燃氣用聚乙烯管道的老化檢測

劉書宏 丁 菊 朱旭晨

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 （上海 200062）

聚乙烯（PE）是乙烯經(jīng)聚合反應(yīng)制得的一種塑性高分子材料，具有力學(xué)性能優(yōu)異、質(zhì)量輕、柔韌性好、耐腐蝕、耐低溫等優(yōu)點，兼具極好的電絕緣性、易加工成型性和化學(xué)穩(wěn)定性等。隨著我國石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，聚乙烯的生產(chǎn)和使用均突飛猛進，其產(chǎn)量約占塑料總產(chǎn)量的1/4，用量居各合成樹脂之首，尤其在燃氣管道、建設(shè)工程等行業(yè)大量應(yīng)用。目前，在我國中低壓燃氣管網(wǎng)中，聚乙烯管道的使用比例已經(jīng)超過50%。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》和CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程》中，聚乙烯管材是首選管材，并成功應(yīng)用于高壓燃氣管道建設(shè)中[1-2]。

雖然聚乙烯具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，但老化是聚乙烯管道無法避免的主要失效形式。在加工、貯存和使用過程中，管道由于光、熱、氧、臭氧、水分、工業(yè)有害氣體、微生物等外界環(huán)境因素的作用常發(fā)生老化，如熱氧老化、光氧老化等[3]。老化不僅會使管材外觀質(zhì)量變差，也會因物理和化學(xué)性能產(chǎn)生不可逆的變化而造成老化損傷，具體表現(xiàn)為力學(xué)性能下降、電絕緣性能下降等，最終使其因使用性能下降而喪失利用價值，給安全生產(chǎn)埋下隱患。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在聚乙烯管道建設(shè)時需進行靜液壓強度試驗、熱穩(wěn)定性試驗（氧化誘導(dǎo)時間）、斷裂伸長率測試，以評價管材的耐老化性能。大量的在用聚乙烯管道，隨著使用時間的延續(xù)，由于各種原因?qū)е碌睦匣療o法避免，亟需作老化檢測，以確保其安全使用[3-5]。

1 在役聚乙烯管道老化檢測

目前，國內(nèi)外基本通過取樣試驗來評價在用聚乙烯管道的老化行為和老化程度。取樣試驗都具有破壞性，難免對管道造成損傷，甚至影響其繼續(xù)使用。國內(nèi)外對于在役聚乙烯管道的老化檢測難題，還沒有提出有效的檢測方法。國內(nèi)在用管道檢驗檢測標(biāo)準(zhǔn)中更缺乏聚乙烯管道老化評估的手段[6-7]。我國燃氣管道長度已經(jīng)超過100萬km，應(yīng)用比例達到90%以上。國內(nèi)最早一批的聚乙烯管道已經(jīng)運行超過30年，且仍在繼續(xù)運行。由于聚乙烯管道傳輸?shù)亩际歉吒g性或者易燃易爆介質(zhì)，管道一旦發(fā)生失效，后果十分嚴重。因此，對在役聚乙烯管道老化檢測技術(shù)的需求十分迫切。

目前，國內(nèi)還沒有燃氣用聚乙烯管道或設(shè)備的老化評估標(biāo)準(zhǔn)，TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》、《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程（試行）》、TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則——長輸（油氣）管道》、TSG D7004—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則——公用管道》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等都沒有給出聚乙烯材料的老化評估方法和評估準(zhǔn)則，使得燃氣管道的老化檢驗檢測缺乏依據(jù)。

2 檢測方法

材料損傷的表征或評估主要采用試樣分析法。試樣分析法是指從工程構(gòu)件上切取部分材料，對其進行力學(xué)性能、化學(xué)成分等分析，從而評估管道損傷狀態(tài)和剩余使用壽命。常用的聚乙烯老化檢測方法主要有目視觀察法、靜液壓試驗法、拉伸試驗法、熱穩(wěn)定性（氧化誘導(dǎo)時間）等。國外學(xué)者Pages等將高密度聚乙烯（HDPE）暴露在惡劣的天氣條件下，研究其老化行為。通過傅里葉紅外光譜（FTIR）和差熱分析法（DSC）研究其降解過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化（如氧化、歧化和聚合物鏈斷裂），發(fā)現(xiàn)通過1474/1464 cm-1處峰的變化可以表征結(jié)晶度的變化[8]。

