霍 亮

(哈爾濱中慶燃?xì)庥邢挢?zé)任公司,哈爾濱 150076)

0 引言

快速裂紋擴(kuò)展(RCP)是一個(gè)低韌性(脆性)裂紋以高速(約300 m/s)沿壓力管線長距離延伸的現(xiàn)象,主要受環(huán)境溫度及管道系統(tǒng)壓力的影響,如果聚乙烯燃?xì)夤艿拦鼙谏嫌捎诘谌绞┕な艿綇?qiáng)力沖擊或其他原因?qū)е鹿芫€上出現(xiàn)一個(gè)穿透裂紋,在管道內(nèi)燃?xì)饨橘|(zhì)的壓力下,該裂紋會(huì)以每秒幾百米的速度沿管道軸向快速增長,當(dāng)管道在幾十米至幾千米范圍內(nèi)破裂后,燃?xì)獯罅恳绯?將造成大范圍燃燒乃至爆炸,后果不堪設(shè)想。當(dāng)管道系統(tǒng)中的壓力達(dá)到臨界壓力PRCP以上,由裂紋發(fā)展成裂縫,就有可能引發(fā)RCP現(xiàn)象。為避免RCP危害,燃?xì)廨敋庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮聚乙烯管材的RCP臨界壓力PRCP,只要在臨界壓力PRCP之下,就不會(huì)發(fā)生RCP現(xiàn)象。

1 耐快速裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)方法

耐快速裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)方法主要有裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)兩種,其中裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)分為全尺寸實(shí)驗(yàn)、小尺寸實(shí)驗(yàn)及ROBERTSON實(shí)驗(yàn)。目前公認(rèn)的用于確定聚乙烯燃?xì)夤艿滥涂焖倭鸭y擴(kuò)展性能的實(shí)驗(yàn)方法是全尺寸實(shí)驗(yàn)(FST實(shí)驗(yàn))與小尺寸實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn)),如圖1。

圖1 耐快速裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)方法

全尺寸實(shí)驗(yàn)(FS實(shí)驗(yàn))與小尺寸實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn))方法都已形成了國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO13478、ISO13477)。關(guān)于小尺寸實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn)),我國形成了GB/T 19280-2003流體輸送用熱塑性塑料管材耐快速裂紋擴(kuò)展(RCP)的測定小尺寸穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn))標(biāo)準(zhǔn)。

全尺寸實(shí)驗(yàn)(FST實(shí)驗(yàn))應(yīng)按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13478進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過一系列實(shí)驗(yàn),確定了一定溫度下的全尺寸臨界壓力PC,FS,如圖2。

圖2 全尺寸實(shí)驗(yàn)示意圖

如果管道工作壓力超過這一壓力,在一定因素影響下就有可能發(fā)生快速裂紋擴(kuò)展,因此研發(fā)了小尺寸穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn))方法。

實(shí)驗(yàn)裝置總體上需符合圖3要求,其基本要求如下:

圖3 S4實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)需在實(shí)驗(yàn)室中完成。截取規(guī)定長度的熱塑性塑料管材試樣,試樣分為裂紋引發(fā)段(發(fā)生區(qū))和裂紋增長段(計(jì)量段),計(jì)量段長度大于5 dn,檢查管材試樣以確定是裂紋終止還是裂紋擴(kuò)展。測量開裂長度為a,當(dāng)a≤4.7 dn時(shí),定義為裂紋終止,當(dāng)a﹥4.7 dn時(shí),定義為裂紋擴(kuò)展。采用一系列試驗(yàn)壓力, 至少有一個(gè)裂紋終止的試驗(yàn)結(jié)果(即a≤4.7 dn)和一個(gè)裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)結(jié)果(即a﹥4.7 dn),如圖4所示。

圖4 確定臨界壓力或環(huán)向應(yīng)力(Pcs4或 σcs4)的典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

盡管小尺寸實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn))簡化了RCP實(shí)驗(yàn)難度,但由于S4實(shí)驗(yàn)與全尺寸實(shí)驗(yàn)(FS實(shí)驗(yàn))的條件不同,屬于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),不能完全真實(shí)地反映快速開裂的情況,有必要建立S4實(shí)驗(yàn)與FS實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量關(guān)系。目前,國際上普遍認(rèn)可的PC,S4與PC,FS的對應(yīng)關(guān)系為:

(PC,FS+ 1)/(PC,S4+ 1) = 3.6

PC,FS= 3.6PC,S4+ 2.6

若MOPS4達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,則存在兩種可能:一種可能是管材抵抗快速裂紋增長的性能確實(shí)不能滿足設(shè)計(jì)要求,另一種可能是由于上面的換算方式過于保守,誤將滿足要求的管材判定為不符合設(shè)計(jì)要求,這時(shí)就要進(jìn)行FS實(shí)驗(yàn),由FS實(shí)驗(yàn)結(jié)果MOPFS作為最終判斷。

