聚乙烯管材應變硬化模量與裂紋擴展速率相關性研究

李茂東，陳國華，楊 波，黃曉之，王志剛

(1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣州 510663；2. 華南理工大學安全科學與工程研究所，廣州 510641)

0 前言

PE管道同金屬管道相比，具有耐化學腐蝕、質輕、壽命長、易施工、抗沖擊性和抗震性好、環保和易成型等優點，已被世界各國公認為城市燃氣輸送管網的最佳選擇[1]。PE管材在長期承壓情況下容易發生慢速裂紋擴展(SCG)導致脆性破壞并造成泄漏[2]。SCG可定義為在管材應力集中部位產生裂紋并在相當長時間內以穩定速率逐漸擴展的一種失效行為，在PE管材投入實際使用前必須嚴格地評價PE管材的耐SCG性能[3]。PE燃氣管道系統被稱為現代城市的“生命線”。PE燃氣管網分布在城市地下的角角落落，周邊的人口、商業和企業眾多。一旦發生事故會引發火災、爆炸、中毒等惡性事故，造成的經濟損失慘重、社會影響惡劣、還存在嚴重的環境污染。

當前評價PE管材耐SCG性能的傳統試驗方法主要包括切口管試驗(NPT)、單邊缺口拉伸試驗(PENT)、全缺口拉伸蠕變試驗(FNCT)、錐體試驗等。這些方法大多通過對試樣預制缺口，然后再將試樣放置在高溫的表面活性溶液中使其發生SCG。然而試驗時間冗長、制樣步驟復雜、試驗數據不穩定等因素使這些方法存在一定的局限性，難以支撐PE管材性能快速發展的需求[4]。因此，研究者們一直著力于開發出更快、更可靠的SCG試驗方法。在這其中，一種由沙伯基礎工業公司開發出的新SCG試驗方法 - 應變硬化試驗法[5]因試驗時間短、數據穩定性強的特點引起了業內高度關注。該方法通過在80 ℃下對厚度很薄的啞鈴型試樣進行拉伸并得到相應的拉伸曲線，對該曲線中出現應力陡然增加部分進行線性擬合，并將線性擬合得到的線段斜率，即應變硬化模量作為評價材料耐SCG性能的一個直接度量。通過與NPT、FNCT、PENT等傳統SCG試驗方法進行大量的循環對比試驗后，驗證了應變硬化模量與PE管材耐SCG性能之間的確存在明顯的正相關性[6-8]。另一方面，不同于用試樣失效時間來對PE管材耐SCG性能進行表征的NPT、FNCT、PENT等方法，錐體試驗是將預制缺口管材在承受環向應變并浸沒在80 ℃的表面活性溶液下測得的裂紋擴展速率作為耐SCG性能表征[9]，目前對裂紋擴展速率與應變硬化模量之間的相關性的研究仍比較欠缺。

本文采用應變硬化試驗得到3種不同牌號的PE100管材試樣的應變硬化模量，并將其與通過錐體試驗得到的裂紋擴展速率進行相關性研究，旨在用該相關性驗證應變硬化試驗評價PE管材耐SCG性能的正確性。

1 實驗部分

1.1 主要原料

選取3種不同牌號雙峰相對分子質量分布的管材級PE100黑色顆粒料，并分別編號為PE1、PE2、PE3；

PE1，共聚單體為1 - 己烯，黑色，中國石油獨山子石化公司；

PE2，共聚單體為1 - 己烯，黑色，沙伯基礎工業公司；

PE3，共聚單體為1 - 丁烯，黑色，中國石油吉林石化公司;

分別由PE1、PE2、PE3管材顆粒料擠出而成的3種管段試樣，試樣規格為DN63-SDR17.6，長度為150 mm。

1.2 主要設備及儀器

電動加硫壓片機，XH-406B，東莞錫華檢測儀器公司；

帶高低溫箱電子萬能試驗機，Z020，德國Zwick/Roell公司；

恒溫水槽，SC-25A，上海汗諾儀器公司；

黃銅錐體，根據管段試樣規格尺寸定制，東莞精建自動化設備有限公司。

1.3 樣品制備

根據ISO18488標準，分3個步驟制取應變硬化試驗所需的啞鈴型試樣；首先在180 ℃、5 MPa的條件下，將PE顆粒原料放入壓片機的1 mm模框中壓塑5 min，然后以15 ℃/min的平均冷卻速率將其冷卻至常溫，脫模后得到1 mm的薄片；接著將薄片放入烘箱內，120 ℃下放置1 h，然后使試片緩慢冷卻至室溫；最后從薄片中切出啞鈴型試樣，試樣總長度為70 mm，端部寬度為20 mm，厚度為1 mm；

