聚乙烯管道壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

武立文，喬 亮，范峻銘，聞炯明，李兆璞，張 毅*

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518000；3.深圳市燃?xì)廨斉浼案咝Ю霉こ碳夹g(shù)研究中心，廣東 深圳 518000；4.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院（常熟分院），江蘇 常熟 215500）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及天然氣等清潔能源的普及，PE 管道在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。與傳統(tǒng)的金屬管道相比，PE 管道具有耐腐蝕性、耐沖擊性、高韌性、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)良特性，且易加工成型，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨斔秃统鞘薪o排水等領(lǐng)域［1-2］。

目前，中國(guó)已經(jīng)成為生產(chǎn)PE 管道最多的國(guó)家，但是，許多早期鋪設(shè)的PE 管道因材料本身未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)的評(píng)估，為城市生命線工程的安全運(yùn)行埋下了巨大的隱患［3］。管道在服役過(guò)程中承受內(nèi)壓，隨著服役時(shí)間的增加，材料本身的缺陷和復(fù)雜的外部環(huán)境等因素容易引起管道的失效破壞。若發(fā)現(xiàn)和維護(hù)不及時(shí)，可能會(huì)引發(fā)重大安全事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

世界上多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家均建立了金屬管道的失效或事故數(shù)據(jù)庫(kù)，用于指導(dǎo)金屬管道的設(shè)計(jì)、建設(shè)和風(fēng)險(xiǎn)管理，然而對(duì)于塑料管道失效的數(shù)據(jù)庫(kù)則相對(duì)較少［4］，不能較好地對(duì)塑料管道進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。

在現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)PE 管道壽命預(yù)測(cè)方面的理論和模擬研究尚未成熟，同時(shí)也沒(méi)有相應(yīng)完善的設(shè)計(jì)要求和檢測(cè)方法，該領(lǐng)域的發(fā)展仍然不能滿足PE 管道領(lǐng)域的需求，因此需要對(duì)PE 管道壽命進(jìn)行更加深入的研究［5］。

本文綜述了管道的失效模式以及目前國(guó)內(nèi)外PE管道壽命預(yù)測(cè)的方法，結(jié)合管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)未來(lái)管道壽命預(yù)測(cè)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 管道失效模式及失效準(zhǔn)則

1.1 管道失效模式

PE壓力管道的設(shè)計(jì)壽命要求50年以上，在服役過(guò)程中主要承受內(nèi)壓作用。PE 管道失效模式包括長(zhǎng)期蠕變載荷引起的韌性破壞、慢速裂紋擴(kuò)展引起的脆性破壞、沖擊荷載引起的快速裂紋擴(kuò)展及材料老化引起的熱氧老化破壞［6］，圖1為PE管道失效模式示意圖。

在較短時(shí)間內(nèi)，材料承受的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)材料的屈服應(yīng)力時(shí)，由于局部應(yīng)力集中導(dǎo)致管道發(fā)生韌性破壞，破壞點(diǎn)發(fā)生在管壁最薄弱處［7］。PE 管道在較高的壓力作用下產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)蠕變使得管壁逐漸減薄從而導(dǎo)致環(huán)向應(yīng)力不斷增大，管道在宏觀上產(chǎn)生較為顯著的形變［8］。PE 材料是一種半結(jié)晶聚合物，其微觀結(jié)構(gòu)由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)組成。在高應(yīng)力的作用下，無(wú)定形區(qū)中的系帶分子鏈不能支持所施加的應(yīng)力而被拉斷，層狀晶體分解成更小的部分，宏觀表現(xiàn)為管道韌性失效。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，管道的破壞模式由韌性破壞轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)脆性破壞，相應(yīng)的破壞機(jī)理為SCG。在實(shí)際工作狀態(tài)下，管道長(zhǎng)時(shí)間承受較低的壓力，失效模式也主要為脆性或準(zhǔn)脆性失效。服役管道表面不可避免地存在裂紋、孔洞等缺陷，這些缺陷在外力作用下不斷擴(kuò)展，在該過(guò)程中SCG 是PE 管道破壞的主要原因。SCG 擴(kuò)展速度非常緩慢，且不易察覺(jué)，往往使得管道在未達(dá)到預(yù)期使用壽命之前就發(fā)生脆性破壞，造成十分嚴(yán)重的后果。因此，研究PE 材料的SCG性能可以有效避免災(zāi)難性破壞的發(fā)生。

宏觀的慢速裂紋擴(kuò)展在細(xì)觀上表現(xiàn)為銀紋的擴(kuò)展。PE 材料內(nèi)部含有缺陷和空洞，在應(yīng)力和環(huán)境的作用下，缺陷位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，繼而形成銀紋。銀紋結(jié)構(gòu)如圖2［9］所示。當(dāng)銀紋內(nèi)的微纖維被拉長(zhǎng)到一定程度后發(fā)生斷裂，此時(shí)銀紋失去微纖維的約束從而向前擴(kuò)展并形成新的銀紋。在銀紋的斷裂與形成過(guò)程中，裂紋以不連續(xù)的方式不斷擴(kuò)展，最終引發(fā)材料脆性失效。銀紋的擴(kuò)展在微觀上表現(xiàn)為微空洞的形成以及系帶分子鏈的解纏結(jié)與斷裂。在低應(yīng)力狀態(tài)下，系帶分子鏈不斷被拉長(zhǎng)并開(kāi)始松弛和解纏，未發(fā)生解纏的系帶分子鏈應(yīng)力集中加劇。系帶分子鏈不斷被拉斷，裂紋不斷向前延伸，最終導(dǎo)致管道發(fā)生脆性失效。

