PE燃氣管道接口脆斷的實驗分析與對策研究

張 偉

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350001）

PE燃氣管道接口脆斷的實驗分析與對策研究

張 偉

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350001）

為了弄清PE燃氣管道接口脆性斷裂的原因，文中對脆斷管道和合格管道的微觀形貌、熱學性能和力學性能進行實驗分析，發(fā)現脆斷管道內部存在的明顯層狀紋理空隙和過多的填料是引起其發(fā)生脆性斷裂的主要原因。同時為了避免此類事故再次發(fā)生，文中從控制混配料的成分、規(guī)范管道的成型工藝、加強生產企業(yè)的檢驗能力和發(fā)揮特種設備檢驗機構的職能作用四個方面提出預防PE燃氣管道焊接接口脆性斷裂的對策與建議。

PE燃氣管道；接口脆斷；實驗分析；對策

隨著我國城鎮(zhèn)化速度的加快，燃氣消費作為一種高熱能、低污染的清潔能源消費尤其是居民消費增長迅速。燃氣管道作為燃氣輸送的重要依托，必須具備安全、穩(wěn)定、高效的性質，才能保證燃氣這種清潔能源利用的可持續(xù)發(fā)展。與傳統(tǒng)的金屬燃氣管道相比，聚乙烯（PE）燃氣管道具有質量可靠、運行安全、維護簡便、價格經濟等優(yōu)點，在燃氣輸送領域發(fā)展迅猛[1]。以美國為例，在20世紀50年代末開始使用PE燃氣管道，到2006年，PE燃氣管道鋪設總里程達到914000公里。我國于1982年在上海鋪設了第一條PE燃氣管道[2]，隨著西氣東輸、川氣東送等輸氣工程的建設，我國PE燃氣管道需求進入一個高速增長階段。由于我國PE燃氣管道技術起步較晚，在管道的生產、安裝、檢測和運行管理方面的經驗不足，以至于管道事故率遠遠高于發(fā)達國家。為了最大限度地降低PE燃氣管道事故的發(fā)生率，提高管道的安全運行水平，對安裝的管道進行檢測至關重要，尤其是管道焊接接口處的檢測[3,4]。雖然PE管道焊接性能優(yōu)異，但是也存在發(fā)生焊接接口斷裂的可能性。福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院在對轄區(qū)內一例PE燃氣管道進行安裝監(jiān)督檢驗時，發(fā)現原本經翻邊檢測、保壓試驗等確認合格的管道，在進行穿越時會在接口處發(fā)生脆性斷裂，后經檢驗員對接口進行破壞試驗，發(fā)現該批次管道所有接口均會發(fā)生脆性斷裂。為了弄清本次事故發(fā)生的原因，同時避免類似事故再次發(fā)生，文中對該批次管道和合格管道的微觀形貌、熱學性能和力學性能進行對比分析，并提出預防PE燃氣管道焊接接口脆性斷裂的對策與建議。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

接口發(fā)生脆性斷裂的PE燃氣管道（簡稱“脆斷管道”）與合格的PE燃氣管道（簡稱“合格管道”）均取自管道鋪設施工現場，未經過進一步處理，直接加工成標準測試樣品，待檢。

1.2 測試與表征

表面形貌利用德國Carl Zeiss公司的Zeiss SUPRA 55 SEM型場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試。熱失重分析(TGA)通過TA儀器公司SDT Q600型熱重分析儀測量，升溫速度10℃/min，N2氣氛。差示掃描量熱(DSC)曲線采用Mettler-Toledo公司DSC 822e型差示掃描量熱儀測量，升溫速度10℃/min，N2氣氛。采用美特斯公司CMT 6104型電子萬能試驗機按GB/T 2567-2008標準測試拉伸強度，拉伸速度10mm/min，按GB/T 9341-2008標準測試彎曲強度，試驗速度2mm/min。利用金建公司XJJD-5型沖擊試驗機按GB/T 2567-2008標準測試沖擊強度，沖擊能為1J。

2 結果與討論

2.1 斷面形貌分析

圖1 合格管道（左）和脆斷管道（右）的斷面形貌

圖1是合格管道和脆斷管道的斷面掃描電鏡照片。圖中顯示，前者的斷面比較光滑致密，沒有觀察到明顯的相分離現象，后者的斷面出現許多明顯的層狀紋理空隙，表明脆斷管道內部的缺陷較多，這是發(fā)生接口脆性斷裂的直接原因。

2.2 熱學分析

圖2 合格管道和脆斷管道的熱失重曲線（左）和DSC曲線（右）

合格管道和脆斷管道的熱學分析如圖2所示。從熱失重曲線可以發(fā)現，兩種管道的熱失重主要發(fā)生在460℃～480℃，對應于PE分子鏈的分解[5]。值得注意的是，當溫度為500℃時，合格管道的熱失重為3.33%，脆斷管道的熱失重為3.65%，這說明脆斷管道中存在更多的不易分解的填料。兩種管道的DSC曲線顯示，合格管道和脆斷管道的熔點分別為116.7℃和114.5℃，熱流量最大值分別位于126.5℃和125.8℃。脆斷管道的熔點較低的主要原因可能是由于過多的填料限制PE結晶，導致PE的結晶尺寸變小，在受熱情況下，PE的分子鏈運動更加容易。

