耐熱聚氯乙烯管道安全性能及其失效模式的評(píng)價(jià)

張欣濤，辛明亮，朱金紅，肖玉剛，劉昌財(cái)，趙 波

(1.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002；2.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663； 3.佑利控股集團(tuán)有限公司，浙江 樂清 325604)

塑料管道具有成本低、易安裝、耐腐蝕、維護(hù)簡單、節(jié)能、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于輸送冷水、熱水、燃?xì)狻⒌V漿、化學(xué)品等物質(zhì)，在全世界都得到了廣泛應(yīng)用。近年來，塑料壓力管在我國已成為大力推廣應(yīng)用的化學(xué)建材之一，在塑料壓力管的初級(jí)發(fā)展階段，幾乎所有的塑料種類都被用作塑料壓力管材管件原料。隨著塑料壓力管應(yīng)用日益擴(kuò)大，人們認(rèn)識(shí)到需要監(jiān)控塑料壓力管50年長期壽命，這對(duì)塑料壓力管的原料及其管道的性能提出了更高的要求，大大限制了塑料壓力管可選擇的原料范圍。聚氯乙烯(PVC)以耐熱氯化聚氯乙烯(PVC-C)的耐熱等級(jí)更高、強(qiáng)度更大等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境苛刻的領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛[1]。PVC-C管道可用于輸送強(qiáng)腐蝕性、有毒介質(zhì)和高溫高壓電力保護(hù)管，其穩(wěn)定性涉及到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，作為管網(wǎng)最重要的組成部分，也是保障設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行和生產(chǎn)、生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

然而，近年來國內(nèi)外已發(fā)生多起壓力管道的重大安全事故，給社會(huì)帶了的巨大的損失，這樣凸顯了壓力管道安全性檢測及失效模式分析的重要性。我國目前在耐熱聚氯乙烯管道原材料、產(chǎn)品性能，尤其是無損檢測技術(shù)、失效模式分析與壽命評(píng)估技術(shù)方面仍舊與國外存在較大差距，部分仍處于空白狀態(tài)，這就導(dǎo)致針對(duì)工業(yè)用管道安全評(píng)估技術(shù)相對(duì)落后，這與耐熱聚氯乙烯管道日益廣泛的應(yīng)用存在較大矛盾，也直接導(dǎo)致了近年來耐熱聚氯乙烯管道事故頻發(fā)和安全風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，引發(fā)了廣泛的社會(huì)關(guān)注。PVC管道的壽命評(píng)估與檢測將成為提高管道安全評(píng)價(jià)體系的重要保障[2]。耐熱聚氯乙烯壓力管道安全性分析和失效模式影響因素的確定將有助于該類管道產(chǎn)品檢測技術(shù)的快速發(fā)展，提高塑料管道的安全性能評(píng)價(jià)手段，進(jìn)而可有效防范重大事故的發(fā)生。

因此，本文旨在理論與實(shí)際相結(jié)合，系統(tǒng)研究耐熱聚氯乙烯管道安全性能及其失效模式評(píng)價(jià)方法，為其安全性提供強(qiáng)有力的理論和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及配方

選用的不同比例PVC-C樹脂、穩(wěn)定劑、潤滑劑、抗沖改性劑、加工助劑、耐候改質(zhì)劑、碳酸鈣、色粉的配方成分及比例見表1。

表1 耐熱聚氯乙烯混配料配方中各原料及其添加的比例

1.2 儀器設(shè)備

管材生產(chǎn)線：20～160 mm；德國克勞斯馬菲；擺錘沖擊試驗(yàn)儀：CEAST 9050，意大利西斯特公司；維卡熱變形試驗(yàn)機(jī)：IC6，COESFELD；管材液壓試驗(yàn)機(jī)：JJHBT-2110，承德市金建檢測儀器有限公司；超聲波相控陣檢測儀：phascan32/128，廣州多浦樂電子科技有限公司。

2 安全性能分析

2.1 耐熱聚氯乙烯原材料

按照表1的配方，在一定條件下分別在高低混合機(jī)組攪拌均勻，過篩濾除出大顆粒和結(jié)塊物料，得到不同組分的混配料，密封包裝待用。再根據(jù)各PVC-C混配料以一定生產(chǎn)工藝加工成管材(規(guī)格：Dn32 mm、S6.3)，選取三種配方的PVC-C的混配料于市場商品PVC-C混配料進(jìn)行性能對(duì)比，差別較大在沖擊強(qiáng)度(見圖1)及維卡軟化溫度(見圖2)。

圖1 不同配方的耐熱聚氯乙烯混配料與市售商品的沖擊強(qiáng)度

從圖1可以看出本研究成果提出的PVC-C混配料在沖擊強(qiáng)度方面有較大提高，市售商品一般PVC-C樹脂的含量在63%～66%之間，選用PVC-C樹脂含量在67%以上，為材料的抗沖擊性提供了有力的支撐。

