溫?zé)崴畱?yīng)用條件下的長(zhǎng)期靜液壓性能[10]。交聯(lián)也提高了聚乙烯燃?xì)夤艿赖挚箍焖倭鸭y增長(zhǎng)的能力。

燃?xì)庥镁垡蚁┕艿蕾|(zhì)量在很大程度上取決于交聯(lián)這一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。適當(dāng)?shù)?、足夠的交?lián)度，以及燃?xì)夤艿栏魈幘垡蚁┙宦?lián)的過(guò)程的均勻性對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿赖男阅苡兄匾绊憽?/p>

5 模量和環(huán)剛度

塑料壓力管原料的模量E是材料的基礎(chǔ)性能，與時(shí)間有關(guān)。燃?xì)庥镁垡蚁┕艿赖沫h(huán)剛度SR是制品性能，與模量關(guān)系如下式[11]：

式中，I為管壁慣性矩，Dm為平均直徑，v為泊松比。

因此環(huán)剛度SR也是與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)。環(huán)剛度的測(cè)試方法見(jiàn)GB/T 9647—2003，長(zhǎng)期環(huán)剛度的測(cè)試方法見(jiàn)GB/T 18042—2000[12-13]。

同一直徑（Dm）下，管材的環(huán)剛度與壁厚的3次方程正比。聚乙烯燃?xì)夤芤话惆撮L(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，壁厚較大，有足夠的環(huán)剛度。只在一些特殊的情況下需要考慮因環(huán)剛度不夠引起的過(guò)渡變形或屈曲變形問(wèn)題。

6 小結(jié)

1）明確原材料力學(xué)性能與力學(xué)破壞之間的關(guān)系，建立和健全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是促進(jìn)我國(guó)聚乙烯燃?xì)夤艿佬袠I(yè)健康發(fā)展的前提。

2）由于密度和熔體流動(dòng)速率與聚乙烯分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此其間接地影響聚乙烯燃?xì)夤艿懒W(xué)破壞，但是其之間的關(guān)系較不確定。

3）聚乙烯壓力管原料的相對(duì)分子質(zhì)量分布、共聚單體的不同相對(duì)分子質(zhì)量級(jí)之間的分布、共聚單體在分子鏈上的序列分布都強(qiáng)烈地影響力學(xué)破壞性能。適當(dāng)?shù)?、足夠的交?lián)度，以及燃?xì)夤艿栏魈幘垡蚁┙宦?lián)的過(guò)程的均勻性對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿赖男阅苡兄匾绊憽?/p>

4）聚乙烯燃?xì)夤艿酪话惚诤褫^大，有足夠的環(huán)剛度，所以只有在一些特殊的情況下需考慮因環(huán)剛度引起的過(guò)度變形或屈曲變形問(wèn)題。

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