圖2 裂紋尖端處的銀紋結(jié)構(gòu)Fig.2 Craze structure at the crack tip

在經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸工作后，由于熱氧、光氧老化等影響，管道抗氧化劑的消耗速度加快，導(dǎo)致材料分子鏈斷裂，引發(fā)管道老化失效。PE 分子中的支鏈結(jié)構(gòu)容易與氧發(fā)生反應(yīng)而斷鏈，該過(guò)程主要是依據(jù)自由基反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行的。因此支鏈越多，PE 分子越容易遭受氧的攻擊而發(fā)生分子鏈斷裂現(xiàn)象，PE 管道的抗老化能力越弱。研究發(fā)現(xiàn)，PE 結(jié)晶度越高，材料缺陷越多，在熱氧環(huán)境中越容易氧化，老化現(xiàn)象越嚴(yán)重［10］。一般認(rèn)為熱氧老化是基于游離基反應(yīng)機(jī)理的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，該過(guò)程包括鏈引發(fā)、鏈傳遞和鏈終止3個(gè)過(guò)程，如圖3［11］所示。在這個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中過(guò)氧化物與氫反應(yīng)生成氫過(guò)氧化物，氫過(guò)氧化物受熱后加速分解，加快材料的熱氧化反應(yīng)。熱氧化反應(yīng)使得PE 分子鏈斷裂，宏觀表現(xiàn)為PE 材料變脆，造成PE 管材的脆性斷裂現(xiàn)象。

圖3 PE材料熱氧老化原理Fig.3 Thermal oxygen aging principle of PE material

根據(jù)管道的受力狀態(tài)、外部環(huán)境以及自身材料性能判斷管道的失效模式，通過(guò)宏觀裂紋進(jìn)行管道壽命的研究工作，通過(guò)微觀分析評(píng)估分子結(jié)構(gòu)變化對(duì)材料性能的影響，加快PE 材料的改進(jìn)工作。深入研究管道的微觀失效機(jī)理，將材料的微觀形態(tài)特征與宏觀的裂紋擴(kuò)展行為和老化行為聯(lián)系起來(lái)，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)管道壽命。

1.2 管道失效準(zhǔn)則

通過(guò)對(duì)施加外載荷的PE 管道進(jìn)行力學(xué)性能的分析，可以得到管道的極限應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并以此為標(biāo)準(zhǔn)作為管道失效的界限。當(dāng)超過(guò)設(shè)定的管道失效閾值時(shí)，管道使用將會(huì)受到影響，管道壽命縮短，引發(fā)管道失效。

在人工開(kāi)挖及鋪設(shè)管道的過(guò)程中，PE 管道會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形。較為常見(jiàn)的管道失效準(zhǔn)則有基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則和基于應(yīng)變的失效準(zhǔn)則。在基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則中，PE 管道的屈服應(yīng)力是判斷管道是否失效的臨界應(yīng)力。當(dāng)管道的最大Mises 應(yīng)力超過(guò)其屈服應(yīng)力時(shí)，則認(rèn)為管道失效，見(jiàn)式（1）：

式中σmaxMises——管道最大Mises應(yīng)力，MPa

σ1、σ2、σ3——3個(gè)主應(yīng)力，MPa

σs——管材屈服應(yīng)力，MPa

［σ］——許用應(yīng)力，MPa

nstress——應(yīng)力安全系數(shù)

Luo 等［12］運(yùn)用ABAQUS 模擬在地基沉降作用下的PE 管道，在對(duì)PE 管道進(jìn)行屈服分析過(guò)程中，采用基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則來(lái)判斷管道是否發(fā)生屈服。郭曉曉［13］采用ANSYS 有限元分析方法對(duì)交通載荷作用下埋地管道的安全性進(jìn)行分析，當(dāng)交通載荷為0.4 MPa時(shí)，管道的最大Mises 應(yīng)力超過(guò)其屈服應(yīng)力。陳麗靜等［14］通過(guò)MATLAB 編程對(duì)管道的韌性破壞進(jìn)行了分析，采用基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則來(lái)判斷管道是否發(fā)生韌性破壞。隨著管道性能的不斷增強(qiáng)，基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則不能有效的解決管道的強(qiáng)度問(wèn)題。相比較之下，采用基于應(yīng)變的失效準(zhǔn)則更能充分發(fā)揮管道性能，減少管道的維護(hù)次數(shù)，提高燃?xì)廨斔托省?/p>

在基于應(yīng)變的失效準(zhǔn)則中，管道的極限應(yīng)變是判斷管道是否失效的臨界應(yīng)變。當(dāng)管道的最大等效應(yīng)變大于許用應(yīng)變時(shí)，認(rèn)為管道失效。PE 材料具有高延展性和沖擊強(qiáng)度，抗變形能力強(qiáng)，PE 管道的極限拉伸應(yīng)變可達(dá)30 %。出于安全考慮，一般將管道的極限應(yīng)變?cè)O(shè)為20 %更加符合實(shí)際工程應(yīng)用［15］。管道最大等效應(yīng)變按式（2）計(jì)算：

式中εmax——管道最大等效應(yīng)變

εult——管道極限應(yīng)變

［ε］——許用應(yīng)變

nstrain——應(yīng)變安全系數(shù)

在實(shí)際工程中，PE 管道在外界載荷作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，管道所受應(yīng)力超過(guò)其屈服應(yīng)力，但其應(yīng)變往往未達(dá)到管道的極限應(yīng)變，不會(huì)引發(fā)管道斷裂而造成燃?xì)庑孤┑仁鹿剩?6］。Liu 等［17］通過(guò)有限元模擬對(duì)一工程實(shí)例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開(kāi)挖載荷為4 500 N 時(shí)，管道最大 Mises 應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力。當(dāng)開(kāi)挖載荷為5 000 N時(shí)，管道最大應(yīng)變達(dá)到許用應(yīng)變的20 %。藍(lán)朝遜［18］研究了地質(zhì)沉降作用下管道的破壞情況，結(jié)果表明應(yīng)力會(huì)先于應(yīng)變超過(guò)失效準(zhǔn)則，采用基于應(yīng)變的失效準(zhǔn)則能夠更好地發(fā)揮PE 管材的塑性性能。因此，對(duì)于實(shí)際工程而言，基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則略微保守。在監(jiān)控管道失效破壞時(shí)，可以將2 種失效準(zhǔn)則相結(jié)合，將應(yīng)力失效準(zhǔn)則的報(bào)警時(shí)間作為預(yù)警時(shí)刻，應(yīng)變失效準(zhǔn)則的報(bào)警時(shí)間作為危險(xiǎn)時(shí)刻。通過(guò)失效準(zhǔn)則預(yù)測(cè)管道壽命時(shí)，采用基于應(yīng)變的失效準(zhǔn)則可以節(jié)約管道的維護(hù)成本，增加能源運(yùn)輸效率。

