申麥茹，鐵文安，李艷芳

（1 陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，陜西西安 710048；2 陜西延長涇渭新材料科技產(chǎn)業(yè)園有限公司，陜西西安 710075；3 陜西華山勝邦塑膠有限公司，陜西西安 710043）

聚乙烯原材料是一種以聚乙烯為基料的共聚物混合材料，材料中必須添加一定量的抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和碳黑（僅適用黑色混配料）等添加劑來防止氧化。由于聚乙烯(PE)管材具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂和抗震破壞性能好等優(yōu)點(diǎn)，己成為城鎮(zhèn)中、低壓燃?xì)夤艿赖氖走x，然而作為一種高分子有機(jī)材料，容易受光氧化、熱氧化、臭氧分解，在紫外線作用下容易降解，受輻射后可發(fā)生交聯(lián)、斷鏈、形成不飽和基團(tuán)等反應(yīng)，其老化問題不可避免，也是影響燃?xì)夤艿缐勖褪褂冒踩缘闹匾蛩刂唬?-4］。中低壓城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿拦ぷ鳒囟认薅?20～40 ℃，由于燃?xì)饨橘|(zhì)溫度通常為常溫，其工作溫度主要取決于周圍環(huán)境溫度［5］。本文根據(jù)80℃恒溫老化試驗(yàn)后的氧化誘導(dǎo)時(shí)間、熔體質(zhì)量流動(dòng)速率、拉伸性能、斷裂伸長率、靜液壓強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)，分析環(huán)境溫度對(duì)材料各性能指標(biāo)的影響規(guī)律，給出了聚乙烯燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和儲(chǔ)存、使用環(huán)節(jié)受環(huán)境溫度影響應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施，避免和減少環(huán)境溫度對(duì)聚乙烯管道壽命的影響。

1 80℃恒溫老化試驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

采用PE100燃?xì)鈱Ｓ没炫淞希ㄐ吞?hào)為HE3490LS），按照GB 15558.1-2018加工成黑色dn63mm×en5.8mm(4條黃色色條)及dn63mm×en3.6mm(4條橙色色條)的管材。采用機(jī)加工制成GB/T 8804.3-2003中I、II型啞鈴試樣。試樣規(guī)格及代號(hào)如表1、圖1所示。并將試樣按不同時(shí)間段分類并標(biāo)識(shí)，試樣數(shù)量與老化時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表1 試樣規(guī)格及代號(hào)Table 1 Sample specification and code

表2 試樣數(shù)量(件)與老化時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 The corresponding of sample quantity and aging time

圖1 A、B、C、D四種試樣Fig.1 Samples A, B, C and D

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

管材擠出機(jī)，型號(hào)LEP45-50，瑞典Labtech公司；80℃恒溫實(shí)驗(yàn)箱， HAM2003，丹麥HAM公司；差示掃描量熱儀（DSC），型號(hào)DSC214，德國NETZSCH公司；熔體流動(dòng)速率測(cè)試儀，型號(hào)MF20，美國INSTRON公司；電子拉力萬能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)Model E44，美國美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司；管材耐壓爆破試驗(yàn)機(jī)，XGNB-N-B。

1.3 試驗(yàn)方法及項(xiàng)目要求

將制成的試樣置于80℃恒溫水中，在累計(jì)放置時(shí)間(不受應(yīng)力 )分別為 6、12、13、14、15、16、17、18、19個(gè)月時(shí)，對(duì)不同老化時(shí)間段試樣進(jìn)行氧化誘導(dǎo)時(shí)間、拉伸性能、熔體流動(dòng)速率、靜液壓試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目及要求見表3。

表3 試驗(yàn)項(xiàng)目及要求Table 3 Test items and requirements

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)80℃恒溫老化試驗(yàn)后試樣的氧化誘導(dǎo)時(shí)間、熔體質(zhì)量流動(dòng)速率、斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度、靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與老化時(shí)間段的對(duì)應(yīng)關(guān)系分別如圖2～圖5、表4所示。

