鋼質(zhì)管道防腐用聚乙烯拉伸性能研究

李 輝，王鵬起，周 權(quán)，張培東，張榮勝

（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222006）

影響聚乙烯拉伸性能的因素有很多，內(nèi)在因素有塑料組分變化、分子量大小及分布、分子結(jié)構(gòu)、分子取向程度和內(nèi)部缺陷等，外在原因有試驗(yàn)儀器、試樣的制備與處理、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)參數(shù)、操作過(guò)程、數(shù)據(jù)處理和人為因素等[1]。本研究重點(diǎn)分析了不同試樣類型產(chǎn)生的拉伸性能差異和部分標(biāo)準(zhǔn)中 “斷裂伸長(zhǎng)率”的取值方法。

1 國(guó)標(biāo)拉伸試樣類型介紹

GB/T 1040.2—2006中6.1部分，“只要可能，試樣應(yīng)為1A或者1B型試樣，直接模塑的多用途試樣選用1A型，機(jī)加工試樣選用1B型”。GB/T 1040.2—2006附錄A：如果由于某些原因不能使用1型標(biāo)準(zhǔn)試樣時(shí)，也可使用1BA等小試樣，只要使小試樣的標(biāo)稱應(yīng)變速率最接近標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的應(yīng)變速率。由小試樣獲得的拉伸試驗(yàn)結(jié)果與用1型試樣獲得的結(jié)果不可比較[2]。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 23257—2009的要求，原材料聚乙烯及其涂層都應(yīng)達(dá)到斷裂伸長(zhǎng)率≥600%，拉伸強(qiáng)度≥20 MPa[3]，但是該標(biāo)準(zhǔn)只是說(shuō)拉伸性能引用 GB/T 1040.2—2006， 而 GB/T 1040.2—2006中有1A/1B/1BA/1BB/5A/5B共6種試樣類型，并未說(shuō)明具體采用何種試樣類型，未明確拉伸速度，故此時(shí)要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合格判斷會(huì)遇到問(wèn)題。而于2017年5月12日發(fā)布，12月1日實(shí)施的GB/T 23257—2017則明確了試驗(yàn)速度為50 mm/min，并且明確了驗(yàn)收指標(biāo)斷裂伸長(zhǎng)率修改為斷裂標(biāo)稱應(yīng)變，同時(shí)對(duì)拉伸性能增加了拉伸屈服應(yīng)力一項(xiàng)[4]，但同樣該標(biāo)準(zhǔn)未說(shuō)明具體采用何種試樣類型，因此對(duì)不同試樣類型之間產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究是有意義的。

2 拉伸取值方法歷史變化

從國(guó)內(nèi)防腐標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，最早從SY/T 4013—1995開(kāi)始[5]， 后被SY/T 0413—2002替代[6]， 當(dāng)時(shí)SY/T 0413—2002參考了 DIN 30670—1991[7]制定，這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率均采用斷裂拉伸應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，直到 2010年8月20日 SY/T 0413—2002被作廢。2009年10月1日，GB/T 23257—2009正式實(shí)施，此時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率的取值就由斷裂拉伸應(yīng)變改成了斷裂標(biāo)稱應(yīng)變，但DIN 30670從1991版到2012版的取值方法一直是斷裂拉伸應(yīng)變，只是2012版將涂層驗(yàn)收要求從1991版的200%提高到了400%[8]。

GB/T 23257—2009中涉及聚乙烯拉伸性能的指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率與拉伸強(qiáng)度，其所引用拉伸試驗(yàn)方法為GB/T 1040.2—2006（之前為GB/T 1040—1992版，與ISO 527.2—1993版等同），在GB/T 1040—1992中，未區(qū)分屈服情況，斷裂伸長(zhǎng)率采用的是斷裂拉伸應(yīng)變，用公式（1）計(jì)算[9]。