2 管道壽命預(yù)測(cè)方法

塑料管道作為生命線工程的重要組成部分，為維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定和保障民生安全做出了巨大貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為塑料管道的最大生產(chǎn)國(guó)和應(yīng)用國(guó)，燃?xì)夤芫W(wǎng)覆蓋城市人口密集區(qū)域［19］。但目前我國(guó)PE 管道的不合格率仍然較高，管道失效會(huì)引發(fā)泄露或爆炸等事故，嚴(yán)重影響管道的使用壽命。因此，有關(guān)PE管道的壽命預(yù)測(cè)研究是當(dāng)下管道研究的重點(diǎn)，圖4為目前PE管道主要采用的壽命預(yù)測(cè)方法示意圖。

圖4 PE管道壽命預(yù)測(cè)方法Fig.4 Lifetime prediction methods of PE pipes

下面將對(duì)PE 管道的壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行具體描述，對(duì)目前壽命預(yù)測(cè)方法存在的優(yōu)點(diǎn)和局限性進(jìn)行綜述。

2.1 基于長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)的壽命預(yù)測(cè)

長(zhǎng)期靜液壓性能反映了管道承受內(nèi)壓的能力，是塑料管道設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)，分析管道的靜液壓強(qiáng)度能夠?yàn)楣艿赖拈L(zhǎng)期壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。通過(guò)對(duì)管道施加恒定內(nèi)壓和恒定溫度，得到不同溫度和應(yīng)力下的靜液壓強(qiáng)度曲線，試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖如圖5［20］所示，最終得到實(shí)際工作環(huán)境下的管道壽命。靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)失效時(shí)間的計(jì)算方法如式（3）所示：

圖5 PE管道長(zhǎng)期靜液壓曲線Fig.5 Long-term hydrostatic curves of PE pipes

式中t——破壞時(shí)候，h

T——溫度，K

σ——環(huán)向應(yīng)力，MPa

c1～c4——擬合參數(shù)

e——誤差變量，服從正態(tài)分布

Farshad［21］通過(guò)極限應(yīng)力外推法、極限應(yīng)變外推法以及畸變能外推法對(duì)管道壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。對(duì)管道進(jìn)行為期一年的靜水壓試驗(yàn)以及測(cè)量管道力學(xué)性能的短期拉伸試驗(yàn)，得到了管材的環(huán)向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)變和畸變能與管道失效時(shí)間的關(guān)系式。Hoàng等［22］采用靜液壓試驗(yàn)與化學(xué)分析相結(jié)合的方法對(duì)PE100管材的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)抗氧化劑損耗與過(guò)氧化氫氧化產(chǎn)物形成，運(yùn)用Arrhenius公式進(jìn)行外推，所得到的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與通過(guò)靜液壓試驗(yàn)得到的壽命數(shù)據(jù)一致。通過(guò)長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)得到PE管道的環(huán)向應(yīng)力與壽命的關(guān)系曲線，對(duì)管道壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。但該方法往往需要持續(xù)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年之久，對(duì)于新型PE管材的研究與開(kāi)發(fā)有著較大的限制，需要一種快速預(yù)測(cè)PE管道壽命的新方法。

2.2 基于Arrhenius公式的壽命預(yù)測(cè)

隨著管道行業(yè)的不斷發(fā)展，PE 管道的性能也在不斷的提高，通過(guò)靜液壓試驗(yàn)獲得管道壽命曲線需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間且試驗(yàn)得到的靜液壓數(shù)據(jù)較為離散，無(wú)法對(duì)管道壽命進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。因此，如何采用快速試驗(yàn)的方法對(duì)管道的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)是目前研究的重點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，PE 管道長(zhǎng)期受到壓力、溫度、微生物侵蝕等外部環(huán)境的影響，管道老化現(xiàn)象是不可避免的。因此，評(píng)估管道抗老化性能，預(yù)測(cè)管道老化壽命是保障PE 管道安全運(yùn)行的重要支撐。PE 管道的老化方式主要分為熱氧老化、光氧老化、生物老化以及應(yīng)力開(kāi)裂4種形式，一般情況下老化形式以熱氧老化和應(yīng)力開(kāi)裂為主［23］。由于通過(guò)自然老化的方式對(duì)管道壽命進(jìn)行研究的周期過(guò)長(zhǎng)，通常采用人工加速老化試驗(yàn)的方式來(lái)研究管道的老化機(jī)理。蘭惠清等［24］首次搭建了接近工況的承壓燃?xì)釶E 管道的熱氧老化平臺(tái)，得到了不同溫度下的老化管道。通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到了老化后的PE 管道的力學(xué)性能，結(jié)合動(dòng)力學(xué)曲線直線化法和Arrhenius公式，計(jì)算得到常溫下承壓和無(wú)壓PE管道的壽命，熱氧老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6［25］所示。

圖6 熱氧老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermal oxygen aging experimental platform

動(dòng)力學(xué)曲線直線化法是管道壽命推算方法的一種，用來(lái)描述管道性能變化指標(biāo)隨時(shí)間的變化，求出各溫度下的速率常數(shù)（K）值，動(dòng)力學(xué)公式如式（4）所示。利用Arrhenius 公式外推求出常溫下的速率常數(shù)值，從而建立常溫下的性能變化方程。

式中f(P)——老化后PE 管的拉伸強(qiáng)度與老化前拉伸強(qiáng)度的比值

A——指前因子

α——修正因子

將式（4）兩邊取對(duì)數(shù)，對(duì)不同溫度下的材料性能與時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到不同溫度下的速率常數(shù)，而常數(shù)K與溫度T之間服從Arrhenius公式，見(jiàn)式（5）：

