劉書宏 丁 菊 朱旭晨

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 200062）

聚乙烯（PE）是乙烯經(jīng)聚合反應(yīng)制得的一種塑性高分子材料，具有力學(xué)性能優(yōu)異、質(zhì)量輕、柔韌性好、耐腐蝕、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)，兼具極好的電絕緣性、易加工成型性和化學(xué)穩(wěn)定性等。隨著我國(guó)石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，聚乙烯的生產(chǎn)和使用均突飛猛進(jìn)，其產(chǎn)量約占塑料總產(chǎn)量的1/4，用量居各合成樹(shù)脂之首，尤其在燃?xì)夤艿?、建設(shè)工程等行業(yè)大量應(yīng)用。目前，在我國(guó)中低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)中，聚乙烯管道的使用比例已經(jīng)超過(guò)50%。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》和CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中，聚乙烯管材是首選管材，并成功應(yīng)用于高壓燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)中[1-2]。

雖然聚乙烯具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，但老化是聚乙烯管道無(wú)法避免的主要失效形式。在加工、貯存和使用過(guò)程中，管道由于光、熱、氧、臭氧、水分、工業(yè)有害氣體、微生物等外界環(huán)境因素的作用常發(fā)生老化，如熱氧老化、光氧老化等[3]。老化不僅會(huì)使管材外觀質(zhì)量變差，也會(huì)因物理和化學(xué)性能產(chǎn)生不可逆的變化而造成老化損傷，具體表現(xiàn)為力學(xué)性能下降、電絕緣性能下降等，最終使其因使用性能下降而喪失利用價(jià)值，給安全生產(chǎn)埋下隱患。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在聚乙烯管道建設(shè)時(shí)需進(jìn)行靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)、熱穩(wěn)定性試驗(yàn)（氧化誘導(dǎo)時(shí)間）、斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試，以評(píng)價(jià)管材的耐老化性能。大量的在用聚乙烯管道，隨著使用時(shí)間的延續(xù)，由于各種原因?qū)е碌睦匣療o(wú)法避免，亟需作老化檢測(cè)，以確保其安全使用[3-5]。

1 在役聚乙烯管道老化檢測(cè)

目前，國(guó)內(nèi)外基本通過(guò)取樣試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)在用聚乙烯管道的老化行為和老化程度。取樣試驗(yàn)都具有破壞性，難免對(duì)管道造成損傷，甚至影響其繼續(xù)使用。國(guó)內(nèi)外對(duì)于在役聚乙烯管道的老化檢測(cè)難題，還沒(méi)有提出有效的檢測(cè)方法。國(guó)內(nèi)在用管道檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中更缺乏聚乙烯管道老化評(píng)估的手段[6-7]。我國(guó)燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)km，應(yīng)用比例達(dá)到90%以上。國(guó)內(nèi)最早一批的聚乙烯管道已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)30年，且仍在繼續(xù)運(yùn)行。由于聚乙烯管道傳輸?shù)亩际歉吒g性或者易燃易爆介質(zhì)，管道一旦發(fā)生失效，后果十分嚴(yán)重。因此，對(duì)在役聚乙烯管道老化檢測(cè)技術(shù)的需求十分迫切。

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有燃?xì)庥镁垡蚁┕艿阑蛟O(shè)備的老化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》、《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程（試行）》、TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——長(zhǎng)輸（油氣）管道》、TSG D7004—2010《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——公用管道》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等都沒(méi)有給出聚乙烯材料的老化評(píng)估方法和評(píng)估準(zhǔn)則，使得燃?xì)夤艿赖睦匣瘷z驗(yàn)檢測(cè)缺乏依據(jù)。

2 檢測(cè)方法

材料損傷的表征或評(píng)估主要采用試樣分析法。試樣分析法是指從工程構(gòu)件上切取部分材料，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能、化學(xué)成分等分析，從而評(píng)估管道損傷狀態(tài)和剩余使用壽命。常用的聚乙烯老化檢測(cè)方法主要有目視觀察法、靜液壓試驗(yàn)法、拉伸試驗(yàn)法、熱穩(wěn)定性（氧化誘導(dǎo)時(shí)間）等。國(guó)外學(xué)者Pages等將高密度聚乙烯（HDPE）暴露在惡劣的天氣條件下，研究其老化行為。通過(guò)傅里葉紅外光譜（FTIR）和差熱分析法（DSC）研究其降解過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化（如氧化、歧化和聚合物鏈斷裂），發(fā)現(xiàn)通過(guò)1474/1464 cm-1處峰的變化可以表征結(jié)晶度的變化[8]。