式中：εB—斷裂拉伸應(yīng)變，用比值或百分?jǐn)?shù)表示；

ΔL0—試樣標(biāo)距間長(zhǎng)度的增量，mm；

L0—標(biāo)距，mm。

GB/T 1040.2—2006中對(duì)于拉伸性能并無(wú)斷裂伸長(zhǎng)率的定義，其對(duì)聚乙烯的斷裂伸長(zhǎng)率的計(jì)算根據(jù)屈服情況分為兩種，即未發(fā)生屈服而斷裂的試樣采用斷裂拉伸應(yīng)變，發(fā)生屈服之后而斷裂的試樣使用斷裂標(biāo)稱應(yīng)變，用公式（2）計(jì)算。

式中：εt—標(biāo)稱應(yīng)變，以尺寸比值或百分比表示；

Lt—試驗(yàn)開(kāi)始后夾頭間距離的增量，mm；

L—夾頭間距離，mm。

在ISO 527.1—2012中已經(jīng)對(duì)標(biāo)稱應(yīng)變的定義進(jìn)行了進(jìn)一步完善，并規(guī)定標(biāo)稱應(yīng)變的計(jì)算方法有兩種[10]，其中方法A為試驗(yàn)開(kāi)始后記錄夾頭間的位移。同樣用公式（2）計(jì)算標(biāo)稱應(yīng)變。

方法B更適用于存在屈服和變細(xì)的多用途試樣，但要求屈服時(shí)的應(yīng)變是由引伸計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量的。記錄儀器夾頭間的位移，用公式（3）計(jì)算標(biāo)稱應(yīng)變。

式中：εt—標(biāo)稱應(yīng)變，以尺寸比值或百分比表示；

εy—屈服應(yīng)變，以尺寸比值或百分比表示；

ΔLt—試樣屈服后夾頭間距離的增量，mm；

L—夾頭間距離，mm。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，方法B應(yīng)該是GB/T 1040.2—2006定義的取值方法。經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比對(duì)，發(fā)現(xiàn)該方法與方法A所得結(jié)果相差不超過(guò)2%且取值麻煩，也未發(fā)現(xiàn)有同行業(yè)明確采納此公式計(jì)算，本研究未采納。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)從2017年4月開(kāi)始，共統(tǒng)計(jì)了200多個(gè)數(shù)據(jù)，所有試驗(yàn)均在環(huán)境溫度23±2℃、相對(duì)濕度（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行。拉伸試樣及其斷裂后的形狀如圖1所示，圖1（a）從下往上的試樣類別分別為1B/1BA/IV/5A/5型。不同類型試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1中序號(hào)1～3為GB/T 1040.2—2006方法，序號(hào) 4為 ISO 527.3—1995方法[11]，序號(hào) 5為ASTM D638—2014方法[12]，試樣厚度范圍2.27～2.32 mm。從表1結(jié)果看，各試樣斷裂拉伸應(yīng)變和拉伸屈服應(yīng)力偏差不超過(guò)15%，1B、1BA、IV型試樣結(jié)果整體較為接近，而5A、5型試樣斷裂標(biāo)稱應(yīng)變數(shù)據(jù)比1B和1BA試樣偏小25%～40%。這就存在同樣的原材料如果取斷裂標(biāo)稱應(yīng)變判定結(jié)果，使用1B或1BA試樣檢驗(yàn)合格，而用5A試樣檢驗(yàn)可能不合格的情況。