圖2 氧化誘導(dǎo)時(shí)間Fig.2 Oxidation induction time

圖3 熔體質(zhì)量流動(dòng)速率 Fig.3 Melt mass flow rate

圖4 斷裂伸長率Fig.4 Elongation at break

圖5 拉伸強(qiáng)度 Fig.5 Tensile strength

表4 不同時(shí)間段靜液壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 4 Hydrostatic strength data in different time periods

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）氧化誘導(dǎo)時(shí)間

試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)80℃恒溫老化試驗(yàn)，累計(jì)6個(gè)月時(shí)試樣的氧化誘導(dǎo)期最長為18min，最短為13.1min，均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的20min。 說明聚乙烯材料氧化誘導(dǎo)時(shí)間受環(huán)境溫度（高溫）影響較大，很快發(fā)生氧化。

所謂氧化誘導(dǎo)時(shí)間就是人為改變管材的使用環(huán)境（氧氣、氮?dú)?、室溫），提高氧氮密度與壓力、環(huán)境溫度（200℃），測(cè)試極端環(huán)境條件下材料發(fā)生自動(dòng)催化氧化反應(yīng)的時(shí)間［2-3］。氧化誘導(dǎo)時(shí)間是評(píng)價(jià)材料成型、儲(chǔ)存、焊接、使用過程中自身熱穩(wěn)定性的最重要指標(biāo)，是管材發(fā)生質(zhì)變產(chǎn)生脆性破壞的原因之一，其直接影響管材的擱置壽命和使用壽命。氧化誘導(dǎo)時(shí)間越長，材料的熱穩(wěn)定性越好，壽命越長。

（2）熔體質(zhì)量流動(dòng)速率

試驗(yàn)結(jié)果顯示，80℃恒溫老化時(shí)間達(dá)19個(gè)月，其熔體質(zhì)量流動(dòng)速率仍在合格范圍內(nèi)。

熔體質(zhì)量流動(dòng)速率是表述塑料在一定溫度和壓力下熔體流動(dòng)性的參數(shù)，同時(shí)間接表述塑料平均分子量的高低。平均分子量越低，熔體流動(dòng)速率則越大，則表示塑料熔融狀態(tài)下流動(dòng)性好；平均分子量越高，熔體流動(dòng)速率越小，則表示塑料熔融狀態(tài)下流動(dòng)性差。該指標(biāo)是選擇材料和牌號(hào)的重要參考指標(biāo)。而熔體流動(dòng)速率經(jīng)80℃恒溫老化試驗(yàn)，并不能改變其分子量的高低，因此測(cè)試數(shù)據(jù)并未發(fā)生太大變化，試驗(yàn)溫度下（不受應(yīng)力）對(duì)材料的熔體質(zhì)量流動(dòng)速率影響不大。

(3)斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度

斷裂伸長率是材料在拉伸斷裂時(shí)的伸長率，表征在拉伸試驗(yàn)條件下的材料韌性。斷裂伸長率數(shù)值越高，材料抗變形能力越強(qiáng)。拉伸強(qiáng)度是材料從塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是在靜拉伸條件下的較大承載能力，它表征材料較大均勻塑性變形的抗力。說明試驗(yàn)溫度（不受應(yīng)力）對(duì)材料的強(qiáng)度影響不大。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，最長經(jīng)過19個(gè)月的80℃恒溫老化試驗(yàn)，除了個(gè)別斷裂伸長率低于350%外，其余斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）靜液壓強(qiáng)度

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過長達(dá)19個(gè)月的80℃恒溫老化試驗(yàn)，靜液壓試驗(yàn)結(jié)果為無破壞、無滲漏。

靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在一定溫度下對(duì)管材原材料及加工工藝的短期內(nèi)綜合考量，與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。通過GB/T 18252-2008《塑料管道系統(tǒng) 用外推法確定熱塑型塑料管材材料以管材型式的長期靜液壓強(qiáng)度》來預(yù)測(cè)在一定溫度、壓力的長期使用壽命。經(jīng)80℃恒溫老化試驗(yàn)，在不考慮其他因素的情況下，試驗(yàn)溫度下材料靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)無損壞、無泄漏，說明材料及加工工藝符合要求。