試樣分析法需要在被檢測(cè)聚乙烯管道上取樣，而取樣對(duì)燃?xì)夤艿谰哂幸欢ǔ潭鹊钠茐模瑱z測(cè)結(jié)果也需要一定時(shí)間的實(shí)驗(yàn)室分析?，F(xiàn)實(shí)中，燃?xì)庥镁垡蚁┕艿朗枪妙I(lǐng)域的關(guān)鍵特種設(shè)備，無(wú)法停車檢驗(yàn)，同時(shí)需要及時(shí)提供檢測(cè)結(jié)果，尤其是埋地聚乙烯管道。因此，研究針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用聚乙烯管道的老化無(wú)損檢測(cè)方法十分關(guān)鍵。

3 非線性超聲檢測(cè)方法

非線性超聲檢測(cè)是利用聲波傳播時(shí)與材料微觀結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生的非線性響應(yīng)進(jìn)行材料性能的表征和微損傷的檢測(cè)。研究表明，非線性超聲能夠克服傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法的不足，有效表征材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，如位錯(cuò)演化、微裂紋萌生等，從本質(zhì)上反映了微損傷對(duì)材料非線性的影響[9]。

非線性超聲是新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，研究人員已經(jīng)將其應(yīng)用于非金屬材料的檢測(cè)。Cantrell等[10]的研究表明，材料疲勞退化失效過(guò)程的每一個(gè)階段，都可以用非線性系數(shù)表征。焦敬品等[11]用二次諧波非線性效應(yīng)研究了有機(jī)材料熱老化評(píng)價(jià)問(wèn)題，提出用非線性損傷因子評(píng)價(jià)有機(jī)材料熱老化損傷；王麗梅等[12]利用非線性超聲檢測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂的固化深度，經(jīng)希爾伯特-黃變換（HHT）處理后的三次諧波相對(duì)幅值能對(duì)固化過(guò)程中的各個(gè)相變點(diǎn)進(jìn)行有效表征。Demenko等用混頻非線性超聲法對(duì)聚氯乙烯（PVC）的物理老化過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明非線性超聲對(duì)高分子材料的老化具有很高的靈敏度，但混頻非線性超聲對(duì)激勵(lì)信號(hào)的波型要求苛刻，且所需檢測(cè)裝置復(fù)雜；Ma?eika[13]對(duì)聚乙烯材料的超聲特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聲速隨厚度的增加而降低，平均聲速隨頻率發(fā)生變化，衰減隨厚度增大而增加、隨頻率增加而增大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛利用非線性超聲檢測(cè)技術(shù)分析聚氯乙烯材料的物理老化過(guò)程，但由于聚乙烯和聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)不同、老化方式不同，因此試驗(yàn)方法和結(jié)論不具備通用性。盡管有學(xué)者對(duì)聚乙烯的超聲特性進(jìn)行研究，但沒(méi)有建立其老化與超聲檢測(cè)信號(hào)的數(shù)學(xué)關(guān)系，且未提取聚乙烯的非線性特征參數(shù)。

非線性超聲振動(dòng)的波動(dòng)方程可表示為：

其中：A1為基波幅度，A2為二次波幅度，u（x，t）為 x方向的振動(dòng)位移。

非線性超聲檢測(cè)中，最常用的是采用A2/A12表示非線性系數(shù)；有時(shí)也采用總諧波失真表示非線性特征（THD），如式（4）所示。

其中：An是n次諧波幅度，一般可取二次諧波和三次諧波。

常用的非線性超聲檢測(cè)信號(hào)特征值還包括諧波幅度、非線性系數(shù)、總諧波失真、非線性聲波衰減系數(shù)等參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)庥镁垡蚁┕艿缹儆谔胤N設(shè)備壓力管道，與民生關(guān)系極其密切，因此在定期檢驗(yàn)中進(jìn)行老化的無(wú)損檢測(cè)十分必要。目前的無(wú)損檢測(cè)方法中，非線性超聲能夠進(jìn)行管道的老化檢測(cè)，但是還處于研究開(kāi)發(fā)階段；未來(lái)，聚乙烯管道的非線性超聲檢測(cè)將是研究熱點(diǎn)。