橙色燃氣管專用HDPE的性能

王 琳，景政紅，萬小俠（北京燕山石化高科技術有限責任公司，北京市 102500）

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橙色燃氣管專用HDPE的性能

王 琳，景政紅，萬小俠
（北京燕山石化高科技術有限責任公司，北京市 102500）

摘 要：研究了橙色燃氣管專用高密度聚乙烯7600MO的基礎性能，并與同類進口產(chǎn)品（記作GW）進行了對比，分析了其結構與性能。結果表明：7600MO的拉伸屈服應力、彎曲模量以及拉伸斷裂應力均與GW相當；用7600MO擠制的管材通過了長期靜液壓實驗，說明7600MO滿足PE100級管材的分級要求；用7600MO擠制的管材通過耐快速裂紋擴展、耐慢速裂紋增長、耐氣體組分以及耐候性能測試，符合GB 15558.1—2003和ISO 4437：2007要求。

關鍵詞：高密度聚乙烯 管材 PE100級 性能

聚乙烯的柔順性、耐化學藥品腐蝕性、耐低溫性、可焊接性以及“非開挖定向鉆孔”等拓寬了其應用領域［1］，尤其是用聚乙烯擠制的管材的優(yōu)異耐快速裂紋擴展性能（RCP）使其成為低壓燃氣管的首選原料。

國家標準要求擠制燃氣管的聚乙烯必須是PE80或PE100級聚乙烯的混配料。在歐洲，燃氣管混配料以黑色為主，但有的國家橙色PE100級聚乙烯是燃氣管的首選原料。市場上橙色燃氣管專用聚乙烯主要依靠進口，包括：法國Total公司生產(chǎn)的橙色高密度聚乙烯（HDPE）XS10YCF、美國英力士公司生產(chǎn)的橙色HDPE TUB125 N2025、北歐化工有限公司生產(chǎn)的橙色HDPE HE3492-LS［2］。為滿足國內(nèi)市場需求，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司（簡稱燕山石化公司）進行了橙色PE100級燃氣管專用HDPE的研究開發(fā)。

1　實驗部分

1.1主要原料

HDPE，7600M；HDPE，7600MO，以7600M為原料制備而成的橙色混配料：均為燕山石化公司生產(chǎn)。進口PE100級橙色燃氣管專用HDPE（記作GW）。

1.2主要儀器

TP-402-2型熔體流動速率儀，日本TesterSangyo公司生產(chǎn)；Z010型電子萬能試驗機，HIT25P型擺錘沖擊試驗機，均為德國Zwick公司生產(chǎn)；5565型電子拉力萬能材料試驗機，美國Instron公司生產(chǎn)；AR-160型自動比重計，日本長島計量器制作所生產(chǎn)。

1.3實驗方法

熔體流動速率（MFR）按GB/T 3682—2000測試；密度按GB/T 1033.1—2008測試；拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測試；彎曲性能按ISO 178：2010測試；簡支梁缺口沖擊強度按ISO 179-1：2010測試；管材性能按GB 15558.1—2003［3］和ISO 4437：2007［4］測試。

2　結果與討論

2.1基礎性能

從表1看出：3種管材專用HDPE的MFR均較小，僅0.20～0.30 g/10 min，所以需較高的加工溫度。而7600MO與7600M的MFR相當，說明7600MO保留了原料7600M的加工性能。與GW相比，7600MO的MFR偏小但相差不大。

表1　管材專用HDPE的基礎性能Tab.1 Basic performance of HDPE for pipe

聚合物結晶度越高，其密度越大，抗張強度越高，但相應的沖擊強度會降低；反之，結晶度越小，密度越小。這是因為結晶度高，分子排列緊密，分子間孔隙小，分子活動受阻。表1中，GW的密度較7600MO略大，說明7600MO與GW結晶度相當，間接表明7600MO力學性能與GW相近。

從表1還看出：7600MO的綜合性能較好，拉伸屈服應力、拉伸斷裂應力、彎曲模量均與GW接近。拉伸屈服應力直接影響管材的短期靜液壓性能，較高的拉伸屈服應力能保證管材在使用過程中免遭破壞，延長管材使用壽命；而較高的彎曲模量使管材能承受埋地環(huán)境和負荷的需要；優(yōu)異的抗沖擊性能可保障管材在安裝過程中發(fā)生碰撞時不會被損害。

2.2管材性能

2.2.17600MO的分級

長期靜液壓強度通過ISO 9080：2003中的外推法獲得。外推過程是按ISO 9080：2003規(guī)定的溫度和壓力進行液壓實驗，然后將各數(shù)據(jù)進行多元線性回歸，建立溫度、管材破壞時間（t）和管內(nèi)靜液壓應力（σ）三者間的關系：σLPL=σ（θ，t，0.975）（θ表示溫度；σLPL指靜液壓強度置信下限，表示為包含θ和t的一個函數(shù)），然后依據(jù)數(shù)學模型在σ～t的雙對數(shù)坐標上描繪出一簇曲線，曲線直觀地給出了管材在各溫度、σ條件下的靜液壓強度。

2013年，燕山石化公司委托國際權威管材料等級認證機構—瑞典Exova實驗室對7600MO進行等級評定。從圖1看出：20 ℃條件下，管材保持50年不破裂時的靜液壓強度為10.26 MPa，即σLPL（20 ℃，50年，0.975）=10.26 MPa。壓力管材所用原料的分級標準是：當管材的σLPL為10.00～11.19 MPa，最小要求強度（MRS）=10.00 MPa，HDPE原料即為PE100級。圖1數(shù)據(jù)說明7600MO達到PE100級。從圖1可推測，用7600MO擠制的管材使用壽命達100年，說明用7600MO擠出的管材具有優(yōu)異的長期使用性能。