式中Z——Arrhenius常數(shù)

E——活化能，kJ/mol

R——摩爾氣體常量，常取8.314 472 J/（mol·K）

通過(guò)式（5）得到不同溫度對(duì)應(yīng)的速率數(shù)值，最終求出管道在實(shí)際工作溫度下的壽命（tT，年），計(jì)算公式如式（6）所示：

沙迪［26］通過(guò)對(duì)不同壓力下老化后的PE 管材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)合Arrhenius 公式對(duì)管道壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，承受內(nèi)壓會(huì)對(duì)管道的老化壽命產(chǎn)生影響。隨著壓力的增大，管道老化速度加快，壽命顯著降低。楊毅［27］基于拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)承受恒定壓力和循環(huán)壓力兩種情況下的PE 管道的熱氧老化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明壓力波動(dòng)的環(huán)境會(huì)加速PE 管道的老化，縮短管道的使用壽命。Chen等［28］通過(guò)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PE管道的斷裂強(qiáng)度隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，并通過(guò)Arrhenius 公式計(jì)算得到管道的熱氧老化壽命為82.29年，符合管道50年的最低使用年限的要求。

上述基于拉伸試驗(yàn)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的方法需要制作大量拉伸試驗(yàn)用到的啞鈴試樣，因此不適合在役管道的檢測(cè)。通過(guò)差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)試材料的氧化誘導(dǎo)時(shí)間（OIT）的方法所需試樣數(shù)量較少，且沒(méi)有嚴(yán)格限制試樣形狀，因此可以采用基于DSC 測(cè)試的方法對(duì)PE 管道的老化壽命進(jìn)行研究。該方法是在高溫氧氣的環(huán)境中運(yùn)行DSC 設(shè)備來(lái)加速測(cè)試PE 材料的老化程度。通過(guò)DSC 可以測(cè)得PE 管材老化前后的OIT 數(shù)值，OIT 是反應(yīng)聚合物抗氧化性能的關(guān)鍵參數(shù)，可以用來(lái)表征PE 管材在老化過(guò)程中的抗氧化能力。最后采用Arrhenius 公式對(duì)管材壽命進(jìn)行計(jì)算，建立PE 管材熱氧老化規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)壽命預(yù)測(cè)模型［29］。

Sanders 等［30］發(fā)現(xiàn)OIT 與管材拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率具有良好的相關(guān)性。通過(guò)將OIT 等化學(xué)性能與管材的力學(xué)性能聯(lián)系起來(lái)，得到管材失效點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的OIT 數(shù)據(jù)，從而根據(jù)DSC 測(cè)試預(yù)測(cè)管道的老化壽命。王洋［31］采用DSC 測(cè)試?yán)匣疨E 管道，得到了基于DSC測(cè)試的承壓燃?xì)釶E 管材的壽命預(yù)測(cè)曲線。通過(guò)計(jì)算證明了在0～0.4 MPa的內(nèi)壓范圍內(nèi)，常溫條件下的PE管道壽命均超過(guò)50年的壽命要求。

PE材料作為一種有機(jī)材料，其自身的老化問(wèn)題不可避免，因此采用加速老化試驗(yàn)預(yù)測(cè)管道壽命有著巨大的工程價(jià)值?；诶煸囼?yàn)預(yù)測(cè)管道老化壽命的方法操作較為簡(jiǎn)便，能夠較快得到管材壽命，從理論上支撐PE管道的安全運(yùn)行。基于DSC測(cè)試的壽命預(yù)測(cè)方法適用于承壓城市燃?xì)釶E管道的壽命預(yù)測(cè)。與基于拉伸測(cè)試的壽命預(yù)測(cè)方法相比，預(yù)測(cè)壽命縮短，可作為預(yù)警壽命使用。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)Arrhenius 公式將加速老化試驗(yàn)外推到較低的溫度以預(yù)測(cè)管道壽命的方法存在一定的誤差，有時(shí)會(huì)得到不切實(shí)際的管道壽命數(shù)據(jù)［32］。因此單純的線性Arrhenius 關(guān)系不足以處理觀測(cè)到的加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要考慮非線性Arrhenius 關(guān)系來(lái)代替線性外推，結(jié)合材料的化學(xué)和力學(xué)性能變化，預(yù)測(cè)出更加可靠的管道壽命［33］。

2.3 基于SCG的壽命預(yù)測(cè)

SCG是指管材在長(zhǎng)時(shí)間、低荷載作用下的破壞機(jī)制與斷裂模式，本質(zhì)上是由蠕變引起，是與時(shí)間相關(guān)的斷裂［34］。在這種失效模式下，管材在斷裂前不會(huì)產(chǎn)生明顯的變形。對(duì)于實(shí)際服役管道而言，SCG過(guò)程占管道蠕變失效時(shí)間的絕大部分，因此工程上常常將管道的慢速裂紋擴(kuò)展時(shí)間（tSCG，h）作為管道的實(shí)際使用壽命（tf，h）。準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)管材SCG過(guò)程能夠?yàn)楣艿朗褂脡勖念A(yù)測(cè)提供重要依據(jù)，管道的使用壽命計(jì)算公式見(jiàn)式（7）：

式中aini——含缺陷管道的初始裂紋深度，mm

af——含缺陷管道的最終裂紋深度，mm

Kpipe——裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子

A、m——管材固有參數(shù)，由材料特性及溫度決定

Kpipe按式（8）計(jì)算：

式中p——管道內(nèi)壓，MPa

r——管道直徑，mm

s——管道壁厚，mm

a——裂紋深度，mm

通過(guò)全切口蠕變?cè)囼?yàn)（FNCT）獲得材料參數(shù)A和m。FNCT 的試驗(yàn)方法為將含有預(yù)制缺口的試樣置于恒溫水槽中進(jìn)行蠕變拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)試樣如圖7［35］所示。

