聚乙烯管道耐快速裂紋擴展臨界壓力測試

霍 亮

(哈爾濱中慶燃氣有限責任公司,哈爾濱 150076)

0 引言

快速裂紋擴展(RCP)是一個低韌性(脆性)裂紋以高速(約300 m/s)沿壓力管線長距離延伸的現象,主要受環境溫度及管道系統壓力的影響,如果聚乙烯燃氣管道管壁上由于第三方施工受到強力沖擊或其他原因導致管線上出現一個穿透裂紋,在管道內燃氣介質的壓力下,該裂紋會以每秒幾百米的速度沿管道軸向快速增長,當管道在幾十米至幾千米范圍內破裂后,燃氣大量溢出,將造成大范圍燃燒乃至爆炸,后果不堪設想。當管道系統中的壓力達到臨界壓力PRCP以上,由裂紋發展成裂縫,就有可能引發RCP現象。為避免RCP危害,燃氣輸氣系統設計必須考慮聚乙烯管材的RCP臨界壓力PRCP,只要在臨界壓力PRCP之下,就不會發生RCP現象。

1 耐快速裂紋擴展實驗方法

耐快速裂紋擴展實驗方法主要有裂紋擴展實驗與沖擊試驗兩種,其中裂紋擴展實驗分為全尺寸實驗、小尺寸實驗及ROBERTSON實驗。目前公認的用于確定聚乙烯燃氣管道耐快速裂紋擴展性能的實驗方法是全尺寸實驗(FST實驗)與小尺寸實驗(S4實驗),如圖1。

圖1 耐快速裂紋擴展實驗方法

全尺寸實驗(FS實驗)與小尺寸實驗(S4實驗)方法都已形成了國際標準(ISO13478、ISO13477)。關于小尺寸實驗(S4實驗),我國形成了GB/T 19280-2003流體輸送用熱塑性塑料管材耐快速裂紋擴展(RCP)的測定小尺寸穩態實驗(S4實驗)標準。

全尺寸實驗(FST實驗)應按照國際標準ISO13478進行實驗,通過一系列實驗,確定了一定溫度下的全尺寸臨界壓力PC,FS,如圖2。

圖2 全尺寸實驗示意圖

如果管道工作壓力超過這一壓力,在一定因素影響下就有可能發生快速裂紋擴展,因此研發了小尺寸穩態實驗(S4實驗)方法。

實驗裝置總體上需符合圖3要求,其基本要求如下:

圖3 S4實驗裝置

該實驗需在實驗室中完成。截取規定長度的熱塑性塑料管材試樣,試樣分為裂紋引發段(發生區)和裂紋增長段(計量段),計量段長度大于5 dn,檢查管材試樣以確定是裂紋終止還是裂紋擴展。測量開裂長度為a,當a≤4.7 dn時,定義為裂紋終止,當a﹥4.7 dn時,定義為裂紋擴展。采用一系列試驗壓力, 至少有一個裂紋終止的試驗結果(即a≤4.7 dn)和一個裂紋擴展的試驗結果(即a﹥4.7 dn),如圖4所示。

圖4 確定臨界壓力或環向應力(Pcs4或 σcs4)的典型試驗數據圖

盡管小尺寸實驗(S4實驗)簡化了RCP實驗難度,但由于S4實驗與全尺寸實驗(FS實驗)的條件不同,屬于實驗室實驗,不能完全真實地反映快速開裂的情況,有必要建立S4實驗與FS實驗結果的定量關系。目前,國際上普遍認可的PC,S4與PC,FS的對應關系為:

(PC,FS+ 1)/(PC,S4+ 1) = 3.6

PC,FS= 3.6PC,S4+ 2.6

若MOPS4達不到設計要求,則存在兩種可能:一種可能是管材抵抗快速裂紋增長的性能確實不能滿足設計要求,另一種可能是由于上面的換算方式過于保守,誤將滿足要求的管材判定為不符合設計要求,這時就要進行FS實驗,由FS實驗結果MOPFS作為最終判斷。

2 耐快速裂紋擴展臨界壓力測試

測試管材的選擇。由于聚乙烯燃氣管道管徑越大、管壁越厚,就越容易發生快速開裂問題。選用的聚乙烯燃氣管道最大公稱外徑為dn315 mm,故而選用SDR11、dn315 mm的聚乙烯燃氣厚壁管作為測試管材,這樣使用的其他規格尺寸的聚乙烯燃氣管道被全覆蓋。

測試溫度的選擇。當聚乙烯燃氣管道在0 ℃以下的環境溫度中,要求在最低使用溫度下進行RCP實驗,以確定最低工作溫度下的臨界壓力。混配料供應商或管材生產廠商提供的PRCP都是0 ℃時的臨界壓力,因此選擇聚乙烯燃氣管道的最低工作溫度-20 ℃作為檢測溫度。

測試方法的選擇。由于缺乏全尺寸實驗(FS實驗)場所,只能采用小尺寸實驗(S4實驗),選擇了技術先進的某公司塑料管道研究測試中心進行RCP實驗。

測試壓力的選擇。我國于2018年10月18日頒布了CJJ63-2018 聚乙烯燃氣管道工程技術標準,修訂了聚乙烯燃氣管道最大工作壓力,由原來的0.7 MPa提高到0.8 MPa。混配料供應商或管材生產廠商所提供的都是0 ℃時最大工作壓力為0.7 MPa的RCP檢驗報告,因此選擇最大工作壓力0.8 MPa為RCP的實驗壓力。但由于GB 50028-2006城鎮燃氣設計規范中6.3.2條的規定,次高壓燃氣管道應采用鋼管,聚乙烯燃氣管道仍只能用于中、低壓燃氣管道,所以選擇了最大工作壓力0.4 MPa為RCP的實驗壓力。根據有關規定的小尺寸實驗(S4實驗),試驗壓力計算公式為:

PC,S4MOP/2.4-0.072(MPa)

MOP=0.8 MPa時,PC,S40.26 MPa

MOP=0.4 MPa時,PC,S40.095 MPa

3 測試結果

試驗情況及結果如下:

圖5 北歐化工的HE3490LS

MOP=0.4 MPa,-20 ℃,裂紋長度a:630 mm<4.7 dn,合格

圖7 沙比克公司P6006

選擇最大工作壓力為0.8 MPa的RCP實驗壓力,用量最大的北歐化工的HE3490LS進行-20 ℃的RCP實驗,結果失敗。又進行了-15 ℃的RCP實驗,結果失敗。證明北歐化工的HE3490LS無法滿足次高壓B聚乙烯燃氣管道低溫下耐快速裂紋擴展的性能要求。

選擇最大工作壓力為0.4 MPa的RCP實驗壓力,分別對北歐化工的HE3490LS、巴塞爾的CRP100及沙比克公司的P6006進行了-20 ℃的RCP實驗,結果全部合格,證明中、低壓聚乙烯燃氣管道在-20 ℃的環境下完全滿足耐快速裂紋擴展的性能要求,試驗結果見表1。

表1 耐快速裂紋擴展實驗結果

4 結論

對燃氣用埋地聚乙烯管道進行耐快速裂紋擴展臨界壓力測試,結果表明,北歐化工的HE3490LS無法滿足次高壓B聚乙烯燃氣管道低溫下耐快速裂紋擴展的性能要求。北歐化工的HE3490LS、巴塞爾的CRP100及沙比克公司的P6006在中、低壓聚乙烯燃氣管道在-20 ℃的環境下,可以完全滿足耐快速裂紋擴展的性能要求。