圖1 拉伸試樣及其斷裂后的形狀

表1 批次1聚乙烯原材料壓塑試樣典型拉伸結(jié)果（試樣類型對(duì)比）

表2 批次1聚乙烯側(cè)向纏繞涂層試樣典型拉伸結(jié)果（1B與1BA涂層方向性對(duì)比）

表3 批次1聚乙烯原材料壓塑試樣典型拉伸結(jié)果（拉伸速度對(duì)比）

表2是同一塊涂層分別取1B和1BA試樣各5個(gè)，其中周向1個(gè)、軸向4個(gè)，拉伸速度均為50 mm/min，厚度3.04～3.60 mm。從表2看出：①涂層試樣各向異性現(xiàn)象明顯，兩者周向拉伸都很好，但1B試樣軸向容易出現(xiàn)肩部斷裂，而1BA試樣軸向則不容易出現(xiàn)肩部斷裂；②當(dāng)發(fā)生肩部斷裂現(xiàn)象時(shí)，拉伸強(qiáng)度與拉伸屈服應(yīng)力相等，且比中間斷裂時(shí)數(shù)據(jù)偏小25%左右，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變數(shù)據(jù)軸向比正常中間斷裂值減小30%～70%；③拉伸在中間斷裂時(shí)，數(shù)值波動(dòng)10%～30%；④拉伸屈服應(yīng)力與試樣類型、試樣斷裂的位置、涂層試樣方向關(guān)系不大，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。這也就解釋了國(guó)外防腐標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的是拉伸屈服應(yīng)力，而不是拉伸強(qiáng)度，涂層部分 “斷裂伸長(zhǎng)率”不與原材料采用相同驗(yàn)收要求的原因。

表3是依據(jù)DIN 30670—2012附錄F，對(duì)于1B和5A試樣，分別采用50 mm/min和25 mm/min拉伸速度的對(duì)比[8]，試樣厚度1.94～2.22 mm。由表3可看出，分別采用50 mm/min和25 mm/min拉伸速度時(shí)，5A試樣的主要結(jié)果變化并不明顯，由于該標(biāo)準(zhǔn)采用斷裂拉伸應(yīng)變計(jì)算，而此時(shí)1B和5A結(jié)果偏差不超過(guò)11%，故該標(biāo)準(zhǔn)使用1B或5A均是合理的。而對(duì)GB/T 1040.2—2006，不論采用哪個(gè)速度，兩者斷裂標(biāo)稱應(yīng)變偏差達(dá)25%～35%，1B和5A不能同時(shí)使用。

另外，從對(duì)200多個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體分析結(jié)果來(lái)看，其中1B涂層試樣軸向25個(gè)中有16個(gè)發(fā)生肩部斷裂，占64%；原材料壓塑1B試樣35個(gè)中有14個(gè) （厚度3.5～4.2 mm）發(fā)生肩部斷裂，占40%；1BA涂層試樣軸向35個(gè)中有13個(gè) （厚度3.1～4.6 mm）發(fā)生肩部斷裂，占37%；原材料壓塑1BA試樣15個(gè)（厚度2.0～2.3 mm）中未發(fā)生肩部斷裂。1B試樣周向10個(gè)和1BA試樣周向20個(gè)中未發(fā)生肩部斷裂。這說(shuō)明肩部斷裂與試樣類型、試樣厚度、試樣方向均有關(guān)，試樣越厚、試樣尺寸越大，涂層軸向容易發(fā)生肩部斷裂，而涂層周向很少發(fā)生肩部斷裂。

對(duì)于肩部斷裂和其他異常斷裂產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，拉伸標(biāo)準(zhǔn)ISO 527.1—1993/2012和ASTM D638—2014原則上提到都應(yīng)舍棄不能用來(lái)分析結(jié)果，ISO 527.1—1993/2012則提到對(duì)此種現(xiàn)象應(yīng)在試驗(yàn)報(bào)告中說(shuō)明情況。

4 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防腐材料拉伸要求的對(duì)比分析

國(guó)標(biāo)GB/T23257與國(guó)外常用防腐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于原材料和涂層引用拉伸標(biāo)準(zhǔn)性能部分的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防腐材料拉伸要求的對(duì)比

