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      燃?xì)廨斉渚垡蚁毫艿拉h(huán)境影響因素及對策

      2022-10-25 07:13:28申麥茹鐵文安李艷芳
      合成材料老化與應(yīng)用 2022年5期
      關(guān)鍵詞:恒溫熔體環(huán)境溫度

      申麥茹,鐵文安,李艷芳

      (1 陜西省特種設(shè)備檢驗檢測研究院,陜西西安 710048;2 陜西延長涇渭新材料科技產(chǎn)業(yè)園有限公司,陜西西安 710075;3 陜西華山勝邦塑膠有限公司,陜西西安 710043)

      聚乙烯原材料是一種以聚乙烯為基料的共聚物混合材料,材料中必須添加一定量的抗氧化劑、光穩(wěn)定劑和碳黑(僅適用黑色混配料)等添加劑來防止氧化。由于聚乙烯(PE)管材具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂和抗震破壞性能好等優(yōu)點,己成為城鎮(zhèn)中、低壓燃?xì)夤艿赖氖走x,然而作為一種高分子有機(jī)材料,容易受光氧化、熱氧化、臭氧分解,在紫外線作用下容易降解,受輻射后可發(fā)生交聯(lián)、斷鏈、形成不飽和基團(tuán)等反應(yīng),其老化問題不可避免,也是影響燃?xì)夤艿缐勖褪褂冒踩缘闹匾蛩刂唬?-4]。中低壓城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿拦ぷ鳒囟认薅?20~40 ℃,由于燃?xì)饨橘|(zhì)溫度通常為常溫,其工作溫度主要取決于周圍環(huán)境溫度[5]。本文根據(jù)80℃恒溫老化試驗后的氧化誘導(dǎo)時間、熔體質(zhì)量流動速率、拉伸性能、斷裂伸長率、靜液壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù),分析環(huán)境溫度對材料各性能指標(biāo)的影響規(guī)律,給出了聚乙烯燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計、制造、運輸和儲存、使用環(huán)節(jié)受環(huán)境溫度影響應(yīng)采取的應(yīng)對措施,避免和減少環(huán)境溫度對聚乙烯管道壽命的影響。

      1 80℃恒溫老化試驗

      1.1 試樣準(zhǔn)備

      采用PE100燃?xì)鈱S没炫淞希ㄐ吞枮镠E3490LS),按照GB 15558.1-2018加工成黑色dn63mm×en5.8mm(4條黃色色條)及dn63mm×en3.6mm(4條橙色色條)的管材。采用機(jī)加工制成GB/T 8804.3-2003中I、II型啞鈴試樣。試樣規(guī)格及代號如表1、圖1所示。并將試樣按不同時間段分類并標(biāo)識,試樣數(shù)量與老化時間的對應(yīng)關(guān)系見表2。

      表1 試樣規(guī)格及代號Table 1 Sample specification and code

      表2 試樣數(shù)量(件)與老化時間對應(yīng)關(guān)系Table 2 The corresponding of sample quantity and aging time

      圖1 A、B、C、D四種試樣Fig.1 Samples A, B, C and D

      1.2 試驗儀器與設(shè)備

      管材擠出機(jī),型號LEP45-50,瑞典Labtech公司;80℃恒溫實驗箱, HAM2003,丹麥HAM公司;差示掃描量熱儀(DSC),型號DSC214,德國NETZSCH公司;熔體流動速率測試儀,型號MF20,美國INSTRON公司;電子拉力萬能試驗機(jī),型號Model E44,美國美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司;管材耐壓爆破試驗機(jī),XGNB-N-B。

      1.3 試驗方法及項目要求

      將制成的試樣置于80℃恒溫水中,在累計放置時間(不受應(yīng)力 )分別為 6、12、13、14、15、16、17、18、19個月時,對不同老化時間段試樣進(jìn)行氧化誘導(dǎo)時間、拉伸性能、熔體流動速率、靜液壓試驗。試驗項目及要求見表3。

      表3 試驗項目及要求Table 3 Test items and requirements

      2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

      2.1 試驗結(jié)果

      經(jīng)80℃恒溫老化試驗后試樣的氧化誘導(dǎo)時間、熔體質(zhì)量流動速率、斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度、靜液壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)與老化時間段的對應(yīng)關(guān)系分別如圖2~圖5、表4所示。

      圖2 氧化誘導(dǎo)時間Fig.2 Oxidation induction time

      圖3 熔體質(zhì)量流動速率 Fig.3 Melt mass flow rate

      圖4 斷裂伸長率Fig.4 Elongation at break

      圖5 拉伸強(qiáng)度 Fig.5 Tensile strength

      表4 不同時間段靜液壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 4 Hydrostatic strength data in different time periods

      2.2 試驗結(jié)果分析

      (1)氧化誘導(dǎo)時間

      試驗結(jié)果顯示,經(jīng)80℃恒溫老化試驗,累計6個月時試樣的氧化誘導(dǎo)期最長為18min,最短為13.1min,均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的20min。 說明聚乙烯材料氧化誘導(dǎo)時間受環(huán)境溫度(高溫)影響較大,很快發(fā)生氧化。

