燃气聚乙烯管长期静液压性能试验研究及失效分析

Long-term Hydrostatic Performance Test and Failure Analysis of Gas Polyethylene Pipe

摘要

针对燃气聚乙烯管进行10 000 h长期静液压试验，发现试验条件下聚乙烯管道失效鼓胀起始位置为管体表面标志线，说明标志线内的添加剂会降低管体母材性能。采用双参数模型对管道长期性能测试压力-时间数据进行拟合，发现试验管道的韧-脆失效转折点在管道环应力5.31 MPa处，失效时间在8 456 h处，并基于阿伦尼乌斯原理外推了30 ℃时该组试验数据的外推极限为28.9 a。文章结论对建立聚乙烯管的长期性能测试方案以及深入理解聚乙烯管长期力学性能具有积极参考价值。

Abstract

A 10 000 h long-term hydrostatic test was carried out on the gas polyethylene pipe. It was found that the starting position of the failure and bulging of the polyethylene pipe under the test conditions was the marking line on the surface of the pipe body, indicating that the additives in the marking line would reduce the performance of the base metal of the pipe body. The two-parameter model was used to fit the pressure-time data of the long-term performance test of the pipeline, and it was found that the turning point of the tough-brittle failure of the test pipeline was at the pipe ring stress of 5.31 MPa, the failure time was 8 456 h, and the extrapolation limit of the test data was 28.9 a when extrapolated at 30 ℃based on the Arrhenius principle. The conclusion of this paper has a positive reference value for the establishment of long-term performance test scheme of polyethylene pipe and the in-depth understanding of the long-term mechanical properties of polyethylene pipe.

Graphical abstract

关键词

燃气聚乙烯管 / 长期性能 / 阿伦尼乌斯原理 / 失效模式

Key words

Gas polyethylene pipe / Long-term performance / Arrhenius theory / Failure mode

自1982年中国首条城镇燃气聚乙烯管道在上海投运以来，聚乙烯管材凭借其优异的力学性能，逐渐成为燃气管网建设的主流选择。尽管国内外普遍认可其质量可靠、运行安全、维护便捷等优势，但聚乙烯材料的黏弹性与黏塑性特征使其在长期服役过程中易受外荷载作用产生蠕变，导致力学性能随时间推移逐渐下降。这一长期性能演化规律已成为学术界与工业界关注的焦点。PINTER等^[1]利用循环裂纹扩展实验分析聚乙烯管的长期使用性能，发现该方法的测试效率较传统全切口蠕变实验提升两个数量级。BREDÁCS等^[2]利用实验研究聚乙烯管在二氧化氯水溶液中的加速老化现象。MIYANO等^[3-4]研究适用于玻璃纤维管道的长期性能加速试验方法，并系统研究温度、缠绕工艺及吸水率对材料力学性能的耦合影响。FARSHAD等^[5-6]提出两种判定塑料管服役寿命的新准则。赵启辉^[7]、卢锡年^[8]通过实验和理论分析聚乙烯管在静荷载作用下的蠕变和慢速裂纹扩展现象。梁娜等^[9]基于回归优化理论提出一种快速预测玻璃纤维增强塑料管长期力学性能的新方法，并将预测结果与标准对比以验证该方法的有效性。武立文等^[10]总结4种管道寿命预测方法：长期静液压试验法、Arrhenius公式法、慢速裂纹扩展法(SCG)和双曲本构方程法。郑炘等^[11]通过实验发现聚乙烯管的拉伸性能随着服役年限的增加显著下降，而剥离强度和静液压强度无明显变化。陈国华等^[12]对聚乙烯管施加循环内压载荷，并进行不同老化条件下的加速老化实验分析。结果表明，相比基于抗氧剂损耗的寿命预测，基于力学性能的寿命预测结果更具保守性。SUNG等^[13]以玻璃纤维复合管全周期长期性能试验结果为依据，采用线性回归方法分析50 a内的力学性能演化规律。CHEN等^[14]基于芳纶管10 000 h测试数据，采用等温时效方法分析不同安全等级下芳纶管的许用压力。

由于全周期长期性能试验非常耗时且试验过程充满不确定性，当前研究多聚焦于在确保预测精度的前提下缩短试验周期。本文基于聚乙烯管10 000 h静液压测试结果，分析聚乙烯管长期运行特性及失效模式，试验方法、操作流程和研究结论对燃气聚乙烯管道长期性能认知及现场检验工作具有一定的参考价值和指导意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯管，PE100，De90 SDR11，江苏佳润管业有限公司。其主要原料是由基础聚合物聚乙烯和抗氧剂、颜料、抗紫外线稳定剂等添加剂经挤出加工而成的颗粒。

1.2 仪器与设备

聚乙烯管长期静液压测试平台，该平台由压力泵、控制单元、耐压软管和防爆水箱组成。图1为聚乙烯管长期静液压测试平台的构成。RTP复合管长期静内压试验机，深圳市尊翔科技有限公司。

1.3 样品制备

将预先配制好的聚乙烯混配料颗粒放入挤出机的料斗中，通过加热和压力作用使聚乙烯熔化，将熔化的聚乙烯通过挤出机的螺杆和模头挤出成圆形截面的管道，随后进行冷却，使其迅速固化并保持所需的形状和尺寸。

1.4 性能测试与表征

短期爆破试验：为了确定管道承载能力，为后续确定管道长期静液压测试的所应设定压力上限提供参考，进行短期爆破试验。在室温条件下进行，测试之前将管道放置于防爆水箱调和24 h，之后通过耐压软管连接至压力泵，试验过程中压力加载系统自动记录压力、时间并绘制成压力-时间曲线，当听到“砰”一声巨响且压力曲线急速下降则说明管道已经爆破，此时手动关闭压力泵，结束试验并记录爆破点位置。图2为短期静内压测试中压力加载曲线。