圖2 不同配方的耐熱聚氯乙烯混配料與市售商品的維卡軟化溫度

由圖2可見，不同配方的耐熱聚氯乙烯混配料的維卡軟化溫度均比市售商品要高出許多，這是因?yàn)镻VC-C產(chǎn)品的耐溫性能與PVC-C樹脂本身的質(zhì)量及含量有關(guān)，PVC-C樹脂和氯含量的增加，相應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)中氯原子數(shù)增多，從而使得PVC-C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和熱變形溫度均較高，呈現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐溫性、機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕性和阻燃性等[3-4]。

GB/T 35504-2017 《塑料 氯化聚氯乙烯混合料》中規(guī)定氯化聚氯乙烯混合料為氯化聚氯乙烯樹脂和一些必要的添加劑構(gòu)成，添加劑可為穩(wěn)定劑、潤滑劑、改性劑、著色劑和其他填料。PVC-C管道的通用做法是先將所有主體原料與配料直接按一定比例混合再按照一定生產(chǎn)工藝加工成型，但是其缺陷是混合過程容易粘連結(jié)決，易導(dǎo)致混合中發(fā)生不良化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)品質(zhì)量得不到充分保障。國內(nèi)PVC-C原料生產(chǎn)裝置多為小產(chǎn)能，其產(chǎn)品性能如熱穩(wěn)定性、制品表面光潔度和耐壓強(qiáng)度等，很少達(dá)到國外先進(jìn)水平[5]。因此，PVC-C原材料的質(zhì)量優(yōu)劣，對(duì)其PVC-C管道、容器、板材等產(chǎn)品的安全性能起到了至關(guān)重要的作用。

2.2 耐熱聚氯乙烯管道加工成型

因PVC-C加工成型溫度高，加工溫度范圍較窄，且PVC-C熔體黏度較高，流動(dòng)性差，給后加工造成一定的困難，擠出時(shí)出口膨脹效應(yīng)大于PVC，同時(shí)加工時(shí)更容易熱分解放出HCl，因此擠出成型時(shí)加工溫度較窄，難度較硬PVC大，PVC-C擠出加工時(shí)使用的擠出機(jī)必須裝有冷卻設(shè)備以防過熱。此外，由于加工時(shí)物料容易粘壁，接觸物料的模頭、螺桿等設(shè)備表面應(yīng)要求具有較高的光潔度，并進(jìn)行表面防腐處理。擠出加工PVC-C管材通常選用平行或錐形雙螺桿擠出機(jī)，鑒于PVC-C比PVC更易塑化的特性，選用平行雙螺桿擠出機(jī)更容易控制CPVC管材的擠出生產(chǎn)，也更容易得到性能穩(wěn)定的管材產(chǎn)品。PVC-C注射成型時(shí)螺桿轉(zhuǎn)速和注射速度應(yīng)較低，以減少由于剪切力過大而引起的過熱，注射模具在設(shè)計(jì)時(shí)澆口應(yīng)比硬PVC制品稍大或采用多澆口體系。對(duì)于PVC-C管件，其加工工藝要注意如粒料是用鉛鹽為穩(wěn)定劑的，要求加熱溫度的設(shè)置應(yīng)略高于PVC-U管件的加工溫度，只要不產(chǎn)生燒焦，注射速度可盡量快；如果粒料是用有機(jī)錫為穩(wěn)定劑的，其加工溫度的設(shè)置與PVC-U管件的加工溫度可基本相同。另外，溫度的設(shè)置還要保證PVC-C粒料能達(dá)到良好的塑化要求[6]。

氯含量的高低對(duì)PVC-C樹脂配方設(shè)計(jì)及加工工藝尤為重要，一般來講，氯含量越高，其產(chǎn)品的維卡軟化溫度越高，加工難度也越大，主要表現(xiàn)在熔體流動(dòng)性差，加工粘度大，塑化困難。PVC-C后加工時(shí)，除了PVC后加工時(shí)所需的助劑(如穩(wěn)定劑、潤滑劑)外，還須加入改善流動(dòng)性的助劑和抗沖改性劑，這樣有助于提升PVC-C產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品安全性能才會(huì)有保障。

2.3 耐熱聚氯乙烯管道安裝施工

影響耐熱聚氯乙烯管道安全的另外一個(gè)因素便是正確的安裝施工。PVC-C管道從施工準(zhǔn)備、安裝、試壓驗(yàn)收三個(gè)階段作為其質(zhì)量控制重點(diǎn)，為提高工業(yè)塑料管道安裝質(zhì)量積累經(jīng)驗(yàn)。

PVC-C管材與管件的連接一般采用承插式粘接連接，PVC-C管材與法蘭式管道、閥門及管件的連接宜采用PVC-C法蘭與其他材質(zhì)法蘭對(duì)接連接，PVC-C管材與螺紋式管道。閥門及管件的連接宜采用內(nèi)絲接頭的注塑管件螺紋連接。粘接連接所用粘接劑應(yīng)為PVC-C專用粘接劑，宜在4～38℃環(huán)境下進(jìn)行操作，接頭粘接不得在雨中或水中施工，并應(yīng)遠(yuǎn)離火源，避免陽光直射。PVC-C管材插口與承口的工作面，必須表面平整，尺寸準(zhǔn)確，還應(yīng)特別注意接頭的尺寸和公差配合，才能保證安裝時(shí)的密封性性能。在運(yùn)輸、裝卸和堆放過程中防止激烈碰撞，避免造成管材和管件的機(jī)械損傷。