3 應(yīng)對(duì)溫度影響的措施

80℃恒溫老化試驗(yàn)，只考慮高溫，未考慮低溫、應(yīng)力、介質(zhì)、氧、紫外線、光等影響的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，環(huán)境溫度對(duì)材料氧化誘導(dǎo)時(shí)間影響最大，其余性能指標(biāo)未見明顯異常。在進(jìn)行聚乙烯燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和儲(chǔ)存、安裝、使用、定期檢驗(yàn)過程中應(yīng)關(guān)注環(huán)境溫度對(duì)其性能的不利影響，并采取相應(yīng)措施規(guī)避環(huán)境溫度對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿酪鸬陌踩L(fēng)險(xiǎn)。

3.1 根據(jù)工作溫度進(jìn)行壓力折減

工作溫度指管材內(nèi)外環(huán)境的年度平均溫度。對(duì)于埋地敷設(shè)的聚乙烯燃?xì)夤艿?，管?nèi)燃?xì)馔ǔ槌?，相?duì)恒定，管道的工作溫度主要取決于管道埋深處周邊地溫，通常與陽光照射、地表狀況、深度等因素有關(guān)，且處于變化中。研究表明，地溫變化隨深度增加急劇降低,通常在1.0～1.2 m后趨于恒定；地表狀況對(duì)地溫有明顯影響,混凝土地面處地溫高于綠化帶地面；陽光照射對(duì)地溫提高有影響,但較小［1］。因此，聚乙烯燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮管道埋設(shè)處的溫度，確定管道的工作溫度，按工作溫度對(duì)最大允許工作壓力Pmax=MOP/DF［MOP為最大工作壓力（MPa），以20℃為參考工作溫度］進(jìn)行折算。工作溫度下的壓力折算系數(shù)見表5。中間溫度按內(nèi)插法計(jì)算。

表5 工作溫度下的壓力折算系數(shù)Table 5 Pressure conversion coefficient at operating temperature

3.2 按設(shè)計(jì)使用年限考慮材料強(qiáng)度

聚乙烯管道的強(qiáng)度是指其應(yīng)用到50年的強(qiáng)度。其在使用過程中，不僅受到溫度的影響外，還會(huì)因應(yīng)力、介質(zhì)、氧氣等因素的影響發(fā)生老化，材料的強(qiáng)度會(huì)隨者時(shí)間的推移逐漸下降。同時(shí)，由于應(yīng)力作用，會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按使用年限考慮材料強(qiáng)度。

3.3 控制抗氧化劑、光穩(wěn)定劑、碳黑（黑色管材）用量

抗氧化劑可有效抑制和延緩聚乙烯混配料的自動(dòng)氧化降解，光穩(wěn)定劑可提高材料抵抗紫外線的破壞能力，碳黑是有效的光屏蔽劑。通過控制其添加量可提高成型過程中熱穩(wěn)定性。

3.4 保證管道埋設(shè)深度

《城鎮(zhèn)燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028)規(guī)定,城鎮(zhèn)市政燃?xì)夤艿缆裆钔ǔＴ?.8～1.2 m。此深度受陽光及地表狀況影響較小，管道埋深處的溫度相對(duì)比較恒定，有利于管道工作溫度相對(duì)穩(wěn)定。若埋深不能滿足設(shè)計(jì)有求時(shí)，應(yīng)采取加套管等保護(hù)措施。

