交聯聚乙烯內襯管浸泡后環拉伸測試

張建強(西安石油大學材料科學與工程學院， 陜西 西安 710065)

交聯聚乙烯內襯管浸泡后環拉伸測試

張建強(西安石油大學材料科學與工程學院， 陜西 西安 710065)

管環拉伸試驗是國內外常用的測試石油管道材料性能的工藝試驗方法之一。文章通過對H+水溶液，煤油和水介質浸泡前后的交聯聚乙烯(PEXa)管環拉伸試驗測試探討了浸泡介質對管環拉伸后強度的影響，為油氣田集氣輸運中PEXa作為復合管內襯的介質適應性給予評價。

交聯聚乙烯管;管環拉伸；浸泡溫高壓釜

0 引言

熱塑性塑料增強(RTP)管材大部分是三層結構,內層是耐腐蝕、耐磨損的聚乙烯等塑料管材,中層是增強的纏繞層(纏繞的材料有高強度合成纖維,玻璃纖維,碳纖維和細金屬絲多種),外層是保護用的聚乙烯層。為了提高聚乙烯層的物理、機械性能,耐應力開裂性和耐熱性,往往采用交聯的辦法加以改性得到PEX[1-3]。PEX在油田環境介質中的性能會隨著時間的推移和介質的流動而發生變化，這些變化的評判可以借助很多手段，其中之一就是環拉伸測試。

環向拉伸方法的提出，最早是應用于核反應堆中，為了評價管的環向性能而建立的一種力學性能測試方法[4]。為了研究應用于VVER核反應堆的未經照射的Zr-lNb鍍層管的力學性能，阿貢國立實驗室進行了Zr-lNb鍍層試樣的環向拉伸實驗 (Ring Stretch Tensile Tests)[5-6]。 在S. Arsene 和J. Bai進行的環向拉伸基礎上，進行了一定的改進。環向拉伸主導思想是在拉伸過程中始終保持管材試樣的弧形形狀。在傳統管材軸向拉伸基礎上，設計了帶有標距的管材環形拉伸試樣，通過弧形嵌塊的設計，使得在拉伸過程中標距段盡量保持原始曲率，不發生展平，試驗夾具是三嵌塊環向拉伸裝置(見圖1)。現在，在環向拉伸主導思想不變的前提下，對裝置進行了改進(圖1b)。

圖1 環向拉伸裝置

1 試驗

1.1 試驗材料和設備

PEXa(交聯度67%～85%)，電子天平，鼓風干燥機，超聲清洗儀和美國Cortest鎳基合金制備的容積2升的靜-動態高

1.2 前期輔助試驗

拉伸試驗前期主要是輔助試驗，高溫高壓釜浸泡試驗。筆者用將近8周的時間做了前期的浸泡。每個試樣到預設的齡期后進行測試。

浸泡液的制備：

A、蒸餾水: pH=7.0～7.5(中性)

B、取濃鹽酸21.29mL，加水至2500mL,配制0.1mol?L-1的鹽酸

C、煤油(上海哈斯太潤滑油有限公司)

在高溫高壓釜中進行三次試驗蒸餾水,介質分別為:蒸餾水,鹽酸,煤油.pH =7.0～7.5,實驗條件如表。試驗溫度45℃，保護氣體N2，壓力10MPa，試驗時間1000h。每組樣品做完浸泡后進行換拉伸試驗。

1.3 試驗儀器及裝置

試驗設備為SHT4106微機控制伺服萬能試驗機，配有電腦控制程序和數據處理軟件，試驗數據可從軟件中直接讀出。測試過程使用拉力盤。將浸泡前后的試樣裝在拉力盤上。均勻、連續地對試樣施加載荷(加載速度1mm/min),直到失效點,失效點為拉力最大點，從軟件上讀取，并做好相應的記錄。

2 結果和分析

2.1 拉伸強度的表征和計算

拉伸強度的表征和評價方法與鋼材的拉伸表征類似，可以通過拉力值或強度值來表示，其中力值可以直接從試驗儀器所連接的電腦上讀出，而強度則需要將力值除以截面積，

即 R=F/(2bt)，

式中：R為拉伸強度；F為破斷力(本文采用在拉伸過程加載力的失效點處的拉力)，給出了失效點的解釋。；b為管環寬度；t為管環壁厚。

對于常規的拉伸試樣，受力和變形方向在同一條垂直線上，往往失效部位都是變形量最大的位置，以變形最大處的伸長率作為試樣的伸長率，這往往是便于觀察試樣在拉伸過程和拉伸以后表面的視覺變化，變形量最大的部分表面上看會出現云紋斑的圖案，這主要是由于加載應力使得交聯聚乙烯鏈段的排列和伸縮發生變化所致。本文重點不放在伸長率上，所以沒有測量其變形的伸長率，只是記錄失效時的拉伸強度。

