燃氣輸配聚乙烯壓力管道環(huán)境影響因素及對策

申麥茹，鐵文安，李艷芳

（1 陜西省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，陜西西安 710048；2 陜西延長涇渭新材料科技產(chǎn)業(yè)園有限公司，陜西西安 710075；3 陜西華山勝邦塑膠有限公司，陜西西安 710043）

聚乙烯原材料是一種以聚乙烯為基料的共聚物混合材料，材料中必須添加一定量的抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和碳黑（僅適用黑色混配料）等添加劑來防止氧化。由于聚乙烯(PE) 管材具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂和抗震破壞性能好等優(yōu)點，己成為城鎮(zhèn)中、低壓燃氣管道的首選，然而作為一種高分子有機材料，容易受光氧化、熱氧化、臭氧分解，在紫外線作用下容易降解，受輻射后可發(fā)生交聯(lián)、斷鏈、形成不飽和基團等反應(yīng)，其老化問題不可避免，也是影響燃氣管道壽命和使用安全性的重要因素之一［1-4］。中低壓城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道工作溫度限定為-20～40 ℃，由于燃氣介質(zhì)溫度通常為常溫，其工作溫度主要取決于周圍環(huán)境溫度［5］。本文根據(jù)80℃恒溫老化試驗后的氧化誘導(dǎo)時間、熔體質(zhì)量流動速率、拉伸性能、斷裂伸長率、靜液壓強度測試數(shù)據(jù)，分析環(huán)境溫度對材料各性能指標的影響規(guī)律，給出了聚乙烯燃氣管道的設(shè)計、制造、運輸和儲存、使用環(huán)節(jié)受環(huán)境溫度影響應(yīng)采取的應(yīng)對措施，避免和減少環(huán)境溫度對聚乙烯管道壽命的影響。

1 80℃恒溫老化試驗

1.1 試樣準備

采用PE100 燃氣專用混配料（型號為HE3490LS），按照GB 15558.1-2018 加工成黑色dn63mm×en5.8mm(4條黃色色條) 及dn63mm×en3.6mm(4 條橙色色條) 的管材。采用機加工制成GB/T 8804.3-2003 中I、II 型啞鈴試樣。試樣規(guī)格及代號如表1、圖1 所示。并將試樣按不同時間段分類并標識，試樣數(shù)量與老化時間的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表1 試樣規(guī)格及代號Table 1 Sample specification and code

表2 試樣數(shù)量（ 件) 與老化時間對應(yīng)關(guān)系Table 2 The corresponding of sample quantity and aging time

圖1 A、B、C、D 四種試樣Fig.1 Samples A, B, C and D

1.2 試驗儀器與設(shè)備

管材擠出機，型號LEP45-50，瑞典Labtech 公司；80℃恒溫實驗箱， HAM2003，丹麥HAM 公司；差示掃描量熱儀（DSC），型號DSC214，德國NETZSCH 公司；熔體流動速率測試儀，型號MF20，美國INSTRON 公司；電子拉力萬能試驗機，型號Model E44，美國美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司；管材耐壓爆破試驗機，XGNB-N-B。

1.3 試驗方法及項目要求

將制成的試樣置于80℃恒溫水中，在累計放置時間( 不受應(yīng)力) 分別為6、12、13、14、15、16、17、18、19 個月時，對不同老化時間段試樣進行氧化誘導(dǎo)時間、拉伸性能、熔體流動速率、靜液壓試驗。試驗項目及要求見表3。

表3 試驗項目及要求Table 3 Test items and requirements

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗結(jié)果

經(jīng)80℃恒溫老化試驗后試樣的氧化誘導(dǎo)時間、熔體質(zhì)量流動速率、斷裂伸長率、拉伸強度、靜液壓強度試驗數(shù)據(jù)與老化時間段的對應(yīng)關(guān)系分別如圖2～圖5、表4所示。

圖2 氧化誘導(dǎo)時間Fig.2 Oxidation induction time

圖3 熔體質(zhì)量流動速率Fig.3 Melt mass flow rate

圖4 斷裂伸長率Fig.4 Elongation at break

圖5 拉伸強度Fig.5 Tensile strength

表4 不同時間段靜液壓強度數(shù)據(jù)Table 4 Hydrostatic strength data in different time periods

2.2 試驗結(jié)果分析

（1）氧化誘導(dǎo)時間

試驗結(jié)果顯示，經(jīng)80℃恒溫老化試驗，累計6 個月時試樣的氧化誘導(dǎo)期最長為18min，最短為13.1min，均低于標準要求的20min。 說明聚乙烯材料氧化誘導(dǎo)時間受環(huán)境溫度（高溫）影響較大，很快發(fā)生氧化。