圖7 FNCT試驗(yàn)試樣示意圖Fig.7 Schematic diagram of FNCT test sample

通過(guò)FNCT 試驗(yàn)得到破壞時(shí)間與裂紋張口位移（XCOD）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算求得缺口試樣的dXCOD/dt。在一定條件下，裂紋擴(kuò)展速率da/dt可近似為裂紋張口位移速率dXCOD/dt［36］。結(jié)合Paris冪律模型即可得到參數(shù)A和m，如式（9）所示：

式中KⅠ——應(yīng)力強(qiáng)度因子

F——施加的軸向拉應(yīng)力，MPa

D——試樣寬度，mm

d——試樣剩余截面寬度，mm

FNCT 試驗(yàn)是在較高溫度下進(jìn)行的，由于溫度對(duì)參數(shù)A和m的影響較大，需要進(jìn)行不同溫度下的FNCT 試驗(yàn)，從而求得常溫下的裂紋擴(kuò)展速率da/dt及材料參數(shù)A和m。對(duì)于承壓PE 管道，初始缺陷的典型尺寸在100～400 μm 之間，帶入不同的最終裂紋深度，可以計(jì)算出管道的使用壽命tlife。

賓夕法尼亞缺口拉伸試驗(yàn)（PENT）也可用于測(cè)量管材SCG 速率。其試驗(yàn)原理與FNCT 試驗(yàn)相似，僅試樣的缺口形狀有所不同。制作PENT 試樣缺口的加工速度為0.25 mm/min，試驗(yàn)環(huán)境為80 ℃的水域或空氣。試驗(yàn)試樣如圖8［37］所示。PENT 試驗(yàn)的失效時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但可以觀察到試樣裂紋的擴(kuò)展過(guò)程［38］。FNCT試驗(yàn)的失效時(shí)間明顯縮短，能夠觀察到明顯的慢速裂紋擴(kuò)展特征，更加高效地研究管道的耐SCG 性能，但是不利于觀察裂紋的擴(kuò)展過(guò)程。

圖8 PENT試驗(yàn)試樣示意圖Fig.8 Schematic diagram of PENT test sample

Huang 等［39］通過(guò)FNCT 試驗(yàn)和PENT 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PE 管道焊接接頭的耐SCG 性能低于管道基材部分。王志剛等［35］通過(guò)FNCT 試驗(yàn)得到管材壽命的預(yù)測(cè)公式，計(jì)算了含0.4 mm 初始裂紋的PE 管材的壽命，得到了裂紋深度生長(zhǎng)至5 mm 時(shí)的管材服役時(shí)間為78.98年。Stock 等［40］發(fā)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)變硬化（SH）試驗(yàn)測(cè)得的材料SCG 性能具有較高的重復(fù)性，可以作為一種評(píng)價(jià)管材耐SCG 性能的新方法。該方法所需時(shí)間短、試驗(yàn)重復(fù)性好、結(jié)果重復(fù)性高，引起了學(xué)者的關(guān)注和重視。SH 法的原理為PE 材料在SCG 過(guò)程中會(huì)發(fā)生系帶分子的滑移和解纏而形成銀紋，銀紋在拉伸過(guò)程逐漸增長(zhǎng)為裂紋［41］。在此過(guò)程中，銀紋中的微纖維會(huì)發(fā)生應(yīng)變硬化來(lái)抵抗裂紋擴(kuò)展的趨勢(shì)。這個(gè)固有特征與PE管材的SCG 性能之間有著明顯的正相關(guān)關(guān)系［42，56］。因此可以通過(guò)比較材料應(yīng)變硬化模量的大小來(lái)直觀地表征材料的耐SCG 性能。SH 試驗(yàn)方法為對(duì)啞鈴型試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為80 ℃，將試樣拉伸到自然拉伸比，得到材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。SH 試樣形狀及幾何尺寸如圖9［43］所示。

圖9 SH試驗(yàn)試樣示意圖Fig.9 Schematic diagram of SH test sample

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以看到一個(gè)應(yīng)力陡然增加的應(yīng)變硬化區(qū)間，如圖10［44］所示。該部分曲線的斜率被定義為應(yīng)變硬化模量(Gp，MPa)，見(jiàn)式（10）：

圖10 SH法的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain curve of SH test method

式中N——應(yīng)變硬化區(qū)間中（通常拉伸比8～12）的測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)

σ——試樣拉伸過(guò)程中承受的真實(shí)應(yīng)力，MPa

λ——試驗(yàn)中某時(shí)刻記錄的試樣標(biāo)距間的拉伸長(zhǎng)度與初始標(biāo)距拉伸長(zhǎng)度的比值

Kurelec等［45］發(fā)現(xiàn)PE材料的耐SCG 性能是由裂紋內(nèi)原纖維的破壞決定的，管材的應(yīng)變硬化模量與耐SCG性能密切相關(guān)。朱天戈等［46］通過(guò)對(duì)材料的密度和熔體質(zhì)量流動(dòng)速率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)材料的物理性能參數(shù)不能體現(xiàn)出樣品在耐SCG 性能上的差異。通過(guò)高溫下的拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變硬化模量越大，材料的耐SCG 性能越好。Nezbedova 等［47］將FNCT 試驗(yàn)和PENT 試驗(yàn)的失效時(shí)間與應(yīng)變硬化模量繪制成曲線，并擬合得到了曲線公式。

應(yīng)變硬化試驗(yàn)法能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)材料的耐SCG性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是試驗(yàn)所測(cè)到的應(yīng)變硬化模量與材料壽命之間的關(guān)系尚不明確，仍需進(jìn)一步研究來(lái)明確二者之間的關(guān)聯(lián)，從而預(yù)測(cè)管道壽命。

在壓力和溫度變化復(fù)雜的外部環(huán)境下，管道因疲勞累積產(chǎn)生疲勞裂紋，當(dāng)疲勞裂紋長(zhǎng)度超過(guò)最大允許裂紋時(shí)管道便會(huì)發(fā)生斷裂，造成重大的安全事故。通過(guò)計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展速率可以對(duì)PE 管材的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，將材料發(fā)生破壞時(shí)循環(huán)載荷進(jìn)行的次數(shù)或時(shí)間稱為疲勞斷裂壽命（Nf，h）［48-49］，按式（11）計(jì)算：

