張 偉

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350001）

PE燃?xì)夤艿澜涌诖鄶嗟膶?shí)驗(yàn)分析與對(duì)策研究

張 偉

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350001）

為了弄清PE燃?xì)夤艿澜涌诖嘈詳嗔训脑?，文中?duì)脆斷管道和合格管道的微觀形貌、熱學(xué)性能和力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)脆斷管道內(nèi)部存在的明顯層狀紋理空隙和過(guò)多的填料是引起其發(fā)生脆性斷裂的主要原因。同時(shí)為了避免此類事故再次發(fā)生，文中從控制混配料的成分、規(guī)范管道的成型工藝、加強(qiáng)生產(chǎn)企業(yè)的檢驗(yàn)?zāi)芰桶l(fā)揮特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的職能作用四個(gè)方面提出預(yù)防PE燃?xì)夤艿篮附咏涌诖嘈詳嗔训膶?duì)策與建議。

PE燃?xì)夤艿溃唤涌诖鄶?；?shí)驗(yàn)分析；對(duì)策

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化速度的加快，燃?xì)庀M(fèi)作為一種高熱能、低污染的清潔能源消費(fèi)尤其是居民消費(fèi)增長(zhǎng)迅速。燃?xì)夤艿雷鳛槿細(xì)廨斔偷闹匾劳校仨毦邆浒踩?、穩(wěn)定、高效的性質(zhì)，才能保證燃?xì)膺@種清潔能源利用的可持續(xù)發(fā)展。與傳統(tǒng)的金屬燃?xì)夤艿老啾?，聚乙烯（PE）燃?xì)夤艿谰哂匈|(zhì)量可靠、運(yùn)行安全、維護(hù)簡(jiǎn)便、價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在燃?xì)廨斔皖I(lǐng)域發(fā)展迅猛[1]。以美國(guó)為例，在20世紀(jì)50年代末開(kāi)始使用PE燃?xì)夤艿溃?006年，PE燃?xì)夤艿冷佋O(shè)總里程達(dá)到914000公里。我國(guó)于1982年在上海鋪設(shè)了第一條PE燃?xì)夤艿繹2]，隨著西氣東輸、川氣東送等輸氣工程的建設(shè)，我國(guó)PE燃?xì)夤艿佬枨筮M(jìn)入一個(gè)高速增長(zhǎng)階段。由于我國(guó)PE燃?xì)夤艿兰夹g(shù)起步較晚，在管道的生產(chǎn)、安裝、檢測(cè)和運(yùn)行管理方面的經(jīng)驗(yàn)不足，以至于管道事故率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家。為了最大限度地降低PE燃?xì)夤艿朗鹿实陌l(fā)生率，提高管道的安全運(yùn)行水平，對(duì)安裝的管道進(jìn)行檢測(cè)至關(guān)重要，尤其是管道焊接接口處的檢測(cè)[3,4]。雖然PE管道焊接性能優(yōu)異，但是也存在發(fā)生焊接接口斷裂的可能性。福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院在對(duì)轄區(qū)內(nèi)一例PE燃?xì)夤艿肋M(jìn)行安裝監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)原本經(jīng)翻邊檢測(cè)、保壓試驗(yàn)等確認(rèn)合格的管道，在進(jìn)行穿越時(shí)會(huì)在接口處發(fā)生脆性斷裂，后經(jīng)檢驗(yàn)員對(duì)接口進(jìn)行破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該批次管道所有接口均會(huì)發(fā)生脆性斷裂。為了弄清本次事故發(fā)生的原因，同時(shí)避免類似事故再次發(fā)生，文中對(duì)該批次管道和合格管道的微觀形貌、熱學(xué)性能和力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，并提出預(yù)防PE燃?xì)夤艿篮附咏涌诖嘈詳嗔训膶?duì)策與建議。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