2 耐快速裂紋擴(kuò)展臨界壓力測試

測試管材的選擇。由于聚乙烯燃?xì)夤艿拦軓皆酱?、管壁越?就越容易發(fā)生快速開裂問題。選用的聚乙烯燃?xì)夤艿雷畲蠊Q外徑為dn315 mm,故而選用SDR11、dn315 mm的聚乙烯燃?xì)夂癖诠茏鳛闇y試管材,這樣使用的其他規(guī)格尺寸的聚乙烯燃?xì)夤艿辣蝗采w。

測試溫度的選擇。當(dāng)聚乙烯燃?xì)夤艿涝? ℃以下的環(huán)境溫度中,要求在最低使用溫度下進(jìn)行RCP實(shí)驗(yàn),以確定最低工作溫度下的臨界壓力?；炫淞瞎?yīng)商或管材生產(chǎn)廠商提供的PRCP都是0 ℃時(shí)的臨界壓力,因此選擇聚乙烯燃?xì)夤艿赖淖畹凸ぷ鳒囟?20 ℃作為檢測溫度。

測試方法的選擇。由于缺乏全尺寸實(shí)驗(yàn)(FS實(shí)驗(yàn))場所,只能采用小尺寸實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn)),選擇了技術(shù)先進(jìn)的某公司塑料管道研究測試中心進(jìn)行RCP實(shí)驗(yàn)。

測試壓力的選擇。我國于2018年10月18日頒布了CJJ63-2018 聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn),修訂了聚乙烯燃?xì)夤艿雷畲蠊ぷ鲏毫?由原來的0.7 MPa提高到0.8 MPa。混配料供應(yīng)商或管材生產(chǎn)廠商所提供的都是0 ℃時(shí)最大工作壓力為0.7 MPa的RCP檢驗(yàn)報(bào)告,因此選擇最大工作壓力0.8 MPa為RCP的實(shí)驗(yàn)壓力。但由于GB 50028-2006城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范中6.3.2條的規(guī)定,次高壓燃?xì)夤艿缿?yīng)采用鋼管,聚乙烯燃?xì)夤艿廊灾荒苡糜谥?、低壓燃?xì)夤艿?所以選擇了最大工作壓力0.4 MPa為RCP的實(shí)驗(yàn)壓力。根據(jù)有關(guān)規(guī)定的小尺寸實(shí)驗(yàn)(S4實(shí)驗(yàn)),試驗(yàn)壓力計(jì)算公式為:

PC,S4MOP/2.4-0.072(MPa)

MOP=0.8 MPa時(shí),PC,S40.26 MPa

MOP=0.4 MPa時(shí),PC,S40.095 MPa

3 測試結(jié)果

試驗(yàn)情況及結(jié)果如下:

圖5 北歐化工的HE3490LS

MOP=0.4 MPa,-20 ℃,裂紋長度a:630 mm<4.7 dn,合格

圖7 沙比克公司P6006

選擇最大工作壓力為0.8 MPa的RCP實(shí)驗(yàn)壓力,用量最大的北歐化工的HE3490LS進(jìn)行-20 ℃的RCP實(shí)驗(yàn),結(jié)果失敗。又進(jìn)行了-15 ℃的RCP實(shí)驗(yàn),結(jié)果失敗。證明北歐化工的HE3490LS無法滿足次高壓B聚乙烯燃?xì)夤艿赖蜏叵履涂焖倭鸭y擴(kuò)展的性能要求。

選擇最大工作壓力為0.4 MPa的RCP實(shí)驗(yàn)壓力,分別對北歐化工的HE3490LS、巴塞爾的CRP100及沙比克公司的P6006進(jìn)行了-20 ℃的RCP實(shí)驗(yàn),結(jié)果全部合格,證明中、低壓聚乙烯燃?xì)夤艿涝?20 ℃的環(huán)境下完全滿足耐快速裂紋擴(kuò)展的性能要求,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 耐快速裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

對燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿肋M(jìn)行耐快速裂紋擴(kuò)展臨界壓力測試,結(jié)果表明,北歐化工的HE3490LS無法滿足次高壓B聚乙烯燃?xì)夤艿赖蜏叵履涂焖倭鸭y擴(kuò)展的性能要求。北歐化工的HE3490LS、巴塞爾的CRP100及沙比克公司的P6006在中、低壓聚乙烯燃?xì)夤艿涝?20 ℃的環(huán)境下,可以完全滿足耐快速裂紋擴(kuò)展的性能要求。