式中Ni——裂紋孕育時(shí)間，h

Np——材料剩余壽命，h

相對(duì)于靜態(tài)加載條件下的試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)需要定義載荷比（R）和應(yīng)力強(qiáng)度因子差值（ΔKⅠ），兩參數(shù)的表達(dá)式如式（12）～（13）所示：

在疲勞試驗(yàn)中，施加的載荷為循環(huán)載荷，裂紋長(zhǎng)度隨時(shí)間變化而不斷擴(kuò)展直到試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。裂紋擴(kuò)展速率的定義為每個(gè)加載循環(huán)（N）中裂紋長(zhǎng)度的變化，將單位加載循環(huán)速率與試驗(yàn)頻率（f，Hz）相乘，即可得到材料的裂紋擴(kuò)展速率，見(jiàn)式（14）：

式中C、m——材料、溫度及載荷的相關(guān)系數(shù)

通過(guò)疲勞試驗(yàn)可以較為直觀地觀察到PE 材料的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，記錄疲勞載荷的大小和載荷循環(huán)次數(shù)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算，預(yù)測(cè)管材的疲勞壽命。裂紋圓棒（CRB）試驗(yàn)法結(jié)合了線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）理論和Paris 冪律模型對(duì)PE 管材的壽命進(jìn)行推導(dǎo)，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間短，試驗(yàn)環(huán)境更加貼合管道的實(shí)際工作環(huán)境。CRB試樣如圖11［50］所示。

圖11 CRB試驗(yàn)試樣示意圖Fig.11 Schematic diagram of CRB test sample

通過(guò)對(duì)CRB 試樣進(jìn)行不同載荷比下的疲勞拉伸試驗(yàn)得到裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的動(dòng)力學(xué)曲線。通過(guò)轉(zhuǎn)換得到不同裂紋擴(kuò)展速率下載荷比與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系曲線，并外推得到R=1，即靜載條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。最終將應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到動(dòng)力學(xué)曲線中得到靜載條件下的裂紋擴(kuò)展曲線。外推原理示意圖，見(jiàn)圖12［51］。通過(guò)外推動(dòng)力學(xué)曲線擬合得到參數(shù)A、m，最終通過(guò)式（7）計(jì)算出PE管材的壽命。

圖12 外推至R=1時(shí)的動(dòng)力學(xué)曲線Fig.12 Kinetic curve extrapolated to R=1

CRB 試驗(yàn)中的應(yīng)力強(qiáng)度因子與FNCT 試驗(yàn)的不同，其計(jì)算方法如式（16）所示：

式中KⅠ——應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa·m0.5

Fmax——最大加載載荷，kN

b——剩余截面半徑，mm

aini——初始斷裂深度，mm

R——試樣半徑，mm

f——CRB試樣典型函數(shù)

CRB 試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速預(yù)測(cè)SCG 性能較強(qiáng)的現(xiàn)代PE 管道。Arbeiter 等［52］通過(guò)CRB 試驗(yàn)測(cè)試了5種用于管道的熱塑性材料，觀察每種材料的失效時(shí)間。結(jié)果表明，所有材料在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了準(zhǔn)脆性破壞，材料的疲勞誘導(dǎo)失效曲線在全對(duì)數(shù)圖中均呈線性趨勢(shì)，該方法在原理上適用于其他聚合物材料。Frank等［53］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CRB 試驗(yàn)與其他常用的SCG 測(cè)試方法有良好的相關(guān)性，但測(cè)試時(shí)間明顯縮短，對(duì)于管材SCG 的測(cè)量結(jié)果也有著較高的重復(fù)性和可靠性。楊圳［54］通過(guò)循環(huán)載荷CRB 試驗(yàn)對(duì)PE 管材的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得到了PE80和PE100管材壽命與環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，材料的疲勞壽命隨環(huán)向應(yīng)力的減小而增大。采用CRB 試驗(yàn)對(duì)管道壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，只考慮慢速裂紋擴(kuò)展時(shí)間，忽略了裂紋萌生時(shí)間，使得測(cè)得的管道壽命往往較為保守。

以上研究大多是采用試驗(yàn)的方法加速管材SCG性能的表征，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得材料的力學(xué)性能，進(jìn)而對(duì)管材壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。PENT 試驗(yàn)和FNCT 試驗(yàn)通過(guò)對(duì)試樣施加預(yù)制裂紋可以使得試驗(yàn)時(shí)間大幅減少。但是隨著新型聚合物材料的耐SCG 性能不斷增強(qiáng)，對(duì)管材壽命預(yù)測(cè)所需的試驗(yàn)周期也越來(lái)越長(zhǎng)。SH 試驗(yàn)不需要預(yù)制缺口和表面活性劑，通過(guò)簡(jiǎn)單的拉伸試驗(yàn)對(duì)管材進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。但PE 材料的應(yīng)變硬化響應(yīng)在常溫下具有不穩(wěn)定性，因此需要在較高的溫度（80 ℃）下進(jìn)行，不符合管道實(shí)際的服役環(huán)境。且應(yīng)變硬化模量與管道壽命之間的關(guān)系尚不明確，該方法仍需繼續(xù)深入研究。CRB試驗(yàn)與上述試驗(yàn)的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果有較好的正相關(guān)性，結(jié)果偏差較?。?0］，所需時(shí)間相對(duì)較短。但采用裂紋張口位移來(lái)表征試樣的裂紋深度存在一定的誤差，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)方法，使測(cè)得的管道壽命更加合理。

2.4 基于雙曲本構(gòu)方程的壽命預(yù)測(cè)