接口發(fā)生脆性斷裂的PE燃?xì)夤艿溃ê?jiǎn)稱“脆斷管道”）與合格的PE燃?xì)夤艿溃ê?jiǎn)稱“合格管道”）均取自管道鋪設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)，未經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，直接加工成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣品，待檢。

1.2 測(cè)試與表征

表面形貌利用德國(guó)Carl Zeiss公司的Zeiss SUPRA 55 SEM型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)試。熱失重分析(TGA)通過(guò)TA儀器公司SDT Q600型熱重分析儀測(cè)量，升溫速度10℃/min，N2氣氛。差示掃描量熱(DSC)曲線采用Mettler-Toledo公司DSC 822e型差示掃描量熱儀測(cè)量，升溫速度10℃/min，N2氣氛。采用美特斯公司CMT 6104型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按GB/T 2567-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度，拉伸速度10mm/min，按GB/T 9341-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試彎曲強(qiáng)度，試驗(yàn)速度2mm/min。利用金建公司XJJD-5型沖擊試驗(yàn)機(jī)按GB/T 2567-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試沖擊強(qiáng)度，沖擊能為1J。

2 結(jié)果與討論

2.1 斷面形貌分析

圖1 合格管道（左）和脆斷管道（右）的斷面形貌

圖1是合格管道和脆斷管道的斷面掃描電鏡照片。圖中顯示，前者的斷面比較光滑致密，沒(méi)有觀察到明顯的相分離現(xiàn)象，后者的斷面出現(xiàn)許多明顯的層狀紋理空隙，表明脆斷管道內(nèi)部的缺陷較多，這是發(fā)生接口脆性斷裂的直接原因。

2.2 熱學(xué)分析

圖2 合格管道和脆斷管道的熱失重曲線（左）和DSC曲線（右）

合格管道和脆斷管道的熱學(xué)分析如圖2所示。從熱失重曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩種管道的熱失重主要發(fā)生在460℃～480℃，對(duì)應(yīng)于PE分子鏈的分解[5]。值得注意的是，當(dāng)溫度為500℃時(shí)，合格管道的熱失重為3.33%，脆斷管道的熱失重為3.65%，這說(shuō)明脆斷管道中存在更多的不易分解的填料。兩種管道的DSC曲線顯示，合格管道和脆斷管道的熔點(diǎn)分別為116.7℃和114.5℃，熱流量最大值分別位于126.5℃和125.8℃。脆斷管道的熔點(diǎn)較低的主要原因可能是由于過(guò)多的填料限制PE結(jié)晶，導(dǎo)致PE的結(jié)晶尺寸變小，在受熱情況下，PE的分子鏈運(yùn)動(dòng)更加容易。

2.3 力學(xué)性能分析

表1 合格管道和脆斷管道的力學(xué)性能

表1為合格管道和脆斷管道的力學(xué)性能。從表1可以看出，與合格管道相比，脆斷管道的彎曲強(qiáng)度略有提高，但是拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度下降，特別是沖擊強(qiáng)度的下降比較明顯，從33kJ/m2降低到26kJ/m2。這主要是由于一方面脆斷管道的填料較多，另一方面脆斷管道內(nèi)部有大量層狀紋理空隙缺陷，導(dǎo)致脆斷管道的韌性大幅度下降，焊接接口發(fā)生脆性斷裂[6]。

3 對(duì)策及建議

PE燃?xì)夤艿谰哂心偷蜏亍㈨g性好、安裝費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，特別是能夠有效避免鋼管、鑄鐵管的腐蝕和接頭泄漏等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐步取代鋼管和鑄鐵管應(yīng)用于中低壓燃?xì)廨斔皖I(lǐng)域。為了保證PE燃?xì)夤艿腊踩⒎€(wěn)定、高效運(yùn)行，有效避免燃?xì)庑孤┑仁鹿拾l(fā)生，文中在對(duì)比分析合格管道和脆斷管道的斷面形貌、熱學(xué)和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，提出下述的對(duì)策和建議。