試樣分析法需要在被檢測聚乙烯管道上取樣，而取樣對燃氣管道具有一定程度的破壞，檢測結(jié)果也需要一定時間的實驗室分析?，F(xiàn)實中，燃氣用聚乙烯管道是公用領(lǐng)域的關(guān)鍵特種設(shè)備，無法停車檢驗，同時需要及時提供檢測結(jié)果，尤其是埋地聚乙烯管道。因此，研究針對現(xiàn)場應(yīng)用聚乙烯管道的老化無損檢測方法十分關(guān)鍵。

3 非線性超聲檢測方法

非線性超聲檢測是利用聲波傳播時與材料微觀結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生的非線性響應(yīng)進行材料性能的表征和微損傷的檢測。研究表明，非線性超聲能夠克服傳統(tǒng)無損檢測方法的不足，有效表征材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，如位錯演化、微裂紋萌生等，從本質(zhì)上反映了微損傷對材料非線性的影響[9]。

非線性超聲是新興的無損檢測技術(shù)，研究人員已經(jīng)將其應(yīng)用于非金屬材料的檢測。Cantrell等[10]的研究表明，材料疲勞退化失效過程的每一個階段，都可以用非線性系數(shù)表征。焦敬品等[11]用二次諧波非線性效應(yīng)研究了有機材料熱老化評價問題，提出用非線性損傷因子評價有機材料熱老化損傷；王麗梅等[12]利用非線性超聲檢測環(huán)氧樹脂的固化深度，經(jīng)希爾伯特-黃變換（HHT）處理后的三次諧波相對幅值能對固化過程中的各個相變點進行有效表征。Demenko等用混頻非線性超聲法對聚氯乙烯（PVC）的物理老化過程進行了研究，結(jié)果表明非線性超聲對高分子材料的老化具有很高的靈敏度，但混頻非線性超聲對激勵信號的波型要求苛刻，且所需檢測裝置復(fù)雜；Ma?eika[13]對聚乙烯材料的超聲特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)聲速隨厚度的增加而降低，平均聲速隨頻率發(fā)生變化，衰減隨厚度增大而增加、隨頻率增加而增大。

國內(nèi)外學(xué)者紛紛利用非線性超聲檢測技術(shù)分析聚氯乙烯材料的物理老化過程，但由于聚乙烯和聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)不同、老化方式不同，因此試驗方法和結(jié)論不具備通用性。盡管有學(xué)者對聚乙烯的超聲特性進行研究，但沒有建立其老化與超聲檢測信號的數(shù)學(xué)關(guān)系，且未提取聚乙烯的非線性特征參數(shù)。

非線性超聲振動的波動方程可表示為：

其中：A1為基波幅度，A2為二次波幅度，u（x，t）為 x方向的振動位移。

非線性超聲檢測中，最常用的是采用A2/A12表示非線性系數(shù)；有時也采用總諧波失真表示非線性特征（THD），如式（4）所示。

其中：An是n次諧波幅度，一般可取二次諧波和三次諧波。

常用的非線性超聲檢測信號特征值還包括諧波幅度、非線性系數(shù)、總諧波失真、非線性聲波衰減系數(shù)等參數(shù)。

4 結(jié)語

燃氣用聚乙烯管道屬于特種設(shè)備壓力管道，與民生關(guān)系極其密切，因此在定期檢驗中進行老化的無損檢測十分必要。目前的無損檢測方法中，非線性超聲能夠進行管道的老化檢測，但是還處于研究開發(fā)階段；未來，聚乙烯管道的非線性超聲檢測將是研究熱點。