PE 作為一種熱塑性材料，具有黏彈性材料特性。對(duì)PE 管材的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)需要考慮其受到長(zhǎng)時(shí)間載荷或變形后的力學(xué)性能，同時(shí)選取合適的本構(gòu)模型對(duì)管材的力學(xué)性能進(jìn)行表征。Suleiman［55］基于PE 的應(yīng)變率效應(yīng)與應(yīng)變率歷史無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，提出率相關(guān)的雙曲本構(gòu)模型，如式（17）所示?；谠撃Ｐ偷玫焦懿牡沫h(huán)向應(yīng)力，通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到管材的屈服應(yīng)力，二者對(duì)比得到管材壽命。

式中a、b——與應(yīng)變率相關(guān)的參數(shù)，MPa-1

PE 管道在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)蠕變使得管壁逐漸減薄從而導(dǎo)致環(huán)向應(yīng)力不斷增大。當(dāng)環(huán)向應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，管道發(fā)生韌性失效，此時(shí)管道服役所經(jīng)歷的時(shí)間即為管道壽命。

運(yùn)用雙曲本構(gòu)模型對(duì)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合，得到模型中參數(shù)與應(yīng)變率之間的關(guān)系，見(jiàn)式（18）：

因此，本構(gòu)方程可表示為式（19）：

將PE 管材看作薄壁圓管，根據(jù)材料力學(xué)可知，環(huán)向應(yīng)力（σθ，MPa）計(jì)算公式如式（20）所示：

式中p——靜水壓力，MPa

d——PE管道直徑，mm

h——PE管道厚度，mm

假設(shè)PE 管道在施加內(nèi)壓的過(guò)程中橫截面積不變化，得式（21）：

式中d0——加壓前管道直徑，mm

h0——加壓前管道壁厚，mm

di——加壓后i時(shí)刻的管道直徑，mm

hi——加壓后i時(shí)刻的管道壁厚，mm

PE 管道i時(shí)刻的直徑與環(huán)向真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系如式（22）所示：

式中εi——管道i時(shí)刻的環(huán)向真實(shí)應(yīng)變

聯(lián)立式（20）、（21）和（22），得到PE 管道i時(shí)刻的環(huán)向真實(shí)應(yīng)力值（σi，MPa）為式（23）：

根據(jù)靜水壓力和加壓速度得到加壓結(jié)束后的應(yīng)變（ε?1）見(jiàn)式（24）：

式中p——靜水壓力，MPa

v——加壓速率，MPa/s

聯(lián)立式（19）、（23）和（24）計(jì)算得到加壓結(jié)束后的環(huán)向應(yīng)變率ε?1。假設(shè)在較短的時(shí)間間隔內(nèi)，PE 管道的應(yīng)變率不發(fā)生變化。以1 h 為單位時(shí)間間隔，根據(jù)式（25）計(jì)算不同時(shí)間下的管道應(yīng)變率。

最后聯(lián)立式（19）、（23）和（25）得到i時(shí)刻的管道環(huán)向應(yīng)力。根據(jù)管道的應(yīng)力失效準(zhǔn)則，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí)，此時(shí)應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為管道韌性失效壽命。

徐成等［8］運(yùn)用雙曲本構(gòu)模型對(duì)PE 管材壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，通過(guò)擬合得到了環(huán)向應(yīng)力和失效壽命的曲線公式與通過(guò)靜液壓試驗(yàn)得到的壽命公式具有相同的形式，證明該預(yù)測(cè)方法的合理性。陳星宇等［57］依據(jù)有限元分析和雙曲本構(gòu)模型相結(jié)合的方法對(duì)含缺陷的PE管材的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到不同缺陷的PE 管道壽命。通過(guò)該方法可以對(duì)不同缺陷、不同應(yīng)力條件下的PE 管道進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，為實(shí)際工程中的管道檢測(cè)提供了一定的理論指導(dǎo)。通過(guò)雙曲本構(gòu)方程可以快速預(yù)測(cè)管道的韌性失效壽命，但是，根據(jù)屈服應(yīng)力判斷管道是否發(fā)生韌性失效的方法較為保守，仍需要進(jìn)一步選擇更加合適的失效準(zhǔn)則。

不同壽命預(yù)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。管道壽命預(yù)測(cè)的核心主要為加速試驗(yàn)，加速試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)楣艿佬阅艿倪M(jìn)一步發(fā)展提供參考，同時(shí)管道性能的提高也可以為改進(jìn)試驗(yàn)方法提供思路。目前加速管道壽命預(yù)測(cè)的方法主要分為通過(guò)基于管道SCG性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和基于Arrhenius公式外推法進(jìn)行預(yù)測(cè)，這些方法忽略了PE材料結(jié)構(gòu)的不均勻性、內(nèi)部缺陷所造成的裂紋加速擴(kuò)展以及外部加載對(duì)材料老化的加速，所得到的管道壽命較為保守。在實(shí)際工作環(huán)境中，PE管道的壽命受環(huán)境和受力狀態(tài)等多個(gè)因素的共同影響。在預(yù)測(cè)管道壽命時(shí)，只有充分考慮外部因素的影響，得到的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果才會(huì)更加合理。因此有必要建立一種考慮多因素耦合影響下的管道壽命預(yù)測(cè)模型，同時(shí)考慮慢速裂紋擴(kuò)展和老化的影響，對(duì)特定環(huán)境下的管道進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)［58］。

3 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)具有一定不確定性和偶然性，不能提前進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)判，但同時(shí)大部分風(fēng)險(xiǎn)是客觀存在的，具有可預(yù)測(cè)性。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，根據(jù)研究結(jié)果做出相應(yīng)的對(duì)策，可以降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性（圖13）。隨著管道服役年數(shù)的延長(zhǎng)，不同程度的損傷和疲勞破壞逐漸顯現(xiàn)，管道風(fēng)險(xiǎn)造成的事故危害程度不斷增加。若對(duì)在役管道的維護(hù)維修不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生老化、腐蝕以及穿孔泄漏等問(wèn)題，造成巨大的損失。因此需要深入研究管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)。

圖13 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法Fig.13 Pipeline risk assessment method

