關(guān)于GB/T 23257—2009斷裂伸長率的探討

梁才萌，樊建博，張培東

（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222006）

改革開放以來，我國逐漸引進國外先進的管道防腐技術(shù)，所采用的相關(guān)產(chǎn)品標準是直接引用國外同行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先的標準。隨著管道防腐層生產(chǎn)及研究技術(shù)的經(jīng)驗積累，我國石油天然氣行業(yè)相關(guān)企業(yè)或機構(gòu)有能力結(jié)合自身的實際情況，參考國外相關(guān)產(chǎn)品標準，重新修訂管道防腐層的行業(yè)標準或國家標準。但這些標準在執(zhí)行過程中，或多或少存在著瑕疵，現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)相類似的產(chǎn)品標準以及塑料拉伸試驗標準對GB/T 23257—2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》（以下簡稱GB/T 23257）中拉伸試驗的斷裂伸長率進行探討。

1 不同標準對斷裂伸長率驗收要求的對比

斷裂伸長率是評價材料拉伸性能的主要指標。對于鋼質(zhì)埋地管道聚乙烯防腐層的斷裂伸長率，主要使用的標準有GB/T 23257—2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》、ISO 21809-1：2011《石油天然氣管道三層聚乙烯和三層聚丙烯外防腐層》、CSA-Z 245.21-10《工廠施用的鋼管外防腐聚乙烯涂層》、DIN 30670《鋼管和管件的聚乙烯涂層》及殼牌標準DEP 31.40.30.31-Gen《管線鋼鋼管外防腐聚乙烯和聚丙烯涂層》等。不同標準對拉伸試驗斷裂伸長率的驗收要求見表1。

表1 不同標準對鋼質(zhì)埋地管道聚乙烯防腐層拉伸試驗斷裂伸長率驗收要求的對比

2 國內(nèi)標準中拉伸試驗的斷裂伸長率

由表1可知，不同標準對拉伸試驗斷裂伸長率的要求不同，其中包括斷裂伸長率的定義、采用的試樣類型、拉伸速度以及原材料和涂層的驗收要求等。GB/T 23257中關(guān)于斷裂伸長率的定義在其引用的GB/T 1040.1或GB/T 1040.2中并沒有明確的定義，只是在GB/T 1040.1中根據(jù)材料呈現(xiàn)的不同類型的拉伸曲線分別定義了斷裂拉伸應(yīng)變和斷裂標稱應(yīng)變。斷裂拉伸應(yīng)變的定義為：試樣未發(fā)生屈服而斷裂時，與斷裂應(yīng)力相對應(yīng)的拉伸應(yīng)變，其中拉伸應(yīng)變是指原始標距單位長度的增量。斷裂標稱應(yīng)變的定義為：試樣在屈服后斷裂時，與拉伸斷裂應(yīng)力相對應(yīng)的拉伸標稱應(yīng)變，其中拉伸標稱應(yīng)變是指兩夾具之間距離單位原始長度的增量。但舊版GB/T 1040—1992中直接有斷裂伸長率的定義，其定義為：在拉力作用下，試樣斷裂時標線間距離的增加量與初始標距之比。

新版GB/T 1040.1—2006（等同采用ISO 527-1：1993）將斷裂伸長率分為斷裂拉伸應(yīng)變（測量結(jié)果上等同GB/T 1040—1992定義的斷裂伸長率）和斷裂標稱應(yīng)變的主要原因是：在發(fā)生了明顯屈服后斷裂的試樣，使用大變形引伸計不能準確地捕捉到標距間真實的增長量，因此在這種情況下，斷裂伸長率改為測量斷裂時初始夾具距離的增長百分數(shù)，即斷裂標稱應(yīng)變。斷裂拉伸應(yīng)變和斷裂標稱應(yīng)變在定義上的較大差異導致了測量結(jié)果的較大差別，具體數(shù)據(jù)見表2。

一般管線鋼聚乙烯防腐原材料和涂層是在屈服后斷裂的，也就是斷裂伸長率按照斷裂標稱應(yīng)變進行測量，這樣就導致執(zhí)行GB/T 23257的過程中主要存在以下問題：