所謂氧化誘導(dǎo)時間就是人為改變管材的使用環(huán)境（氧氣、氮氣、室溫），提高氧氮密度與壓力、環(huán)境溫度（200℃），測試極端環(huán)境條件下材料發(fā)生自動催化氧化反應(yīng)的時間［2-3］。氧化誘導(dǎo)時間是評價材料成型、儲存、焊接、使用過程中自身熱穩(wěn)定性的最重要指標，是管材發(fā)生質(zhì)變產(chǎn)生脆性破壞的原因之一，其直接影響管材的擱置壽命和使用壽命。氧化誘導(dǎo)時間越長，材料的熱穩(wěn)定性越好，壽命越長。

（2）熔體質(zhì)量流動速率

試驗結(jié)果顯示，80℃恒溫老化時間達19 個月，其熔體質(zhì)量流動速率仍在合格范圍內(nèi)。

熔體質(zhì)量流動速率是表述塑料在一定溫度和壓力下熔體流動性的參數(shù)，同時間接表述塑料平均分子量的高低。平均分子量越低，熔體流動速率則越大，則表示塑料熔融狀態(tài)下流動性好；平均分子量越高，熔體流動速率越小，則表示塑料熔融狀態(tài)下流動性差。該指標是選擇材料和牌號的重要參考指標。而熔體流動速率經(jīng)80℃恒溫老化試驗，并不能改變其分子量的高低，因此測試數(shù)據(jù)并未發(fā)生太大變化，試驗溫度下（不受應(yīng)力）對材料的熔體質(zhì)量流動速率影響不大。

(3)斷裂伸長率、拉伸強度

斷裂伸長率是材料在拉伸斷裂時的伸長率，表征在拉伸試驗條件下的材料韌性。斷裂伸長率數(shù)值越高，材料抗變形能力越強。拉伸強度是材料從塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是在靜拉伸條件下的較大承載能力，它表征材料較大均勻塑性變形的抗力。說明試驗溫度（不受應(yīng)力）對材料的強度影響不大。

試驗結(jié)果顯示，最長經(jīng)過19 個月的80℃恒溫老化試驗，除了個別斷裂伸長率低于350% 外，其余斷裂伸長率、拉伸強度試驗結(jié)果均滿足標準要求。

（4）靜液壓強度

試驗數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過長達19 個月的80℃恒溫老化試驗，靜液壓試驗結(jié)果為無破壞、無滲漏。

靜液壓強度試驗是在一定溫度下對管材原材料及加工工藝的短期內(nèi)綜合考量，與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。通過GB/T 18252-2008《塑料管道系統(tǒng) 用外推法確定熱塑型塑料管材材料以管材型式的長期靜液壓強度》來預(yù)測在一定溫度、壓力的長期使用壽命。經(jīng)80℃恒溫老化試驗，在不考慮其他因素的情況下，試驗溫度下材料靜液壓強度試驗無損壞、無泄漏，說明材料及加工工藝符合要求。

3 應(yīng)對溫度影響的措施

80℃恒溫老化試驗，只考慮高溫，未考慮低溫、應(yīng)力、介質(zhì)、氧、紫外線、光等影響的情況下進行試驗。試驗結(jié)果顯示，環(huán)境溫度對材料氧化誘導(dǎo)時間影響最大，其余性能指標未見明顯異常。在進行聚乙烯燃氣管道設(shè)計、制造、運輸和儲存、安裝、使用、定期檢驗過程中應(yīng)關(guān)注環(huán)境溫度對其性能的不利影響，并采取相應(yīng)措施規(guī)避環(huán)境溫度對聚乙烯燃氣管道引起的安全風險。

3.1 根據(jù)工作溫度進行壓力折減

工作溫度指管材內(nèi)外環(huán)境的年度平均溫度。對于埋地敷設(shè)的聚乙烯燃氣管道，管內(nèi)燃氣通常為常溫，相對恒定，管道的工作溫度主要取決于管道埋深處周邊地溫，通常與陽光照射、地表狀況、深度等因素有關(guān)，且處于變化中。研究表明，地溫變化隨深度增加急劇降低, 通常在1.0～1.2 m 后趨于恒定；地表狀況對地溫有明顯影響,混凝土地面處地溫高于綠化帶地面；陽光照射對地溫提高有影響, 但較?。?］。因此，聚乙烯燃氣管道設(shè)計時應(yīng)考慮管道埋設(shè)處的溫度，確定管道的工作溫度，按工作溫度對最大允許工作壓力Pmax=MOP/DF［MOP 為最大工作壓力（MPa），以20℃為參考工作溫度］ 進行折算。工作溫度下的壓力折算系數(shù)見表5。中間溫度按內(nèi)插法計算。

表5 工作溫度下的壓力折算系數(shù)Table 5 Pressure conversion coefficient at operating temperature