3.1 嚴(yán)格控制混配料成分，確保符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁≒E）管道系統(tǒng)第1部分：管道》（GB 15558.1—2003）中對(duì)生產(chǎn)PE燃?xì)夤艿阑炫淞系倪x用有明確的規(guī)定，即需要采用具有明確等級(jí)且性能穩(wěn)定的混配料生產(chǎn)燃?xì)夤艿?，混配料的基本性能要?yán)格符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1—2003中表1-17和表1-18的要求[7]。但是，由于目前PE燃?xì)夤艿朗袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，某些生產(chǎn)企業(yè)為了降低成本，采用未標(biāo)明具體等級(jí)的混配料，甚至采用“基礎(chǔ)樹(shù)脂+黑色母料”（所謂“白加黑”）為原料生產(chǎn)PE燃?xì)夤艿溃@樣不僅造成管道市場(chǎng)的不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)，引起整個(gè)管道制造業(yè)的混亂，而且會(huì)嚴(yán)重劣化管道的性能，給管道的正常運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患[8]。

混配料在加工之前不僅要確認(rèn)其各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而且要檢査原料的包裝是否完整，如果包裝破損，混配料需要經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)部門重新鑒定合格并保證無(wú)雜質(zhì)污染后才能投入使用。因?yàn)榛炫淞现械奶亢跇O易吸水，所以在加工之前，還需要對(duì)混配料進(jìn)行干燥處理。為了避免干燥后的混配料重新吸水，干燥后的混配料應(yīng)通過(guò)密閉的管道輸送進(jìn)入擠出機(jī)的料斗。目前某些生產(chǎn)企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，縮短干燥時(shí)間甚至省去干燥操作，僅在混配料中填加少量干燥劑達(dá)到干燥的目的，這在很大程度上降低了產(chǎn)品性能。目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中允許在混配料中添加少量潔凈的同種回用料，但是并沒(méi)有明確規(guī)定添加回用料的用量，某些生產(chǎn)企業(yè)為了減低成本，加入50%甚至更多比例的回用料也說(shuō)成少量的回用料。更有甚者，某些企業(yè)添加回收料或者廢料，這嚴(yán)重影響了管道性能。

文中討論的脆斷管道經(jīng)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，高溫分解后殘余物質(zhì)的量較合格管道的多，這可能是由于生產(chǎn)企業(yè)為了降低成本，一方面省去干燥操作，而在混配料中添加干燥劑，干燥劑主要是一些無(wú)機(jī)物，在高溫下不易分解；另一方面，在混配料中加入了不符合要求的回用料，甚至回收料或者廢料，引起原材料的成分發(fā)生改變。

3.2 嚴(yán)格規(guī)范管道的成型工藝，確保管道的使用性能

目前通常采用單螺桿擠出機(jī)成型PE燃?xì)夤艿?。某些生產(chǎn)企業(yè)為了降低投資成本，采用即有的雙螺桿擠出機(jī)成型管道，這可能使PE熔體在雙螺桿擠出機(jī)的高剪切作用下發(fā)生降解，降低管道的性能，影響管道的質(zhì)量。

PE管道的擠出成型工藝過(guò)程主要由混配料的處理、擠出成型、冷卻定徑、牽引和切割等工序組成。PE管道在擠出成型過(guò)程中，必須嚴(yán)格規(guī)范每一道成型工藝操作。某些生產(chǎn)企業(yè)不能嚴(yán)格按照每一道工序的操作規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)，都將在很大程度上降低產(chǎn)品的性能，增加燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的安全隱患。例如：擠出溫度是促使混配料塑化和熔體流動(dòng)的必要條件，溫度過(guò)低，混配料塑化不均勻，管道內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)相分離情況，溫度過(guò)高則會(huì)引起PE降解，降低管道的力學(xué)性能；擠出速度代表擠出成型的實(shí)際生產(chǎn)效率，某些生產(chǎn)企業(yè)為了追求生產(chǎn)效率而盲目提高擠出速度，導(dǎo)致PE熔體與料筒或螺桿的摩擦加劇，摩擦熱升高，引起PE降解而影響管道的性能；冷卻定徑主要是控制真空度和冷卻速度，真空度太髙會(huì)影響管道的正常擠出，太低會(huì)使管坯變形較大，冷卻速度過(guò)快易在管道內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力而引起管道在使用過(guò)程中發(fā)生變形，冷卻速度過(guò)慢對(duì)管道的定型不利。文中討論的脆斷管道的斷面出現(xiàn)許多明顯的層狀紋理空隙，這可能是由于一方面混配料中填料的含量較高，不易分散均勻，另一方面擠出溫度偏低，PE熔體沒(méi)有完全熔融塑化。