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法一般視為定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的1 種或幾種以上的組合。定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指對(duì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別得到的信息進(jìn)行處理，將風(fēng)險(xiǎn)后果和風(fēng)險(xiǎn)可能性相結(jié)合，從而建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣，確定風(fēng)險(xiǎn)位置。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析，歸納出風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生后果及發(fā)生可能性，進(jìn)一步計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是從定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)展起來(lái)，以風(fēng)險(xiǎn)因素為依據(jù)，根據(jù)各種評(píng)估方法技術(shù)計(jì)算出權(quán)重，最終確定管網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平［59］。在實(shí)際應(yīng)用中，PE 管道事故的發(fā)生難以避免。將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)運(yùn)用在管道領(lǐng)域，對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的權(quán)重計(jì)算，得到管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值［60］。

為了提高服役管道的使用年限，降低管道風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，需要提前確定管道安全等級(jí)和評(píng)估管道可靠性［61］。目前較為常用的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法有專家評(píng)分法、事故樹(shù)分析法、管道指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法、層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法［62］。專家評(píng)分法是一種定性描述定量化方法，借鑒專家的專業(yè)理論知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分，得到總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，需要打分專家具有較強(qiáng)的判斷力和豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，因此最終結(jié)果受主觀因素的影響較大。事故樹(shù)分析法是通過(guò)將可能導(dǎo)致管道事故的因素組合成樹(shù)形結(jié)構(gòu)，對(duì)事故發(fā)生的可能性和后果進(jìn)行分析。該方法能夠?qū)艿朗鹿实母驹蜻M(jìn)行分析，深入揭示事故發(fā)生的潛在原因，更加有效地確定風(fēng)險(xiǎn)防范措施。管道指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法是目前較為系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法將管道風(fēng)險(xiǎn)分為不同的方面，對(duì)每個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估，最終得到總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法。該方法能夠?qū)︼L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估，但是對(duì)于不同的管網(wǎng)系統(tǒng)需要進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的分析方法，該方法將復(fù)雜的問(wèn)題劃分成不同層級(jí)的評(píng)價(jià)單元，從而進(jìn)行系統(tǒng)化的分析。該方法適用于對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各個(gè)因素進(jìn)行分析和綜合評(píng)估，利用較少的定量信息解決較為復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)分析問(wèn)題。模糊綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)隸屬度理論將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，將各種不確定因素的評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)，利用模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)模糊數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該方法具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，適用于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的不確定性進(jìn)行處理。在役PE 管道的風(fēng)險(xiǎn)具有隨機(jī)性和模糊性，是一個(gè)較為復(fù)雜的安全問(wèn)題，在進(jìn)行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)需要將多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法相結(jié)合，從而得到更加準(zhǔn)確可靠的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)貫穿于整個(gè)管道壽命周期，建立在役PE 燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，是確定管道風(fēng)險(xiǎn)檢修周期和管道維護(hù)周期的前提，對(duì)保障在役管道的完整性具有重要意義［63］。管道風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生存在一定的偶然性，第三方破壞、腐蝕、地面運(yùn)動(dòng)、誤操作等都會(huì)造成管道事故的發(fā)生，因此對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過(guò)程中涉及到很多復(fù)雜的因素，需要考慮多方面因素的共同影響。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)展逐漸向智能化和數(shù)字化邁進(jìn)，將管道風(fēng)險(xiǎn)分析方法與人工智能、有限元分析等進(jìn)行結(jié)合，確定PE 管道的安全程度。建立管道的全壽命風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，提高管道的全壽命周期運(yùn)行的安全性和可靠性。將試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，合理運(yùn)用管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)方法，分析不同工況下的管道安全性，減少事故的發(fā)生概率，為管道的安全運(yùn)行提供科學(xué)的保障［64］。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了PE 管道的失效模式和失效機(jī)理，并對(duì)管道壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)歸納。隨著高分子材料的改進(jìn)與發(fā)展，通過(guò)長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)評(píng)估管道壽命的周期越來(lái)越長(zhǎng)，極大地限制了新型PE 材料的研究與開(kāi)發(fā)。老化失效模式下的管道壽命可以運(yùn)用Arrhenius公式法進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法操作簡(jiǎn)便，能夠快速預(yù)測(cè)管道壽命。但是，PE 管道的熱氧老化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，人工加速老化與自然老化之間存在的一定的差異，因此使用Arrhenius 公式測(cè)得的管道壽命可能并不準(zhǔn)確。將拉伸試驗(yàn)得到的屈服應(yīng)力與雙曲本構(gòu)方程得到的環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，得到管道屈服應(yīng)力大于環(huán)向應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率，進(jìn)而預(yù)測(cè)PE 管道的韌性失效壽命。針對(duì)脆性失效模式下的管道壽命可以采用循環(huán)載荷CRB試驗(yàn)的方法測(cè)得管道的耐SCG 性能，通過(guò)外推的方法快速預(yù)測(cè)壽命。相較于其他加速預(yù)測(cè)管道脆性失效壽命的方法，該方法更加接近管道的實(shí)際使用條件。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是管道完整性管理不可或缺的一部分，本文概述了目前較為常用的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，依次介紹了管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較為常用的專家評(píng)分法、事故樹(shù)分析法、管道指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法以及現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)理論中的層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法。在役PE 管道的風(fēng)險(xiǎn)具有一定的復(fù)雜性和模糊性，在未來(lái)的研究中需要考慮更加全面的風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建科學(xué)完善的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的可信度。

隨著有限元模擬和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷發(fā)展，管道的壽命預(yù)測(cè)方法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型也在更新與完善。有限元仿真能夠降低試驗(yàn)成本，更大程度地模擬管道實(shí)際工作情況。通過(guò)有限元軟件建立多物理場(chǎng)耦合作用下的管道模型，研究管道在工作狀態(tài)下的力學(xué)特征，結(jié)合管道失效準(zhǔn)則，更加高效地對(duì)PE 管道的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

目前管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型存在較大的主觀性，未來(lái)可運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析提高管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的可靠性。大數(shù)據(jù)的深度分析以及數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)主要基于大規(guī)模的機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)監(jiān)測(cè)的管道特征數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)迭代，得到最優(yōu)的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行科學(xué)預(yù)防。