3.5 不得進(jìn)入和穿過熱力管溝敷設(shè)，保證與熱力管道間水平及垂直凈距

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.2條規(guī)定，應(yīng)保證燃?xì)夤艿劳獗跍囟炔怀^40℃。熱力管道通常因介質(zhì)溫度較高，使其周圍環(huán)境溫度升高，可能導(dǎo)致相鄰的聚乙烯燃?xì)夤艿劳獗诔^40℃，使其發(fā)生老化，使用壽命減少。聚乙烯燃?xì)夤艿琅c熱力管道之間水平和垂直距離應(yīng)滿足CJJ 63-2018中表1、表2要求。當(dāng)受到地形限制時(shí)，不能保證與熱力管道水平及垂直凈距時(shí)，可采取有效的隔熱防護(hù)措施，如架設(shè)混凝土套管，必要時(shí)套管內(nèi)充填絕熱材料、采用防護(hù)板等措施［5］。

3.6 運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程防曝曬、雨淋、遠(yuǎn)離熱源并采取防紫外線措施

光、溫度、濕度、紫外線均使聚乙烯材料發(fā)生老化。在運(yùn)輸或臨時(shí)施工存放中應(yīng)采用遮蓋物遮蓋。儲(chǔ)存時(shí)應(yīng)存放在溫度不超過40℃的倉庫（存儲(chǔ)型物理建筑）或半露天堆場(chǎng)（貨棚內(nèi)），應(yīng)有防紫外線照射的措施。 生產(chǎn)到使用期間，累計(jì)受到太陽能輻射量超過3.5GJ/m2時(shí)，累計(jì)接受的能量可根據(jù)我國各地太陽能輻射總量參考表6進(jìn)行估算，或按規(guī)定存放時(shí)間超過4年，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抽檢。

表6 我國主要?dú)夂蝾愋偷哪晏柲芸偭繀⒖急鞹able 6 Annual solar energy total reference table for main climate types in China

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》3.1.3條管材抽檢的項(xiàng)目包括靜液壓強(qiáng)度、電熔接頭的剝離強(qiáng)度和斷裂伸長率。但根據(jù)80℃恒溫老化試驗(yàn)結(jié)果分析，氧化誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)材料溫度比較敏感，因此建議先進(jìn)行氧化誘導(dǎo)時(shí)間抽檢，其合格后再進(jìn)行其他項(xiàng)目抽檢。

3.7 控制焊接時(shí)環(huán)境溫度，并按環(huán)境溫度對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行修正

熱熔或電熔連接時(shí)環(huán)境宜在-5～40 ℃范圍內(nèi)，若低于-5℃，應(yīng)采取保溫措施，夏季應(yīng)有遮陽措施，避免管子高溫時(shí)焊接后溫度變化引起縱向回縮后導(dǎo)致接口開裂。同時(shí)根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)焊接溫度進(jìn)行修正。

3.8 鋼塑轉(zhuǎn)換接頭焊接鋼管段接頭時(shí)應(yīng)對(duì)鋼塑過渡段采取降溫措施

鋼塑轉(zhuǎn)換管件的鋼管段與鋼管焊接時(shí)，防止鋼管端焊接熱量傳遞給鋼塑邊界時(shí)，由于塑料熱阻較大，熱量容易在鋼與塑料邊界處聚集造成此處溫度過高，局部過熱引起材料性能改變，應(yīng)對(duì)鋼塑過渡段采取降溫措施，并應(yīng)確定好降溫位置。

3.9 管道采用蜿蜒敷設(shè)

采用管道蜿蜒敷設(shè)，克服溫差引起的軸向變形，使管道不受約束隨溫度變化自由活動(dòng)。

4 結(jié)束語

光、濕度、紫外線、溫度等因素均可加速管材的老化，溫度作為對(duì)管材性能影響條件之一，應(yīng)避免管材在高溫下運(yùn)輸和儲(chǔ)存、使用。若進(jìn)行復(fù)檢時(shí)應(yīng)考慮抽檢材料的氧化誘導(dǎo)時(shí)間。在定期檢驗(yàn)中，應(yīng)重點(diǎn)抽查管道埋深不夠、裸露或鋼塑過渡部位的材料力學(xué)性能，防止因溫度的影響造成的材料老化問題。