摘要：随着管道使用年限的增加，管道老化及施工造成的损伤，以及因地基沉降与第三方外力的作用，极易导致管道产生缺陷，发生泄漏和爆炸事故，给国家经济、人民生活及生命财产带来巨大损失。
关键词：聚乙烯（PE）管道；内压；热氧老化试验平台；热氧老化规律；力学性能；拉伸试验；寿命预测模型；由于聚乙烯（PE）管道具有优异的耐腐蚀性能，已成为城镇中、低压燃气管道的首选，然而，作为一种高分子有机材料，其热氧老化问题既不可避免，也是影响燃气管道寿命和使用安全性的重要因素之一。到目前为止，国内外对承压燃气PE 管道老化规律的研究都较少。为此，首次搭建了接近工况的承压燃气PE 管道热氧老化试验平台，进行了不同温度下的热氧老化试验，利用拉伸试验法进行热氧老化PE 试件的拉伸力学性能测试。最后根据拉伸试验的分析结果，结合高分子有机材料寿命预测方法中常用的动力学曲线直线化法，分别得出了承压和无压燃气PE 管道的热氧老化预测模型，并分别计算出常温下承压和无压燃气PE 管道的寿命。
一、实验方法
1. 实验材料，实验采用某一塑管道制造有限责任公司生产的SDR11 燃气用PE80 管道（管径为40 mm），PE80具有较高的最小要求强度（在20 ℃和50 年内压长期作用下，管道环向抗拉强度的最低保证值为8 MPa）和优异的抵抗慢速裂纹扩展能力。（1）PE 老化试验台及老化试验条件，下热氧老化试验装置由气泵、阀门、压力表、减压阀及PE 管道通过密闭管路依次连接；PE 管道通过密封夹具封闭，使PE 管道内形成密闭腔体；PE管道置于老化箱内进行加热老化试验，可进行不同老化温度（T）下的老化试验。每种老化试验温度下的PE管材分成承压状态及非承压状态两组进行试验，具体分组情况如表1 所示。
表1 PE 管材老化试验的分组及条件表
（2）拉伸力学试验及试验条件.根据GB/T 1040—1992 对未老化及老化后的PE80 管材切割成标准的拉伸试件，并用岛津AGS-X电子万能试验机进行拉伸性能测试。拉伸试验时，加载速度为50 mm/min，试样宽度为10 mm，厚度为4mm，原始标距为50 mm。
2.拉伸试验结果分析，（1）老化温度的影响，未老化PE80 管材的拉伸性能为最大载荷1 368.74N，断裂载荷1 231.36 N。而老化后不同组别PE80 管材的拉伸试验结果如表2 所示。
表2 老化后PE 管材的拉伸试验数据表
根据试验得到的应力应变数据，可以看出，与未老化过的PE 管材相比，经过热氧加速老化试验后，PE 管材的断裂点发生明显变化，断裂点载荷明显减小，表明PE 管材的性能由于受到老化影响而明显降低。由于拉伸曲线为力和位移的曲线，直观上性能变化不明显。因此，根据所得数据得出不同压力、温度下老化与未老化的PE 管材断裂点的最大载荷。与未老化的管材相比，老化后的管材力学性能明显减弱，可以推论出其老化性能随着温度的升高减弱明显，聚乙烯管材老化速度加快，损坏更加严重，寿命降低越明显。（2）内压的影响，在老化实验过程中，对管材进行充压，以实现不同压力对管材老化性能影响的研究，对不同压力条件下老化后的管材进行拉伸试验，观察其力学性能的变化。在有压力条件下管材的力学性能变化明显，其最大载荷明显弱于无压力条件下，反映了随着压力的变化，聚乙烯材料的老化性能发生变化，老化速度加快，寿命降低明显。
二、聚乙烯管材老化规律研究
1.聚乙烯材料的寿命预测方法，有机材料常用的寿命预测方法有线性关系法和动力学曲线直线化法。线性关系法简单可靠，并可按一元线性回归方法估计参数和误差，但耗时太大且不能计算任意时间下老化性能的变化。因此，采用动力学曲线直线化法。动力学曲线直线化法是一种两步法，性能变化指标（P）随时间（t）的变化用动力学公式描述，通过坐标变换，使曲线变成直线，求出各温度下的速率常数（k）值，然后利用Arrhenius 公式外推求出常温下的速率常数（k）值，从而建立常温下的性能变化方程。使用此法可以大大缩短试验时间。
（1）
式中拉伸老化性能为老化系数，即f（P）=F/F0 以后为速率常数；F 和F0 分别表示发生老化和未发生老化时PE 管对应的拉伸强度；A 和α 表示与温度无关的常数。对这些动力学公式的精确性作过详细研究，表明式（1）的精确性高，不仅能用于计算管道寿命，而且还可用来预测管道性能变化，在一定程度上弥补了线性关系法的缺点。
