HDPE壓力管材專用料的分級與評價

趙長江

摘 要：介紹了國內(nèi)外相關(guān)標準對HDPE壓力管材專用料的壓力分級、耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴展性評價的方法和要求，影響HDPE壓力管材耐裂紋擴展和應(yīng)力開裂的因素。

關(guān)鍵詞：HDPE管材專用料；壓力分級；慢速裂紋增長；快速裂紋擴展

1 HDPE壓力管道專用料的分級

同一溫度T下的試驗數(shù)據(jù)運用統(tǒng)計學(xué)根據(jù)四參數(shù)模型進行線形回歸，得到在此溫度下的長期靜液壓強度σLTHS。分別將不同溫度的數(shù)據(jù)回歸，得到不同溫度的σLTHS。σLTHS的單位為兆帕，它表示在溫度 T 和破壞時間 t 預(yù)測的平均靜液壓強度。σLTHS的意義是指，在溫度T下，試驗靜液壓應(yīng)力為σLTHS時，破壞時間能達到t的概率為50%。

1.3 根據(jù)預(yù)測靜液壓強度的置信下限對專用料進行分級

值得說明的是，壓力管道專用料的分級只是表明了不同材料耐長期靜液壓蠕變的能力，而實際使用中管材的破壞往往是與管材成形加工和運輸施工中形成的表面缺陷和應(yīng)力集中等因素密切相關(guān)的，因此除了對管材專用料進行壓力分級，對管材耐裂紋擴展和應(yīng)力開裂性能的系統(tǒng)評價也是十分必要的。

2 HDPE壓力管道的抗裂紋擴展能力

塑料壓力管道在加工、運輸、施工安裝過程中不可避免地會產(chǎn)生表面的撞擊和刮擦，形成表面缺陷和應(yīng)力集中部位。這些表面缺陷和應(yīng)力集中部位在長期壓力作用下，形成的微裂紋會不斷擴展，最終導(dǎo)致管材的破壞。因此，抗裂紋擴展能力是壓力管材評價的重要內(nèi)容。HDPE壓力管道的裂紋增長主要有兩種模式，即慢速裂紋增長（Slow Crack Growth，SCG）和快速裂紋擴展（Rapid Crack Propagation， RCP）。相應(yīng)的評價方法即耐慢速裂紋增長能力和耐快速裂紋擴展能力。

2.1 管材表面微裂紋和應(yīng)力集中部位產(chǎn)生的原因

管材表面微裂紋和應(yīng)力集中部位產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：（1）成型加工過程形成的熔合縫（尤其是直通式管材機頭）；（2）鋪設(shè)施工過程中的表面刮擦，形成微裂紋缺陷（尤其是現(xiàn)在新興的非開挖鋪管技術(shù)更容易在管材表面造成傷害）；（3）管道底床中的突出物或不當回填使管材局部受力造成的應(yīng)力集中。

2.2 耐慢速裂紋增長能力評價

壓力管材的慢速裂紋增長（SCG）是在長時間、小負荷作用下，因管材表面不可能避免的裂紋，裂縫的尖端處應(yīng)力集中，達到和超過某一臨界條件時，裂紋失去穩(wěn)定性而發(fā)生擴展，當表面微裂紋緩慢擴展至一定長度或壁厚時，致使管材失效。SCG過程相當緩慢，是壓力管道失效的主要模式，過程經(jīng)歷較長時間，是衡量管道壽命的重要因素。

ISO13479規(guī)定了管材耐SCG性能的測試方法，用缺口管材的耐靜液壓實驗的破壞時間來表示，它適應(yīng)于壁厚不小于5mm的管材。GB/T18476是ISO13479的等效標準。其基本原理為：在管材外部用機械加工的方法沿軸向制造4個缺口，然后將管材置于80℃的恒溫水浴中.進行靜水壓實驗，記錄管樣的破壞時間。破壞時間來表征聚乙烯管材抗慢速裂紋增長的能力。

管材抗慢速裂紋增長的能力是研究HDPE壓力管材長期性能和使用壽命的重要指標。HDPE管材的耐慢速裂紋增長能力通常強于其他材料的塑料管材。

2.3 耐快速裂紋擴展能力評價

壓力管材的快速裂紋擴展（RCP）是指管材受外力沖擊或內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋，沿縱向高速擴展，造成管材大面積瞬間破壞的現(xiàn)象。RCP不是HDPE壓力管道的常見破壞模式，快速開裂是一種偶發(fā)性事故，但一旦發(fā)生，裂紋將以100-500m/s的速度迅速擴展幾米至幾千米，造成大面積泄漏事故和災(zāi)難性后果。燃氣管的安全運行絕對不能允許快速開通事故的發(fā)生。

壓力管道RCP破壞的機理并不清楚，是目前研究的熱點。但以下事實得到廣泛認同：（1）低溫時更容易發(fā)生RCP破壞；（2）薄壁和大口徑管材有更大的RCP破壞風險（Dn≥4 inches）；（3）RCP破壞通常是脆性破裂，管線受到突然沖擊時易于發(fā)生；（4）單峰分布HDPE管材提高耐RCP能力的同時會降低耐 SCG能力；雙峰分布可綜合提高其性能。

HDPE壓力管材耐RCP能力有兩種，一種是小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗測試（Small Scale Steady State，S4 test），參照標準為ISO13477和GB/T19280-2003（等效）；另一種是全尺寸試驗（Full Scale Test，F(xiàn)ST），適用于dn≥250mm的管材，參照標準為ISO13478。

基本原理：一定溫度下（通常是0℃），管材內(nèi)部充滿一定壓力的介質(zhì)，在其一端施加沖擊造成管材快速軸向開裂，如果裂紋長度a≤4.7dn時，定義為裂紋終止，則應(yīng)提高試驗壓力，直至出現(xiàn)一臨界壓力，使得沖擊形成的裂紋長度a>4.7dn，定義為裂紋擴展，該臨界壓力的大小就表示管材抵抗裂紋擴展能力。

對于燃氣輸送用的HDPE壓力管材，通常要求其小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗的臨界壓力不小于最大操作壓力的1/2.4倍，全尺寸試驗的臨界壓力不小于最大操作壓力的1.5倍。

耐快速裂紋擴展性能是預(yù)測管道安全性能，預(yù)防重大開裂事故的最主要指標，但我國對于RCP現(xiàn)象和測試的研究非常少。只有國家化學(xué)建材測試中心（材料部）在2003年才完成了聚乙烯燃氣管材耐快速裂紋擴展方法研究，2003版的GB/T15558《燃氣用聚乙烯管道系統(tǒng)》才首次將該指標其列入其中。

3 結(jié)束語

文章簡要介紹了HDPE壓力管材專用料的壓力管道專用料的壓力分級、耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴展性評價的標準和方法。這三項指標對于承壓HDPE管材，尤其是燃氣用途管材，都是最為重要的物理性能指標，新版壓力燃氣管材國家標準GB/T 15558要求原材料廠商、管材加工廠都要進行測試，是國家壓力容器和管道安全許可強制要求的檢驗項目。國內(nèi)樹脂原料生產(chǎn)單位應(yīng)在該領(lǐng)域開展深入研究，緊跟國際發(fā)展趨勢和市場步伐，盡快將PE100等高等級管材專用料國產(chǎn)化。

參考文獻

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[3]GB/T18476-2001.流體輸送用聚烯烴管材 耐裂紋擴展的測定切口管材裂紋慢速增長的試驗方法 切口試驗[S].

[4]GB/T19280-2003.流體輸送用熱塑性塑料管材 耐快速裂紋擴展（RCP）的測定小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗（S4試驗）[S].