根據GB/T 19279開展錐體試驗，由于標準中并未明確指出恒溫水槽的具體制作材料；常用恒溫水槽的內層和加熱管均由鋼制成，而表面活性溶液在80 ℃的環境下會隨著試驗時間增長發生老化而使pH值降低，酸性提高[10];換言之，如果在錐體試驗時讓表面活性溶液直接接觸恒溫控制槽內層，那么后者將會在試驗中被前者腐蝕，嚴重時可造成試驗設備的損壞，并極大地影響試驗結果的可靠性;對此，特別設計了一種用具有耐高溫、耐強酸特質的石英材料制成的圓柱形容器;為方便錐體試驗過程中取出測量管材的裂紋擴展長度，該圓柱形容器的外徑、高度、厚度分別設計為80、180、3 mm，并在瓶口加工螺紋配合塑料瓶蓋旋緊以保證容器良好的密封性;圓柱形石英容器、PE管段試樣、黃銅錐體如圖1(a)所示。

(a) 石英容器、管段試樣、錐體 (b) 將試樣裝入石英容器 (c) 錐體試驗開始 (d) 裂紋擴展情況圖1 錐體試驗過程Fig.1 Process of cone test

1.4 性能測試與結構表征

應變硬化試驗：將試樣置于80℃的溫度箱中，以20 mm/min的速率對其進行拉伸，用設備自帶軟件獲取應力 - 應變數據;

錐體試驗:首先配置濃度為5 %的表面活性溶液，接著在保證錐體和管段試樣同軸的情況下，用帶有夾板的壓力機將錐體以100 mm/min的速率全部壓入管段試樣，然后在被錐體完全插入的管段試樣一端沿錐體上的凹槽加工軸向長度為10 mm的缺口;在加工完缺口后，將帶有錐體的管段試樣放入圓柱形容器中，錐體部分置于容器底部，再將表面活性劑倒入容器中，保證整個管段被表面活性溶液完全浸沒，如圖1(b)所示;最后，將該容器放入恒溫水槽中，放入足量的水后加蓋密封，將溫度設置為80 ℃，開始試驗，如圖1(c)所示;在試驗過程中需每隔24 h將管段試樣取出，測量裂紋擴展長度，一次試驗持續14 d，圖1(d)為錐體試驗結束時裂紋擴展的情況;在錐體試驗開展至24 h時，將容器取出并用溫度計測量其中表面活性溶液溫度，結果基本保持在(80±1) ℃，可見容器的傳熱效果良好，再結合裂紋沿軸向發生的擴展現象，本錐體試驗方案的可行性得到驗證。

2 結果與討論

2.1 應變硬化模量分析

根據式(1)、式(2)計算出試樣在拉伸過程中受到的真應力(σtrue)和試樣的拉伸比(λ)(即試驗中某時刻試樣標矩長度l與試樣初始標距l0的比值)，整理得到PE1～PE3的σtrue-λ的應變硬化試驗曲線，如圖2所示。

(1)

(2)

式中F——測量力，N

A——試樣的初始截面積，mm2

l0——試樣標矩的初始距離，mm

Δl——試樣增長長度，mm

ε——應變

1—PE1 2—PE2 3—PE3圖2 PE1～PE3的應變硬化試驗曲線Fig. 2 SH test curve of PE1～PE3

應變硬化區間(通常λ為8～12的區間)內的“新虎克應變”(εNHSM)以及“新虎克本構模型”可分別用式(3)和式(4)表示，式(4)中C為擬合出本構方程中的常數。在繪制出σtrue-εNHSM曲線之后，對其應變硬化區間內的數據進行線性擬合，擬合結果如圖3所示，應變硬化模量(〈Gp〉)約等于線性擬合出直線段斜率的20倍。

1—PE1 2—PE2 3—PE3圖3 σtrue-εNHSM曲線(虛線代表線性擬合直線段)Fig.3 True stress versus Neo-Hookean Strain Measure(Dashed line represent linear fitting data )

(3)

(4)

值得注意的是，相對于傳統SCG試驗對試樣采取預制切口以使裂紋發生擴展的方法，應變硬化試驗只是對無缺口的啞鈴型試樣進行拉伸，在整個試驗過程中都沒有出現裂紋。因此該試驗方法的可行性必然建立在其基本原理與PE管材銀紋 - 裂紋擴展微細觀機理的密切聯系上，結合如圖4所示的SCG機理示意圖，對應變硬化試驗的基本原理進行說明。