由表4可見(jiàn)，各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于拉伸性能的描述不一致。從試樣類型來(lái)說(shuō)，其中DIN 30670—2012附錄F規(guī)定拉伸方法采用ISO 527-2，但是試樣類型明確規(guī)定為 1B/5A/5B，CSA Z245.21—2014采用ASTM D638—2014，明確規(guī)定試樣類型為IV型，ISO 21809-1∶2011對(duì)于原材料規(guī)定為ISO 3167—2014中的A/B型（注：分別與具有4 mm厚的ISO527-2中的1A/1B試樣等同），而對(duì)于涂層則規(guī)定只能使用ISO 527-3方法，厚度控制在≤1 mm，試樣類型推薦為1B/5，DEP 31.40.30.31－Gen.February 2011 主要是參考ISO 21809-1∶2009 修改，對(duì)于原材料規(guī)定為A/B型，對(duì)于涂層則參考ISO 527-2方法，試樣類型為1A/1B/1BA/1BB/5A/5B，盡可能用1型。

從取值方法來(lái)說(shuō)，國(guó)外防腐標(biāo)準(zhǔn)都將驗(yàn)收指標(biāo)描述為“Elongation at break”， DIN 30670—2012雖然也是采用ISO 527方法，但其附錄F明確了取值方法為斷裂拉伸應(yīng)變，并且有明確的計(jì)算公式；CSA Z245.21—2014采用 ASTM D638， 而ASTM D638中斷裂拉伸應(yīng)變?yōu)椤癙ercent Elongation at break”，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變?yōu)椤癗ominal strain at break”，其他標(biāo)準(zhǔn)則參考ISO 527取值方法，取斷裂標(biāo)稱應(yīng)變。但評(píng)價(jià)防腐材料的拉伸性能時(shí)，應(yīng)該采用哪個(gè)防腐標(biāo)準(zhǔn)更為科學(xué)，還有待進(jìn)一步研究。

拉伸強(qiáng)度的偏差是指涂層沿鋼管周向和軸向的差值與兩者中較小者的比值?！袄鞆?qiáng)度的偏差”一詞國(guó)內(nèi)最早出現(xiàn)在SY/T 4013—1995標(biāo)準(zhǔn)中[5]。我國(guó)是1995年在陜京天然氣管道和庫(kù)都輸油管道項(xiàng)目中開(kāi)始應(yīng)用3PE防腐技術(shù)的，現(xiàn)已無(wú)法考證當(dāng)初設(shè)計(jì)該指標(biāo)的緣由，但國(guó)標(biāo)一直延續(xù)規(guī)定至今，歷次版本的標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有明晰的計(jì)算方法，這容易導(dǎo)致異議。拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)通常要求周向和軸向各取5個(gè)試樣，其差值有兩種計(jì)算方式，一是周向和軸向試樣一一對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差值；二是周向和軸向兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值的差值。有人認(rèn)為，取平均值的差值也許更為嚴(yán)謹(jǐn)。結(jié)合番禺珠江鋼管公司歷年訂單的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，沒(méi)有任何出口訂單技術(shù)規(guī)格書中提到該指標(biāo)，行業(yè)內(nèi)常用的外國(guó)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于強(qiáng)度都是規(guī)定拉伸屈服應(yīng)力，也未體現(xiàn)這個(gè)指標(biāo)。因此，筆者認(rèn)為“拉伸強(qiáng)度的偏差”對(duì)防腐行業(yè)的實(shí)際指導(dǎo)意義不大，強(qiáng)度方面規(guī)定拉伸屈服應(yīng)力即可。

5 標(biāo)準(zhǔn)在工程中的應(yīng)用

挪威標(biāo)準(zhǔn)DNV-RP-F106中2003/2006/2010版對(duì)于原材料和涂層的拉伸性能要求均引用了ASTM D638和ISO 527，均要求拉伸屈服強(qiáng)度≥20 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率≥400%，而在2011版中對(duì)于聚乙烯原材料則改為拉伸屈服強(qiáng)度≥15 MPa，伸長(zhǎng)率≥600%，拉伸方法僅限于ISO 527，涂層則修改為斷裂伸長(zhǎng)率≥400%，不再?gòu)?qiáng)調(diào)拉伸屈服強(qiáng)度，拉伸方法僅限于ISO527-3，與ISO21809-1∶2011類似。該標(biāo)準(zhǔn)并未提到拉伸強(qiáng)度[18]。