2.0.1 MPa 下聚乙烯材料的寿命预测，根据上述内容，用精确性较高的方程（1）进行数据处理。取对数得到lnP=lnA-kt α，令X ＝ t α，Y＝ lnP，a ＝ lnA，b ＝－ k，则方程式可用Y ＝ a ＋bX 表示。利用逐次逼近法估算参数α，逼近准则是分别假设α ＝ 0.3、α ＝ 0.31、α ＝ 0.311 进行比较，使
最小。在计算机上利用对α 尝试法计算准则I，经过尝试得到α 的最佳选择值为0.382。由此得出不同温度下聚乙烯材料性能变化的lnP 对t0.382 的关系。进行线性拟合，用最小二乘法可得到各试验温度下的系数a、b、相关系数r、性能变化速率常数k 和系数S，结果如表3 所示。由表3 可计算A 的估计值（Â）：
（2）
表3 0.1 MPa 时不同试验温度下聚乙烯管材线性方程常数值表
统计分析可知，在表3 中|S| ＞ r，因此Y ＝ a ＋bX 方程的线性关系成立，则可得到各试验温度的拉伸性能变化速度常数（k），而k 与温度（T）之间服从Arrhenius 公式，即方程式k ＝ Ze-E/RT，式中Z 表示指前因子（也称频率因子）；E 表示表观活化能；R 表示摩尔气体常量。令X1 ＝ 1/T，Y1 ＝ lnk，则方程式可用Y1 ＝ a1 ＋ b1X1 表示。用表3 的计算值，将lnk 和1/T 进行作图（图1）。将图1 用计算机进行线性拟合得到系数a1、b1、n、Sy 和相关系数r1，如表4 所示。
表4 0.1 MPa 下聚乙烯管材拉伸性能变化数学模型主要参数值表
图1 0.1 MPa 下聚乙烯管材拉伸性能变化速度常数与温度1/T 的关系图
当标准温度298 K 时，可计算出承压0.1 MPa下聚乙烯管材的老化速率：
（3）
按照现行标准假设f（P）＝ F/F0 ＝ 0.72 时PE 管道失效计算其寿命，利用式（1）和式（2）可计算出使用时间t298K 为56.4 年。
3.无压力（0 MPa）下聚乙烯材料的寿命预测运用3.2 节同样的处理方法，用式（1）对0MPa 时不同老化温度下聚乙烯管材老化后的拉伸力学性能进行数据处理，取对数得到lnP ＝ lnA － ktα，令X ＝ tα，Y ＝ lnP，a ＝ lnA，b ＝－ k。则方程式可用Y ＝ a ＋ bX 表示。利用逐次逼近法估算参数α，经过尝试得到α 最佳选择值为0.46。由此，得出不同试验温度下聚乙烯材料性能变化的lnP 对t0.453 的关系如图2 所示。
图2 无压力时不同试验温度下聚乙烯材料性能变化lnP 对t0.453 的关系图
同样，对图2 进行线性拟合，用最小二乘法可得到各试验温度下的系数a、b 和相关系数r 及性能变化速率常数k。可计算A 的估计值（Â）：
（4）
统计分析可知，中|R| ＞ r，因此Y ＝ a ＋bX 方程的线性关系成立，则可得到各试验温度的性能变化速度常数k，同理，令X2 ＝ 1/T，Y2 ＝ lnk，则方程式可用Y2 ＝ a2 ＋ b2X2 表示。计算机进行线性拟合得到系数a2、b2 及相关系数r2。
当标准温度298 K 时，可计算出无压力下聚乙烯管材的老化速率：
（5）
按照现行标准假设f（P）＝ F/F0 ＝ 0.72 时PE 管道失效计算其寿命，利用式（1）和式（4）可计算出使用时间t298K 为62.4 年。
4.内压对聚乙烯管材寿命的影响，只考虑压力对聚乙烯管材的影响时，随着压力的增加，聚乙烯管材老化速率的绝对值变小。根据一般寿命预测规律：材料的剩余寿命与lnk 的值成负相关，即lnk 的值越大，寿命越短。因此，在无压力条件下，lnk 的值为－ 9.968，小于内压0.1 MPa 条件下的－ 8.399，同时，计算得到无压力条件下的使用时间（62.4 年）也确实较0.1MPa 条件下的使用时间（56.4 年）多。由此可得出结论，无压力条件下聚乙烯管材的使用寿命更长，有无内压对于聚乙烯管材老化有明显的影响。
PE 管材的力学性能随着老化温度、压力、时间变化明显，断裂点载荷发生剧烈变化，明显减小，表明老化试验对PE 管材的性能变化确实发挥作用。对不同压力条件下PE 管道老化速率进行对比分析，发现压力越大，使用寿命越短；压力越小，使用寿命越长。提出了聚乙烯管材老化速率与温度之间的关系式，可用于管道的寿命预测。
参考文献：
[1]张华军， 聚乙烯（PE）燃气管道近期发展动态.2016.
[2]王旭辉，浅谈燃气聚乙烯管道热氧老化规律研究.2017.
论文作者:聂海斌
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
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