圖1　用7600MO擠制的管材的長期靜液壓實驗結果Fig.1 Long-term hydrostatic test results of pipe made from7600MO

2.2.2耐候性

用7600MO擠制的管材在瑞典Exova實驗室進行了耐候性實驗。從表2看出：用7600MO擠制的管材通過了耐候性認證，滿足ISO 4437：2007的要求。

2.2.3RCP性能

RCP是在有壓力的塑料管道中與縱向裂紋快速不穩(wěn)定擴展有關的破壞類型［5］。目前，評價RCP性能較為成熟的方法有全尺寸實驗和S4實驗。S4實驗是RCP性能的小規(guī)模（小尺寸）穩(wěn)態(tài)實驗［6］。全尺寸實驗臨界壓力≥1.5MOP（MOP為最大工作壓力），S4實驗的臨界壓力（pc，S4）≥MOP/2.4-0.072［3］。對S4實驗進行評價，將MOP=2MRS/C （SDR-1）［C表示總體使用（設計）系數(shù)，SDR為標準尺寸比，即管材公稱直徑和公稱厚度的比值］代入pc，S4計算公式得pc，S4≥0.34 MPa。

用7600MO擠制的管材的RCP性能檢測結果顯示，pc，S4為0.34 MPa，滿足GB 15558.1—2003中pc，S4≥0.34 MPa的要求，即用7600MO擠制的管材通過RCP性能測試。

表2　7600MO耐候性能實驗結果Tab.2 Resistance to weathering of 7600MO

2.2.4耐慢速裂紋增長（SCG）

根據(jù)脆性斷裂的裂縫理論，所有實際存在的制品表面不可能不存在裂縫和缺陷（如表面劃痕、內(nèi)部夾雜、微空等），裂縫尖端處的應力集中達到或超過某一臨界條件時，裂縫會失去穩(wěn)定性而發(fā)生擴展，當裂縫貫穿管材壁，管材便遭到破壞。裂縫的增長速率可能相當慢，數(shù)年或者數(shù)十年，稱之為SCG［7］。用7600MO擠制的管材在80℃，0.92 MPa條件下的SCG時間為2 211 h，滿足指標（≥165 h）的要求。

2.2.5耐氣體組分性能

取32 mm×3 mm的管材，管材內(nèi)部冷凝液為質(zhì)量分數(shù)50%的正癸烷（純度99%）和質(zhì)量分數(shù)50%的1，3，5-三甲基苯的混合物，狀態(tài)調(diào)節(jié)1 500 h后進行80 ℃、環(huán)應力為2 MPa的靜液壓實驗，即管材耐氣體組分實驗，ISO 4437：2007要求管材靜液壓實驗超過20 h無破壞即滿足要求。

用管材輸送的燃氣中含有苯等芳香烴化合物，苯溶劑會滲入管材，出現(xiàn)溶脹，管材物理性能下降。管材強度降低，影響其使用壽命。用7600MO擠制的管材試樣經(jīng)耐氣體組分測試26 h后完好無損，通過了測試。

3　結論

a）7600MO綜合性能較好，達到GW的水平。

b）用7600MO擠制的管材通過PE100級定級認證，7600MO滿足PE100級管材用原料的要求。

c）用7600MO擠制的管材性能符合GB 15558.1 —2003和ISO 4437：2007的要求，通過RCP，SCG，耐氣體組分性能以及耐候性能測試。

4　參考文獻

［1］ 鮑光復.國內(nèi)聚乙烯燃氣管專用料的開發(fā)現(xiàn)狀及市場［J］.現(xiàn)代塑料加工應用，2011，23（5）：47-53.

［2］ 張春宇，李連鵬，王碩，等. 國內(nèi)外聚乙烯燃氣管材專用料的發(fā)展概況［J］. 彈性體，2013，23（5）：67-73.

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Study on performance of HDPE for orange pipes of gaseous fuels

Wang Lin，Jing Zhenghong，Wan Xiaoxia
（Beijing Yanshan Petrochemical High-Tech Company Limited，Beijing 102500，China）

Abstract：High density polypropylene（HDPE）7600MO is observed on the basis of performance and compared with imported materials（GW）used for orange pipes of gaseous fuels. The structure and properties of these materials are analyzed as well. The results show that the tensile stress at yield，flexural modulus and tensile stress at break of 7600MO has reached the level of imported GW. The pipe performance of 7600MO passes through the pipes long-term hydrostatic test and meets the requirements of PE100 material grading. It also passes the rapid cracking propagation，slow cracking growth，resistance to gas constituents and resistance to weathering test，in line with the requirements of GB 1558.1—2003 and ISO 4437：2007.

Keywords：high density polypropylene； pipe； PE100 level； performance

作者簡介：王琳，女，1988年生，助理工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學（北京）材料科學與工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事合成樹脂加工與應用研究工作。聯(lián)系電話：（010）69343903；E-mail：wanglin03.yssh@sinopec.com。

收稿日期：2015-12-22；修回日期： 2016-03-15。

中圖分類號：TQ 325.1+2

文獻標識碼：B

文章編號：1002-1396（2016）03-0056-03