表2 斷裂拉伸應(yīng)變與斷裂標稱應(yīng)變測量結(jié)果對比

（1）GB/T 23257中，聚乙烯涂層斷裂伸長率的驗收要求≥600%，這個指標遠遠高于其他同類標準。雖然目前防腐行業(yè)有能力達到該指標值，但因此會導致制造成本的增加，不利于企業(yè)的盈利和發(fā)展。從聚乙烯涂層產(chǎn)品標準的歷史說起，這個行業(yè)最早的產(chǎn)品標準是德國的DIN 30670。德國標準發(fā)行后，各國紛紛以此標準為范本，結(jié)合自身的實際情況編制了相應(yīng)的標準。目前DIN 30670標準規(guī)定斷裂伸長率驗收要求≥400%，而國際防腐行業(yè)認為最嚴格的加拿大標準CSA Z 245.21-10對斷裂伸長率的驗收要求僅為≥300%。因此，單從產(chǎn)品標準的驗收要求來看，GB/T 23257對斷裂伸長率的規(guī)定就過于嚴苛，建議參考ISO 21809-1，將聚乙烯涂層的斷后伸長率改為≥400%。

（2）GB/T 23257中，斷裂伸長率選用對斷裂標稱應(yīng)變的測量方法與其他國家標準的要求不一致，容易導致混亂。從表1可知，ISO 21809-1和DEP 31.40.30.31-Gen對斷裂伸長率的測量方法與其一致，而DIN 30670和CSA Z245.21-10都是規(guī)定斷裂伸長率測量斷裂時標距的增長量百分數(shù)。國外的產(chǎn)品標準對斷裂伸長率都描述為 “elongation at break”，CSA Z 245.21-10引用的試驗標準ASTM D 638中就直接有這個定義；而在DIN 30670中，拉伸試驗按照ISO 527執(zhí)行（ISO 527并沒有“elongation at break”的直接定義）的同時在其附錄F中再明確規(guī)定斷裂伸長率為斷裂時標距的增長百分數(shù)。各國在測量斷裂伸長率的方法不一致的原因主要是：首先，塑料行業(yè)是沿襲金屬材料發(fā)展后興起的一個行業(yè)，對塑料的性能研究有很多金屬材料領(lǐng)域的影子，因此對斷裂伸長率的定義就是傳統(tǒng)的標距增長量百分數(shù)；其次，在實際使用過程和對塑料的進一步研究過程中發(fā)現(xiàn)，沿用傳統(tǒng)斷裂伸長率的定義會有很大的不準確性，因此對原來的定義進行更細化的定義，也就是把斷裂伸長率分為斷裂拉伸應(yīng)變和斷裂標稱應(yīng)變；最后，進行性能檢測的試驗標準重新定義了斷裂伸長率之后并沒有在相應(yīng)的產(chǎn)品標準中進行重新界定和說明。

（3）GB/T 23257及其引用的 GB/T 1040均沒有給出測量斷裂伸長率使用的具體拉伸速度，而實際檢測過程發(fā)現(xiàn)，其他試驗條件相同僅拉伸速度不一樣時，得到的結(jié)果就有很大的差異，這就給測量結(jié)果的驗收造成一定的不確定性。因此，建議參考ISO 21809-1，取試樣為1B型，試驗速度為50 mm/min。

3 斷裂伸長率的補充測量方法

目前各國標準對斷裂伸長率的測量方法及驗收要求并不統(tǒng)一。采用斷裂拉伸應(yīng)變和斷裂標稱應(yīng)變的國際標準ISO（包括國家標準GB），其出發(fā)點就是引伸計不能準確地捕捉標距間的增長量，原來的測量方法存在很大的不確定度，應(yīng)有更為準確的方法。實際檢測過程中也確實如此，按照標距間的增長量來測量斷裂伸長率（大變形），在試樣上對標距進行標識，既要保證標距的誤差符合要求，又要保證試樣變形斷裂時能有效分辨出標識處，這是非常困難的。雖然目前使用大變形引伸計來跟蹤標距的變形，但引伸計自身存在重力，夾持力不大，且屈服過程試樣變形過快，導致不能保證引伸計最終捕捉到的增長量就是標距的增長量。國際標準ISO提出的斷裂標稱應(yīng)變的測量方法能準確地捕捉到試樣初始夾持距離的所有變形增量，試驗方法的準確度和復(fù)現(xiàn)性有了保證，但是其測量的有效部分寬度尺寸并不是大小均勻一致的（所采用的啞鈴型試樣，測量有效部分包括縮減部分、過渡圓弧部分以及夾持部分），因此其并不能準確地反映材料的真實性能。對于怎樣能更準確且真實地的測量塑料的斷裂伸長率，個人有如下建議：