长期静液压性能测试：参考GB/T 15558.1—2015^[15]进行测试。按图1所示连接管道与测试平台：平台包括6路测试通道，每路通道输出压力可独立调节。从管道端部接头中的注水孔将试验管道依次注满水并通过耐压软管将管道与加压泵连接，水温保持65 ℃恒温。通过控制单元设置指令，使加压泵对各个管道施加不同压力并保持压力直至管道破坏。测试平台会自动记录每根管道从试验开始到试验结束后的压力-时间曲线。所有的管道均为加载内压直至失效，若某根管道达到规定试验时长极限(10 000 h)，试验结束后该管道被标记为“已失效”，对应试验时长为10 000 h。图3为长期静内压测试中压力加载曲线。

2 结果与讨论

图4为失效后的聚乙烯管道。从图4可以看出，管道的失效模式为内压与温度作用下的鼓胀失效，其他部位未见明显变形。鼓胀位置中，部分管道的鼓胀起始位置为管道上的黄色标识线，可见配料中的颜料、润滑剂或抗氧化剂会降低聚乙烯母材的力学性能^[16-17]。内压载荷下，该处为应力集中点会导致该处内部应力高于平均值，促进了裂纹进一步扩大，使管道以标识线为起始位置发生鼓胀失效。

试验结束后，共得出48组有效的测试压力-测试时间数据，参考GB/T 18252—2008^[18]，对换算后试验数据进行对数化处理。图5为对数化后环应力与试验时间的曲线。

从图5可以看出，对数化处理后的数据后程存在明显拐点。这说明此时破坏形式发生变化^[19-20]。将第一分支与第二分支分别进行线性回归，分别计算两分支的样本均值及样本标准差^[21]，得出其允许误差分别为0.009 487 542与0.020 638 199，取单侧置信度为97.5%，得出其置信下限为0.762 852 412/0.685 455 315。拟合对数化的试验时间与环应力的表达式为：

\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma =c_{\mathrm{1}}+c_{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{1}}{\theta }+c_{\mathrm{3}}\frac{\mathrm{l}\mathrm{g}t}{\theta }-e(1)

式(1)中：\sigma为管道环应力，MPa；θ为温度，℃；t为失效时间，h；e为误差变量；c₁、c₂、c₃为拟合系数。

将数据代入上式，采用最小二乘法拟合得到两分支的表达式分别为^[22]：

\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma =-\mathrm{0.079}\mathrm{2}\mathrm{l}\mathrm{g}t+\mathrm{1.046}\mathrm{0}-e_{\mathrm{1}}(2)

\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma =-\mathrm{0.385}\mathrm{0}\mathrm{l}\mathrm{g}t+\mathrm{2.198}\mathrm{8}-e_{\mathrm{2}}(3)

上式亦为95%置信区间的简单单侧下97.5%误差带。表1为两支分支的误差变量。

则97.5%置信下限曲线的表达式为：

\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma =-\mathrm{0.079}\mathrm{2}\mathrm{l}\mathrm{g}t+\mathrm{1.036}\mathrm{5}(4)

\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma =-\mathrm{0.385}\mathrm{0}\mathrm{l}\mathrm{g}t+\mathrm{2.178}\mathrm{2}(5)

表2为65 ℃时的拐点。

外推计算允许的时间极限与温度有关^[23]，参考GB/T 18252—2008^[18]可知，外推因子k_e是Δθ的函数，Δθ的表达式为：

Δθ=θ_t -θ(6)

式(6)中：θ_t 为准备对其使用外推因子k_e的试验温度，℃；θ为对其算出外推时间极限的温度，℃。

外推时间的计算公式为：

t_e=k_et_max(7)

式(7)中：t_e为外推极限，h；k_e为外推因子；t_max为最大试验时间，h。

t_max为同一温度最大的5个试验时间值的对数取平均值，对于试验时长已达到最大允许时长但仍未破坏的管道，可终止试验并将其记录为“已破坏”，其破坏时间为对应的t_max^[24]。本试验中聚乙烯管道试验温度为65 ℃，假设燃气聚乙烯管运行温度为室温(30 ℃)^[25]，则Δθ为35 ℃。t_max为3.927 2 h。参考GB/T 18252—2008^[18]，可取k_e=30，则lg t_e=3.927 2+lg 30=5.404 3。图6为带有一个拐点的外推时间极限。表3为30 ℃时的外推极限。

3 结论

通过长静液压测试，分析某批次聚乙烯管道长期运行性能及失效模式，结论如下：(1)基于10 000 h试验数据，采用双参数模型拟合聚乙烯管试验时长-试验压力方程，并外推管道长期工况下的外推极限。试验条件下管道韧-脆破坏转折点在管道环应力为5.31 MPa、失效时间8 456 h处；当管壁内应力为5.31 MPa、温度为30 ℃时，管道的外推极限为28.9 a。(2)管体表面黄色标志线是管体中强度较弱的位置，分析标志线对聚乙烯管强度的影响，发现掺有颜料的聚乙烯强度低于管体母材强度，极端情形下管体表面黄色标志线会先于管道本体开裂，成为破坏起始点。(3)燃气聚乙烯管长期性能分析全部为人工计算，因此仅采用双参数模型分析带有一个拐点试验数据，后期可改进之处为通过编程实现计算过程自动化，以分析不同温度、应力条件下的试验数据。

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基金资助

浙江省市场监督管理局青年科技项目(QN2023431)