3.3 加強(qiáng)生產(chǎn)企業(yè)的檢驗(yàn)?zāi)芰?，提高管道的出廠檢驗(yàn)水平

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1—2003明確規(guī)定了PE燃?xì)夤艿赖耐庥^、幾何尺寸、力學(xué)性能、物理性能、標(biāo)志、檢驗(yàn)規(guī)則和包裝、運(yùn)輸、貯存等的要求[7]。由于管道的使用單位除了能檢測(cè)管道的外觀和幾何尺寸外，幾乎不具備做任何其他性能檢驗(yàn)的條件，所以這就需要管道生產(chǎn)企業(yè)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，對(duì)每批管道都必須進(jìn)行嚴(yán)格的出廠檢驗(yàn)，并出具出廠檢測(cè)報(bào)告。目前，某些生產(chǎn)企業(yè)雖然具備一定的檢測(cè)能力，但是檢測(cè)設(shè)備落后，檢測(cè)項(xiàng)目和精度水平都無(wú)法滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，這種生產(chǎn)企業(yè)出具的管道出廠檢測(cè)報(bào)告令人質(zhì)疑；某些生產(chǎn)企業(yè)雖然配備檢測(cè)人員，但檢測(cè)人員既不具備高分子材料成型與加工方面的專業(yè)知識(shí)，又不注重對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方法的研究，在日常的檢驗(yàn)工作中難免會(huì)出現(xiàn)偏差，無(wú)法保證管道的質(zhì)量。因此，這就需要管道生產(chǎn)企業(yè)購(gòu)置先進(jìn)的檢驗(yàn)設(shè)備以及提高檢測(cè)人員的業(yè)務(wù)技能。

3.4 發(fā)揮特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的職能作用，落實(shí)生產(chǎn)監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)制

《特種設(shè)備安全法》第十五條規(guī)定，特種設(shè)備的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、使用單位對(duì)其生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、使用的特種設(shè)備應(yīng)當(dāng)進(jìn)行自行檢測(cè)和維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)國(guó)家規(guī)定實(shí)行檢驗(yàn)的特種設(shè)備應(yīng)當(dāng)及時(shí)申報(bào)并接受檢驗(yàn)。特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況安排，對(duì)PE燃?xì)夤艿郎a(chǎn)企業(yè)每年不定期地進(jìn)行2至4次監(jiān)督檢查。一方面判斷生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)章制度建設(shè)、職工教育培訓(xùn)、各級(jí)安全生產(chǎn)責(zé)任制的落實(shí)等是否符合要求，另一方面由專業(yè)人員從技術(shù)層面檢查PE燃?xì)夤艿赖幕炫淞稀⒓庸ぴO(shè)備、加工工藝、包裝、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)仁欠穹螱B 15558.1—2003的標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于在檢查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)問(wèn)題的嚴(yán)重程度分別管理。對(duì)于比較嚴(yán)重的問(wèn)題需要書(shū)面整改，給企業(yè)發(fā)出安全隱患整改通知書(shū)，列出需要整改的內(nèi)容與建議，給出整改期限，并對(duì)整改措施的落實(shí)情況進(jìn)行監(jiān)督。生產(chǎn)企業(yè)要針對(duì)整改通知書(shū)中列出的整改內(nèi)容，在規(guī)定的整改期限內(nèi)嚴(yán)肅、認(rèn)真地進(jìn)行整改，并隨時(shí)準(zhǔn)備接受特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)督檢查。