2.3 力學性能分析

表1 合格管道和脆斷管道的力學性能

表1為合格管道和脆斷管道的力學性能。從表1可以看出，與合格管道相比，脆斷管道的彎曲強度略有提高，但是拉伸強度和沖擊強度下降，特別是沖擊強度的下降比較明顯，從33kJ/m2降低到26kJ/m2。這主要是由于一方面脆斷管道的填料較多，另一方面脆斷管道內部有大量層狀紋理空隙缺陷，導致脆斷管道的韌性大幅度下降，焊接接口發(fā)生脆性斷裂[6]。

3 對策及建議

PE燃氣管道具有耐低溫、韌性好、安裝費用低等優(yōu)點，特別是能夠有效避免鋼管、鑄鐵管的腐蝕和接頭泄漏等缺點，已經逐步取代鋼管和鑄鐵管應用于中低壓燃氣輸送領域。為了保證PE燃氣管道安全、穩(wěn)定、高效運行，有效避免燃氣泄漏等事故發(fā)生，文中在對比分析合格管道和脆斷管道的斷面形貌、熱學和力學性能的基礎上，提出下述的對策和建議。

3.1 嚴格控制混配料成分，確保符合國家標準要求

我國國家標準《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第1部分：管道》（GB 15558.1—2003）中對生產PE燃氣管道混配料的選用有明確的規(guī)定，即需要采用具有明確等級且性能穩(wěn)定的混配料生產燃氣管道，混配料的基本性能要嚴格符合國家標準GB 15558.1—2003中表1-17和表1-18的要求[7]。但是，由于目前PE燃氣管道市場競爭激烈，某些生產企業(yè)為了降低成本，采用未標明具體等級的混配料，甚至采用“基礎樹脂+黑色母料”（所謂“白加黑”）為原料生產PE燃氣管道，這樣不僅造成管道市場的不正當競爭，引起整個管道制造業(yè)的混亂，而且會嚴重劣化管道的性能，給管道的正常運行帶來嚴重的安全隱患[8]。

混配料在加工之前不僅要確認其各項性能指標是否滿足國家標準的規(guī)定，而且要檢査原料的包裝是否完整，如果包裝破損，混配料需要經過檢驗部門重新鑒定合格并保證無雜質污染后才能投入使用。因為混配料中的炭黑極易吸水，所以在加工之前，還需要對混配料進行干燥處理。為了避免干燥后的混配料重新吸水，干燥后的混配料應通過密閉的管道輸送進入擠出機的料斗。目前某些生產企業(yè)為了降低生產成本，提高生產效率，縮短干燥時間甚至省去干燥操作，僅在混配料中填加少量干燥劑達到干燥的目的，這在很大程度上降低了產品性能。目前，國家標準中允許在混配料中添加少量潔凈的同種回用料，但是并沒有明確規(guī)定添加回用料的用量，某些生產企業(yè)為了減低成本，加入50%甚至更多比例的回用料也說成少量的回用料。更有甚者，某些企業(yè)添加回收料或者廢料，這嚴重影響了管道性能。

文中討論的脆斷管道經測試分析發(fā)現，高溫分解后殘余物質的量較合格管道的多，這可能是由于生產企業(yè)為了降低成本，一方面省去干燥操作，而在混配料中添加干燥劑，干燥劑主要是一些無機物，在高溫下不易分解；另一方面，在混配料中加入了不符合要求的回用料，甚至回收料或者廢料，引起原材料的成分發(fā)生改變。

3.2 嚴格規(guī)范管道的成型工藝，確保管道的使用性能

目前通常采用單螺桿擠出機成型PE燃氣管道。某些生產企業(yè)為了降低投資成本，采用即有的雙螺桿擠出機成型管道，這可能使PE熔體在雙螺桿擠出機的高剪切作用下發(fā)生降解，降低管道的性能，影響管道的質量。

PE管道的擠出成型工藝過程主要由混配料的處理、擠出成型、冷卻定徑、牽引和切割等工序組成。PE管道在擠出成型過程中，必須嚴格規(guī)范每一道成型工藝操作。某些生產企業(yè)不能嚴格按照每一道工序的操作規(guī)范進行生產，都將在很大程度上降低產品的性能，增加燃氣輸配系統(tǒng)的安全隱患。例如：擠出溫度是促使混配料塑化和熔體流動的必要條件，溫度過低，混配料塑化不均勻，管道內部會出現相分離情況，溫度過高則會引起PE降解，降低管道的力學性能；擠出速度代表擠出成型的實際生產效率，某些生產企業(yè)為了追求生產效率而盲目提高擠出速度，導致PE熔體與料筒或螺桿的摩擦加劇，摩擦熱升高，引起PE降解而影響管道的性能；冷卻定徑主要是控制真空度和冷卻速度，真空度太髙會影響管道的正常擠出，太低會使管坯變形較大，冷卻速度過快易在管道內部產生較大的內應力而引起管道在使用過程中發(fā)生變形，冷卻速度過慢對管道的定型不利。文中討論的脆斷管道的斷面出現許多明顯的層狀紋理空隙，這可能是由于一方面混配料中填料的含量較高，不易分散均勻，另一方面擠出溫度偏低，PE熔體沒有完全熔融塑化。