番禺珠江鋼管公司2012年完成的3PE防腐訂單中，要求最嚴(yán)的是用于1 500 m深的荔灣深海管線，該項(xiàng)目原規(guī)格書參考了眾多外國(guó)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，要求聚乙烯拉伸方法采用ASTM D 638中IV型試樣，拉伸屈服強(qiáng)度高達(dá)21 MPa，斷裂拉伸應(yīng)變≥700%，這個(gè)要求對(duì)于國(guó)內(nèi)外原材料廠家來(lái)說(shuō)是非常嚴(yán)格的。但其涂層斷裂伸長(zhǎng)率采用ASTM D638中 I、II型試樣或者 ISO 527中的1型試樣，也就是通常所說(shuō)的“大樣”，斷裂拉伸應(yīng)變≥400%，拉伸強(qiáng)度≥20 MPa即可。由此來(lái)看，GB/T 23257—2017將拉伸強(qiáng)度定為≥22 MPa過(guò)于苛刻。

6 結(jié) 論

（1）不同試樣類型產(chǎn)生拉伸數(shù)據(jù)存在一定差異，對(duì)于同種材料同樣厚度來(lái)說(shuō)，5A型原材料壓塑試樣斷裂標(biāo)稱應(yīng)變數(shù)據(jù)比1B和1BA型原材料壓塑試樣偏小約22%，而1B/1BA/IV型原材料壓塑試樣結(jié)果較為接近，1B涂層軸向試樣比1BA涂層軸向試樣容易發(fā)生肩部斷裂。1B和1BA涂層周向試樣極少發(fā)生肩部斷裂。

（2）新防腐標(biāo)準(zhǔn) GB/T23257—2017對(duì)于拉伸性能技術(shù)參數(shù)的規(guī)定未指明試樣類型，建議參考 CSA Z245.21—2014，規(guī)定試樣類型為1BA，這可避免相關(guān)方對(duì)合格的判斷產(chǎn)生分歧。

（3）建議GB/T23257—2017根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)將聚乙烯涂層斷裂標(biāo)稱應(yīng)變改為≥400%。

[1]張懷志，閻功臣，景麗榮，等.影響塑料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素[J].工程塑料應(yīng)用，2005，33(10)：51-53.

[2]GB/T 1040.2—2006，塑料拉伸性能的測(cè)定 第二部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件[S].

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

[4]GB/T 23257—2017，埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層[S].

[5]SY/T 4013—1995，埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]SY/T 4013—2002，埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7]DIN 30670—1991，鋼管及管件聚乙烯防腐層技術(shù)要求與試驗(yàn)[S].

[8]DIN30670—2012，鋼管和管件的聚乙烯涂層要求和測(cè)試[S].

[9]GB/T 1040—1992，塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[S].

[10]ISO527.1—2012，塑料拉伸性能的測(cè)定第一部分：總則[S].

[11]ISO 527-3：1995，塑料拉伸性能的測(cè)定 第3部分：薄膜和薄片的試驗(yàn)條件[S].

[12]ASTM D638—2014，塑料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法[S].

[13]ISO 21809-1：2011，石油天然氣工業(yè)－管道輸送系統(tǒng)中采用的埋地管道或水下管道的外防腐層－第一部分：聚烯烴防腐層（三層聚乙烯和三層聚丙烯）[S].

[14]CSA Z245.21—2014，工廠施用的鋼管外防腐聚乙烯涂層[S].

[15]ISO 1872-2：2007，塑料 聚乙烯(PE)模塑和擠塑材料第2部分:試樣制備和性能測(cè)定[S].

[16]ISO 3167—2014，塑料 多用途試樣[S].

[17]DEP 31.40.30.31－Gen：2011，管線鋼鋼管外防腐聚乙烯和聚丙烯涂層[S].

[18]DNV-RP-F106—2003/2006/2010/2011，工廠用外部管道涂層腐蝕控制[S].