4 結(jié)論

為了弄清PE燃?xì)夤艿澜涌诖嘈詳嗔训脑?，文中?duì)脆斷管道和合格管道的微觀形貌、熱學(xué)性能和力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。掃描電鏡照片顯示，合格管道的斷面比較光滑致密，脆斷管道的斷面出現(xiàn)許多明顯的層狀紋理空隙，表明脆斷管道內(nèi)部的缺陷較多。熱失重和DSC測(cè)試結(jié)果表明，與合格管道相比，脆斷管道的熱失重率更高，熔點(diǎn)更低，這些都說(shuō)明脆斷管道中含有更多不易分解的填料。力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，脆斷管道的沖擊強(qiáng)度大幅度下降，這與其填料較多以及內(nèi)部大量的層狀紋理空隙缺陷有關(guān)。同時(shí)為了避免此類事故再次發(fā)生，文中從控制混配料的成分、規(guī)范管道的成型工藝、加強(qiáng)生產(chǎn)企業(yè)的檢驗(yàn)?zāi)芰桶l(fā)揮特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的職能作用等四個(gè)方面提出預(yù)防PE燃?xì)夤艿篮附咏涌诖嘈詳嗔训膶?duì)策與建議。

[1]沈桂蘭,孫鴻,李軍. 淺談PE燃?xì)夤艿乐蠵E球閥的應(yīng)用[J]. 廣州化工, 2013, 41(8)∶ 173-174, 226.

[2]廖澤輝, 寇睫敏. 淺談PE(PE)燃?xì)夤茉诔鞘腥細(xì)廨斉涔芫W(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 科技信息, 2011, (12)∶ 300-301.

[3]鐘鳴, 吳明. 城鎮(zhèn)燃?xì)釶E管道關(guān)鍵部位和高風(fēng)險(xiǎn)段的檢測(cè)方法[J]. 當(dāng)代化工, 2015, 44(10)∶ 2381-2387.

[4] 羅藝.姜穩(wěn)莊PE燃?xì)夤艿澜涌诘馁|(zhì)量控制[J].城市燃?xì)? 2004, 357(11)∶ 3-6.

[5] 陳平,田景利. PE熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)處理方法比較[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 20(2)∶ 9-12.

[6]常鐵軍, 孫祚東, 王君. 填料對(duì)超高分子量PE沖擊性能的影響[J]. 應(yīng)用科技, 2004, 31(6)∶ 67-69.

[7]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局. GB 15558.1-2003 燃?xì)庥寐竦豍E(PE)管道系統(tǒng)第1部分∶ 管道[S]. 北京∶ 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

[8]中國(guó)城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì). 城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁?PE)輸配系統(tǒng)[M].北京∶ 中國(guó)建筑工業(yè)出版社∶ 73-87.

Experimental Analysis and Countermeasures Research on Brittle Fracture of PE Gas Pipeline Interface

ZHANG Wei
(Inspection and Research Institute of Boiler and Pressure Vessel of Fujian Province, Fuzhou 350008, Fujian, China)

In order to find out the reason of the brittle fracture of PE gas pipeline interface, the surface morphology, thermal properties and mechanical properties of the pipeline that the fracture of joint was brittle fracture and qualified pipeline were measured and analyzed in this paper, and the results show that the internal obvious lamellar texture space and too much filler are the main reasons . At the same time, in order to prevent this kind of accident happening, some countermeasures and suggestions are put forward, including controlling the composition of raw materials, regulating the forming process of pipeline, strengthening the testing capability of manufacturing enterprises and consolidating the function of special equipment inspection agency.

PE gas pipeline; Brittle fracture of interface; Experimental analysis; Countermeasure

2016-07-18

福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（No: FJQI2013096、FJQI2013086）

張 偉，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，工程師