3.3 加強生產企業(yè)的檢驗能力，提高管道的出廠檢驗水平

國家標準GB 15558.1—2003明確規(guī)定了PE燃氣管道的外觀、幾何尺寸、力學性能、物理性能、標志、檢驗規(guī)則和包裝、運輸、貯存等的要求[7]。由于管道的使用單位除了能檢測管道的外觀和幾何尺寸外，幾乎不具備做任何其他性能檢驗的條件，所以這就需要管道生產企業(yè)嚴把質量關，對每批管道都必須進行嚴格的出廠檢驗，并出具出廠檢測報告。目前，某些生產企業(yè)雖然具備一定的檢測能力，但是檢測設備落后，檢測項目和精度水平都無法滿足國家標準的要求，這種生產企業(yè)出具的管道出廠檢測報告令人質疑；某些生產企業(yè)雖然配備檢測人員，但檢測人員既不具備高分子材料成型與加工方面的專業(yè)知識，又不注重對國家標準和檢驗方法的研究，在日常的檢驗工作中難免會出現偏差，無法保證管道的質量。因此，這就需要管道生產企業(yè)購置先進的檢驗設備以及提高檢測人員的業(yè)務技能。

3.4 發(fā)揮特種設備檢驗機構的職能作用，落實生產監(jiān)督檢驗機制

《特種設備安全法》第十五條規(guī)定，特種設備的生產、經營、使用單位對其生產、經營、使用的特種設備應當進行自行檢測和維護保養(yǎng)，對國家規(guī)定實行檢驗的特種設備應當及時申報并接受檢驗。特種設備檢驗機構應根據企業(yè)的實際情況安排，對PE燃氣管道生產企業(yè)每年不定期地進行2至4次監(jiān)督檢查。一方面判斷生產企業(yè)的規(guī)章制度建設、職工教育培訓、各級安全生產責任制的落實等是否符合要求，另一方面由專業(yè)人員從技術層面檢查PE燃氣管道的混配料、加工設備、加工工藝、包裝、倉儲、運輸等是否符合GB 15558.1—2003的標準要求。對于在檢查中發(fā)現的問題，應該根據問題的嚴重程度分別管理。對于比較嚴重的問題需要書面整改，給企業(yè)發(fā)出安全隱患整改通知書，列出需要整改的內容與建議，給出整改期限，并對整改措施的落實情況進行監(jiān)督。生產企業(yè)要針對整改通知書中列出的整改內容，在規(guī)定的整改期限內嚴肅、認真地進行整改，并隨時準備接受特種設備檢驗機構的監(jiān)督檢查。

4 結論

為了弄清PE燃氣管道接口脆性斷裂的原因，文中對脆斷管道和合格管道的微觀形貌、熱學性能和力學性能進行實驗分析。掃描電鏡照片顯示，合格管道的斷面比較光滑致密，脆斷管道的斷面出現許多明顯的層狀紋理空隙，表明脆斷管道內部的缺陷較多。熱失重和DSC測試結果表明，與合格管道相比，脆斷管道的熱失重率更高，熔點更低，這些都說明脆斷管道中含有更多不易分解的填料。力學性能的測試結果說明，脆斷管道的沖擊強度大幅度下降，這與其填料較多以及內部大量的層狀紋理空隙缺陷有關。同時為了避免此類事故再次發(fā)生，文中從控制混配料的成分、規(guī)范管道的成型工藝、加強生產企業(yè)的檢驗能力和發(fā)揮特種設備檢驗機構的職能作用等四個方面提出預防PE燃氣管道焊接接口脆性斷裂的對策與建議。

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Experimental Analysis and Countermeasures Research on Brittle Fracture of PE Gas Pipeline Interface

ZHANG Wei
(Inspection and Research Institute of Boiler and Pressure Vessel of Fujian Province, Fuzhou 350008, Fujian, China)

In order to find out the reason of the brittle fracture of PE gas pipeline interface, the surface morphology, thermal properties and mechanical properties of the pipeline that the fracture of joint was brittle fracture and qualified pipeline were measured and analyzed in this paper, and the results show that the internal obvious lamellar texture space and too much filler are the main reasons . At the same time, in order to prevent this kind of accident happening, some countermeasures and suggestions are put forward, including controlling the composition of raw materials, regulating the forming process of pipeline, strengthening the testing capability of manufacturing enterprises and consolidating the function of special equipment inspection agency.

PE gas pipeline; Brittle fracture of interface; Experimental analysis; Countermeasure

2016-07-18

福建省質量技術監(jiān)督局科技項目（No: FJQI2013096、FJQI2013086）

張 偉，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，工程師