（1）參考 GB/T 228.1《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》中的移位法測量斷裂伸長率，以便對測量斷裂標稱應(yīng)變的結(jié)果進行二次判斷，更切合材料的真實性能。

在GB/T 228.1《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中，規(guī)定金屬材料的斷裂伸長率按正常方法測量，如果結(jié)果小于規(guī)定要求且斷裂位置離標距任意兩端點距離小于1/3標距時，可使用移位法對斷裂伸長率進行重新測量，然后再判斷其合格與否。相對于聚乙烯等塑料材料，當測量斷裂伸長率不合格時，可參照金屬材料的移位測量方法測量斷裂伸長率。試樣拉斷后尺寸標識如圖1所示，金屬材料的移位測量方法原理為：試驗前先將試樣平行長度的兩端點到初始夾持兩端點的距離用可知刻度的標線進行標識，拉斷試樣后讀取夾具間（初始距離）的增長量L1，同時選擇拉斷試樣上除夾具線外還存在的清晰的標識線b和c，并分別測量其到對應(yīng)端夾具線的距離S1和S2，所以b和c標識線間的距離增長量 L2=L1－S1－S2，斷裂伸長率為 A=（L1－S1－S2－L0）/L0，其中L0為試驗前標識線a和b的原始距離。傳統(tǒng)方法和移位法測量斷裂伸長率的結(jié)果見表3。由表3可知，使用該方法得到的測量結(jié)果比斷裂標稱應(yīng)變結(jié)果明顯要大，同時該方法還能盡量去掉有效測量長度（夾持距離部分）的未變形量，因此可以更真實地反應(yīng)材料的性能。

圖1 試樣拉斷后尺寸標識示意圖

表3 傳統(tǒng)方法和移位法測量斷裂伸長率的結(jié)果對比

（2）對試樣尺寸進行適當?shù)恼{(diào)整，以使圓弧過渡區(qū)盡量不發(fā)生變形，整個變形部分只發(fā)生在平行長度部分，通過對平行長度增長量的測量來計算斷裂伸長率。

GB/T 1040.2中1B型試樣和5A型試樣平行長度部分的寬度（b1）、過渡圓弧的半徑和夾持部分的寬度（b2）不一樣，在實際試驗過程中1B型試樣有更大的寬度比（b1/b2），因此更容易導致過渡圓弧部分和夾持部分的變形。而相對來說，ASTM D 638的Ⅳ型試樣和GB/T 1040.2的5A型試樣夾持部分的變形就比較小。所以，如果對試樣形狀進行適當調(diào)整，也就是適當減小寬度比（b1/b2），就可以更精確地測量發(fā)生在平行長度部分的變形量，從而更好地反映材料的真實斷裂伸長率。

4 結(jié) 論

（1） GB/T 23257—2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》應(yīng)對斷裂伸長率的測量方法進行進一步說明，包括說明斷裂伸長率的定義以及使用的試驗速度，建議參考國外標準使用1B試樣，拉伸試驗速度為50 mm/min。

（2）建議參照GB/T 228.1《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對塑料拉伸試驗斷裂伸長率使用位移法對試驗結(jié)果進行二次判斷。

（3）可對試樣尺寸進行適當改進，保證變形發(fā)生在試樣的平行長度部分，從而得到的斷裂伸長率能更準確和更真實地反映材料的性能。

[1]唐宜平.鋼管3PE防腐涂層的若干理論問題研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[2]GB/T 23257—2009，埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層[S].

[3]ISO 21809-1：2011，石油天然氣管道三層聚乙烯和三層聚丙烯外防腐層[S].

[4]CSA-Z245.21—2010，工廠施用的鋼管外防腐聚乙烯涂層[S].

[5]DIN 30670—2012，鋼管和管件的聚乙烯涂層[S].

[6]DEP 31.40.30.31-Gen，管線鋼鋼管外防腐聚乙烯和聚丙烯涂層[S].

[7]GB/T 1040.2—2006，塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件[S].

[8]GB/T 1040.1—2006，塑料 拉伸性能的測定 第1部分：總則[S].

[9]GB/T 1040—1992，塑料拉伸性能試驗方法[S].

[10]GB/T 228.1，金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].