3.2 按設(shè)計使用年限考慮材料強度

聚乙烯管道的強度是指其應(yīng)用到50 年的強度。其在使用過程中，不僅受到溫度的影響外，還會因應(yīng)力、介質(zhì)、氧氣等因素的影響發(fā)生老化，材料的強度會隨者時間的推移逐漸下降。同時，由于應(yīng)力作用，會發(fā)生應(yīng)力松弛。因此，設(shè)計時應(yīng)按使用年限考慮材料強度。

3.3 控制抗氧化劑、光穩(wěn)定劑、碳黑（黑色管材）用量

抗氧化劑可有效抑制和延緩聚乙烯混配料的自動氧化降解，光穩(wěn)定劑可提高材料抵抗紫外線的破壞能力，碳黑是有效的光屏蔽劑。通過控制其添加量可提高成型過程中熱穩(wěn)定性。

3.4 保證管道埋設(shè)深度

《城鎮(zhèn)燃氣工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50028) 規(guī)定, 城鎮(zhèn)市政燃氣管道埋深通常在0.8～1.2 m。此深度受陽光及地表狀況影響較小，管道埋深處的溫度相對比較恒定，有利于管道工作溫度相對穩(wěn)定。若埋深不能滿足設(shè)計有求時，應(yīng)采取加套管等保護措施。

3.5 不得進入和穿過熱力管溝敷設(shè)，保證與熱力管道間水平及垂直凈距

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)標準》第4.3.2 條規(guī)定，應(yīng)保證燃氣管道外壁溫度不超過40℃。熱力管道通常因介質(zhì)溫度較高，使其周圍環(huán)境溫度升高，可能導(dǎo)致相鄰的聚乙烯燃氣管道外壁超過40℃，使其發(fā)生老化，使用壽命減少。聚乙烯燃氣管道與熱力管道之間水平和垂直距離應(yīng)滿足CJJ 63-2018 中表1、表2 要求。當受到地形限制時，不能保證與熱力管道水平及垂直凈距時，可采取有效的隔熱防護措施，如架設(shè)混凝土套管，必要時套管內(nèi)充填絕熱材料、采用防護板等措施［5］。

3.6 運輸和儲存過程防曝曬、雨淋、遠離熱源并采取防紫外線措施

光、溫度、濕度、紫外線均使聚乙烯材料發(fā)生老化。在運輸或臨時施工存放中應(yīng)采用遮蓋物遮蓋。儲存時應(yīng)存放在溫度不超過40℃的倉庫（存儲型物理建筑）或半露天堆場（貨棚內(nèi)），應(yīng)有防紫外線照射的措施。 生產(chǎn)到使用期間，累計受到太陽能輻射量超過3.5GJ/m2時，累計接受的能量可根據(jù)我國各地太陽能輻射總量參考表6 進行估算，或按規(guī)定存放時間超過4 年，應(yīng)對其進行抽檢。

表6 我國主要氣候類型的年太陽能總量參考表Table 6 Annual solar energy total reference table for main climate types in China

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)標準》3.1.3 條管材抽檢的項目包括靜液壓強度、電熔接頭的剝離強度和斷裂伸長率。但根據(jù)80℃恒溫老化試驗結(jié)果分析，氧化誘導(dǎo)時間對材料溫度比較敏感，因此建議先進行氧化誘導(dǎo)時間抽檢，其合格后再進行其他項目抽檢。

3.7 控制焊接時環(huán)境溫度，并按環(huán)境溫度對焊接參數(shù)進行修正

熱熔或電熔連接時環(huán)境宜在-5～40 ℃范圍內(nèi)，若低于-5℃，應(yīng)采取保溫措施，夏季應(yīng)有遮陽措施，避免管子高溫時焊接后溫度變化引起縱向回縮后導(dǎo)致接口開裂。同時根據(jù)環(huán)境溫度對焊接溫度進行修正。

3.8 鋼塑轉(zhuǎn)換接頭焊接鋼管段接頭時應(yīng)對鋼塑過渡段采取降溫措施

鋼塑轉(zhuǎn)換管件的鋼管段與鋼管焊接時，防止鋼管端焊接熱量傳遞給鋼塑邊界時，由于塑料熱阻較大，熱量容易在鋼與塑料邊界處聚集造成此處溫度過高，局部過熱引起材料性能改變，應(yīng)對鋼塑過渡段采取降溫措施，并應(yīng)確定好降溫位置。

3.9 管道采用蜿蜒敷設(shè)

采用管道蜿蜒敷設(shè)，克服溫差引起的軸向變形，使管道不受約束隨溫度變化自由活動。

4 結(jié)束語

光、濕度、紫外線、溫度等因素均可加速管材的老化，溫度作為對管材性能影響條件之一，應(yīng)避免管材在高溫下運輸和儲存、使用。若進行復(fù)檢時應(yīng)考慮抽檢材料的氧化誘導(dǎo)時間。在定期檢驗中，應(yīng)重點抽查管道埋深不夠、裸露或鋼塑過渡部位的材料力學(xué)性能，防止因溫度的影響造成的材料老化問題。