在PVC-C管道施工中，管道現(xiàn)場施工技術(shù)人員上崗前應(yīng)經(jīng)過培訓(xùn)，須掌握和了解PVC-C管材及建筑物結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，熟悉現(xiàn)場情況、施工工藝和安全措施等要求，使用合格、配套的材料、合適的施工機(jī)具，在適宜的環(huán)境條件下，遵守PVC-C塑料管道施工要求，施工質(zhì)量才能夠得到有效的保證，才能確保PVC-C管道系統(tǒng)的安全。

3 耐熱聚氯乙烯管道失效模式

3.1 靜液壓破壞

由圖3可知，該P(yáng)VC-C管材在20℃、10.9 MPa的靜液壓條件下發(fā)生破壞，破裂時(shí)沒有顯著的塑性變形，表明破裂時(shí)管壁的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，該破壞瞬間發(fā)生，沒有或只有很小的塑性變形，其破壞形式為典型的脆性破壞，該脆性破壞主要是由于PVC-C管道存在缺陷和PVC-C材料自身韌性不足所致。李登峰[7]等探索在低壓下破裂的硬聚氯乙烯(PVC-U)管材的破裂原因，其結(jié)果表明18根PVC-U管材的斷裂情況均呈軸向開裂狀態(tài)，裂紋長度0.4～1.6 m，其中11根斷裂裂紋局部伴有魚刺狀裂紋出現(xiàn)，破裂的管材均無明顯的變形，這是典型脆性斷裂的破壞形式。林偉[8]以給水用硬聚氯乙烯管材為研究對(duì)象，通過靜液壓、二氯甲烷浸漬試驗(yàn)和掃描電鏡(SEM)等手段，進(jìn)行了硬聚氯乙烯管材失效因素的分析，結(jié)果表明，PVC-U的管材破壞形式也為脆性破壞，這也與李文賢[9]和鄒嘉佳[10]的研究結(jié)果基本一致。

圖3 20℃條件下PVC-C管材靜液壓爆破情況

3.2 連接接頭失效

根據(jù)實(shí)際工況調(diào)研結(jié)果，PVC-C管道另外一個(gè)失效模式即為連接接頭引起的失效，應(yīng)用過程中PVC-C管道接頭失效引起的管線停工問題占了很大的比例，連接接頭也是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。因此我們嘗試對(duì)粘接接頭進(jìn)行無損檢測研究，預(yù)制接頭缺陷6類：未涂膠、雜質(zhì)、未配合到位、膠水涂抹不均勻、內(nèi)部氣泡、內(nèi)部孔隙等。對(duì)接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測，如圖4所示。

圖4 不同缺陷與相控陣譜圖

由圖4所示，利用超聲相控陣技術(shù)，對(duì)所制備的6種接頭缺陷：未涂膠、雜質(zhì)、未配合到位、膠水涂抹不均勻、內(nèi)部氣泡、內(nèi)部孔隙等進(jìn)行測試，在超聲相控陣譜圖中各自的缺陷信息均在相控陣譜圖上得到了很好的體現(xiàn)。根據(jù)動(dòng)波理論，如果各點(diǎn)波源發(fā)射的超聲波為相干波，則在空間能夠疊加干涉而形成穩(wěn)定的聲場，即在空間某些點(diǎn)的聲壓幅度由于同相疊加得到增強(qiáng)，而在另一些點(diǎn)的聲壓幅度由于反相而抵消。相控陣發(fā)射就是調(diào)整送到各個(gè)陣元的電激勵(lì)信號(hào)的延遲，從而產(chǎn)生多路具有不同相位的相干超聲波在空間合成聲場。同樣，在反射波的接收過程中，按一定規(guī)則和時(shí)序?qū)Ω麝囋慕邮招盘?hào)進(jìn)行合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示。因此，利用超聲相控陣技術(shù)可有效檢測出連接接頭的缺陷，通過建立相控陣缺陷譜圖，進(jìn)一步探索研究缺陷與信號(hào)之間的關(guān)系，再結(jié)合X射線技術(shù)等無損檢測手段，有望對(duì)于缺陷的性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確定性或定量判定。

4 結(jié)語

耐熱聚氯乙烯混配料中氯含量多少、生產(chǎn)工藝以及安裝施工條件均對(duì)耐熱聚氯乙烯管道的安全性能起著至關(guān)重要的作用，靜液壓破壞試驗(yàn)和超聲相控陣譜圖結(jié)果表明耐熱聚氯乙烯管道的脆性破壞和連接接頭失效為其主要的失效形式。耐熱聚氯乙烯管道安全性分析和失效模式影響因素的確定將有助于該類管道產(chǎn)品檢測技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)而可有效防范重大事故的發(fā)生。