2.2 與不同浸泡液浸泡后，拉伸強度隨浸泡時間變化的測試

無論是非晶態高聚物還是晶態高聚物, 其溶解過程都必須經歷兩個階段:溶脹和溶解。根據聚合物溶解過程的熱、力學分析而知,只有當高聚物與溶劑的溶度參數(接近或相等時,溶解過程才能進行，這就很容易理解圖1和圖2中所示，在水介質中拉伸性能變化較小，這主要是由于水介質溶解度參數(δH2O=23.5)和有機物的溶解度參數(一般為10左右)差別大，對交聯聚乙烯的溶脹，溶解等相互作用較差，而在煤油中則正好相反，其相似相溶，使得交聯聚乙烯的破壞加劇，因而表現在浸泡后力學性能測試上拉伸強度較小[4，5]。以下是相關試驗數據。

通過原始試驗數據，可以得到三種浸泡環境對比原始樣的拉伸強度變化圖(圖2).同時引入強度保留率判斷材料強度的變化，令材料的強度保留率為η,可以得到

η=σt/σ0式中：σt為浸泡后的拉伸強度；σ0為材料原始拉伸強度。上述

實驗中，三種浸泡液浸泡后的強度保留率

(ηHCl,10h表示試樣在HCl環境浸泡10h后強度保留率，其它類似)通過圖表(圖2)可以看出，三種浸泡環境在10h，100h，1000h浸泡后的拉伸強度變化。拉伸強度 明顯和浸泡液以及浸泡齡期有關。

試驗數據表明拉伸強度都隨對試樣浸泡時間的延長而減小。這主要是交聯聚乙烯在煤油中的溶脹 溶解所致。交聯聚乙烯溶解性能的大小與其結晶度有密切關系。結晶度高，結晶區內大分子排列緊密。浸泡液首先交聯聚乙烯的非結晶區，產生溶脹。如果結晶度不高，溶脹會破壞結晶，促使結晶區向非結晶區轉化，而后溶解[6]。同一浸泡時間，在三種浸泡環境中，煤油對拉伸強度的影響最大，這和我們上面進行的理論分析是完全一致的。通過數據，看以看出，前期的拉伸強度變化稍大些，其斜率的絕對值大于后段時期拉伸強度對時間的斜率的絕對值。而且數據是非線性變化的，具有交聯結構的高聚物, 由于交聯聚乙烯三維交聯網的存在, 吸收浸泡液到一定程度可能就達到溶脹平衡。

圖2 交聯聚乙烯管材(黃色)浸泡后環向拉伸強度隨時間變化關系圖

3 結語

(1)提出了采用拉伸強度指標來評定管環拉伸性能的方法可有效適用于不同浸泡介質和不同浸泡時間的交聯聚乙烯管，試驗結果穩定可靠。拉伸強度可以用R＝F/(2bt)來計算，其中b為管環的寬度，t為管環壁厚。

(2)水介質浸泡對交聯聚乙烯的拉伸強度影響最小，而煤油的影響最大。隨著浸泡時間的增加，交聯聚乙烯的拉伸強度減小。

[1]黃琳,孫晶，非金屬復合管在油氣長輸管道工程中應用的可行性石油科技論壇[J].2013年06期:23-25.

[2]張月華，熱塑性塑料管材的性能及使用[J] 齊齊哈爾大學學報 2006，(06)：107.

[3]袁銀海.淺談PE 管在人工煤氣輸配系統中的應用[J].煤氣與熱力,1993,(6):28-31.

[4]張玉川,王德禧.增強熱塑性塑料(RTP)復合管材的發展[J].上海建材,007年01期:20-21.

[5]S.Arsense and J. Bai. A New Approach to Measuring Transverse Properties of Structural Tubing by a Ring Test. Journal of Testing and Evaluation. 1996,24(6):386-391.

[6]S.Arsene,J.B.Bai.A New Approach to Measuring Transverse Properties of Structural Tubing by Ring Test-Experimental Investigation. Journal of testing and Evaluation.1998,26(1):26-30.

[7]uses forthe solubility parameter Christopher D.Vaughan Cosmetic&Toiletries 1991，11，47-71.