圖4 SCG微細觀機理示意圖Fig.4 Schematic illustration of microscopic mechanism of SCG

PE管材在長時間的低載荷作用下，其非晶區被拉長。在銀紋區域內，由經過伸展和取向排列后的系帶分子組成的微纖維也慢慢被拉伸，這些微纖維被拉伸后的強度比材料屈服強度還要大，進而產生應變硬化響應以抵抗自身的變形趨勢[11-13]。因此在細觀層面上，PE管材對SCG的抗性主要是由微纖維固有的應變硬化響應所控制的，PE管材的應變硬化和其耐SCG性能之間有直接的正相關聯系。基于上述理論模型，學者們將應變硬化模量作為PE管材耐SCG性能的直接表征參量，PE管材的應變硬化模量越大，其耐SCG性能就越強。

●—PE1 ■—PE2 ▲—PE3圖5 PE裂紋擴展長度與試驗時間的關系Fig.5 Relationship between crack growth length and test time of PE

2.2 裂紋擴展速率分析

如圖5所示，通過記錄試樣每24 h擴展的裂紋長度，并得出裂紋擴展長度對時間的變化曲線。可以看出，在錐體試驗剛開始時，裂紋幾乎不擴展，這是PE管材試樣中的銀紋微纖維還未到達其斷裂程度而反映出典型的“延遲斷裂”現象。而在幾天之后，試樣的裂紋擴展長度開始有明顯的變化，可見在連續的高溫活性環境作用下，材料結晶區內的鏈流動性提高，促使結晶區內的分子鏈發生擴散，銀紋引發應力隨之降低，同時系帶分子滑移和解纏的摩擦力減少導致銀紋中微纖維被拉斷，裂紋開始擴展[14-15]。隨著試驗時間的逐漸增長，銀紋 - 裂紋擴展過程中的損傷積累使得PE管材對裂紋擴展的抗性逐步降低，裂紋擴展的幅度越來越大。在錐體試驗中，裂紋擴展速率是PE管材耐SCG性能的直接度量，試樣的裂紋擴展速率越大，其耐SCG性能越弱。

如圖6所示，通過對整個試驗周期的裂紋擴展長度 - 時間曲線進行線性擬合得到試樣的裂紋擴展速率。

●—PE1 —PE1線性擬合 ■—PE2 ┄ —PE2線性擬合▲—PE3 —— —PE3線擬合圖6 線性擬合得到的裂紋擴展速率Fig.6 Acquisition of crack growth rate by linear fitting

PE1～PE3的應變硬化模量和裂紋擴展速率結果如表1所示。

表1 PE的應變硬化模量和裂紋擴展速率Tab.1 Strain hardening modulus and crack growth rate of PE

2.3 應變硬化模量與裂紋擴展速率相關性研究

如圖7所示，PE1～PE3的應變硬化模量與裂紋擴展速率呈負相關關系。這是不同PE管材試樣中的銀紋微纖維的應變硬化程度差異在錐體試驗結果上的直觀反映，PE管材中微纖維的應變硬化程度越大，其抵抗裂紋擴展的能力在錐體試驗中就會表現為較小的裂紋擴展速率。在試驗前并不知道同為PE100的PE1～PE3之間耐SCG性能差異的情況下，這2種試驗的評價結果完全相同，應變硬化試驗評價PE管材耐SCG性能的正確性得到證明。

圖7 應變硬化模量與裂紋擴展速率的關系Fig.7 Relationship between strain hardening modulus and crack growth rate

由圖7顯示出的誤差棒可知，相比于錐體試驗，應變硬化試驗的誤差較小。此外，可以發現PE2和PE3的裂紋擴展速率比較相近，PE3的裂紋擴展速率僅比PE2大5 %左右。考慮到錐體試驗中表面活性因素帶有的局限性以及試驗測量過程中的人為誤差，這個差值作為評價SCG性能差異的結果而言是比較小的。而PE2的應變硬化模量比PE3要大將近14.8 %，這表明相比于錐體試驗，應變硬化試驗可以更好地區分不同牌號PE100管材耐SCG性能的細微差異。由上述分析可知，應變硬化試驗的評價結果更加可靠。

3 結論

(1)裂紋擴展過程中的損傷積累使得PE管材對裂紋擴展的抗性逐漸降低，錐體試驗中PE管材的裂紋擴展程度隨著試驗時間的增加而增大;

(2)應變硬化試驗和錐體試驗對PE1～PE3的耐SCG性能評價結果完全相同，這是不同PE管材試樣中的銀紋微纖維的應變硬化程度差異在錐體試驗結果上的直觀反映，應變硬化試驗評價PE管材耐SCG性能的正確性得到證明;

(3)相比于錐體試驗，應變硬化試驗不僅誤差較小，而且可以區分不同牌號PE100管材耐SCG性能之間的細微差異，評價結果要更加可靠。