      所謂氧化誘導(dǎo)時間就是人為改變管材的使用環(huán)境(氧氣、氮氣、室溫),提高氧氮密度與壓力、環(huán)境溫度(200℃),測試極端環(huán)境條件下材料發(fā)生自動催化氧化反應(yīng)的時間[2-3]。氧化誘導(dǎo)時間是評價材料成型、儲存、焊接、使用過程中自身熱穩(wěn)定性的最重要指標(biāo),是管材發(fā)生質(zhì)變產(chǎn)生脆性破壞的原因之一,其直接影響管材的擱置壽命和使用壽命。氧化誘導(dǎo)時間越長,材料的熱穩(wěn)定性越好,壽命越長。

      (2)熔體質(zhì)量流動速率

      試驗結(jié)果顯示,80℃恒溫老化時間達(dá)19個月,其熔體質(zhì)量流動速率仍在合格范圍內(nèi)。

      熔體質(zhì)量流動速率是表述塑料在一定溫度和壓力下熔體流動性的參數(shù),同時間接表述塑料平均分子量的高低。平均分子量越低,熔體流動速率則越大,則表示塑料熔融狀態(tài)下流動性好;平均分子量越高,熔體流動速率越小,則表示塑料熔融狀態(tài)下流動性差。該指標(biāo)是選擇材料和牌號的重要參考指標(biāo)。而熔體流動速率經(jīng)80℃恒溫老化試驗,并不能改變其分子量的高低,因此測試數(shù)據(jù)并未發(fā)生太大變化,試驗溫度下(不受應(yīng)力)對材料的熔體質(zhì)量流動速率影響不大。

      (3)斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度

      斷裂伸長率是材料在拉伸斷裂時的伸長率,表征在拉伸試驗條件下的材料韌性。斷裂伸長率數(shù)值越高,材料抗變形能力越強(qiáng)。拉伸強(qiáng)度是材料從塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值,也是在靜拉伸條件下的較大承載能力,它表征材料較大均勻塑性變形的抗力。說明試驗溫度(不受應(yīng)力)對材料的強(qiáng)度影響不大。

      試驗結(jié)果顯示,最長經(jīng)過19個月的80℃恒溫老化試驗,除了個別斷裂伸長率低于350%外,其余斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

      (4)靜液壓強(qiáng)度

      試驗數(shù)據(jù)顯示,經(jīng)過長達(dá)19個月的80℃恒溫老化試驗,靜液壓試驗結(jié)果為無破壞、無滲漏。

      靜液壓強(qiáng)度試驗是在一定溫度下對管材原材料及加工工藝的短期內(nèi)綜合考量,與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。通過GB/T 18252-2008《塑料管道系統(tǒng) 用外推法確定熱塑型塑料管材材料以管材型式的長期靜液壓強(qiáng)度》來預(yù)測在一定溫度、壓力的長期使用壽命。經(jīng)80℃恒溫老化試驗,在不考慮其他因素的情況下,試驗溫度下材料靜液壓強(qiáng)度試驗無損壞、無泄漏,說明材料及加工工藝符合要求。

      3 應(yīng)對溫度影響的措施

      80℃恒溫老化試驗,只考慮高溫,未考慮低溫、應(yīng)力、介質(zhì)、氧、紫外線、光等影響的情況下進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果顯示,環(huán)境溫度對材料氧化誘導(dǎo)時間影響最大,其余性能指標(biāo)未見明顯異常。在進(jìn)行聚乙烯燃?xì)夤艿涝O(shè)計、制造、運輸和儲存、安裝、使用、定期檢驗過程中應(yīng)關(guān)注環(huán)境溫度對其性能的不利影響,并采取相應(yīng)措施規(guī)避環(huán)境溫度對聚乙烯燃?xì)夤艿酪鸬陌踩L(fēng)險。

      3.1 根據(jù)工作溫度進(jìn)行壓力折減

      工作溫度指管材內(nèi)外環(huán)境的年度平均溫度。對于埋地敷設(shè)的聚乙烯燃?xì)夤艿溃軆?nèi)燃?xì)馔ǔ槌?,相對恒定,管道的工作溫度主要取決于管道埋深處周邊地溫,通常與陽光照射、地表狀況、深度等因素有關(guān),且處于變化中。研究表明,地溫變化隨深度增加急劇降低,通常在1.0~1.2 m后趨于恒定;地表狀況對地溫有明顯影響,混凝土地面處地溫高于綠化帶地面;陽光照射對地溫提高有影響,但較?。?]。因此,聚乙烯燃?xì)夤艿涝O(shè)計時應(yīng)考慮管道埋設(shè)處的溫度,確定管道的工作溫度,按工作溫度對最大允許工作壓力Pmax=MOP/DF[MOP為最大工作壓力(MPa),以20℃為參考工作溫度]進(jìn)行折算。工作溫度下的壓力折算系數(shù)見表5。中間溫度按內(nèi)插法計算。

      表5 工作溫度下的壓力折算系數(shù)Table 5 Pressure conversion coefficient at operating temperature

      3.2 按設(shè)計使用年限考慮材料強(qiáng)度

      聚乙烯管道的強(qiáng)度是指其應(yīng)用到50年的強(qiáng)度。其在使用過程中,不僅受到溫度的影響外,還會因應(yīng)力、介質(zhì)、氧氣等因素的影響發(fā)生老化,材料的強(qiáng)度會隨者時間的推移逐漸下降。同時,由于應(yīng)力作用,會發(fā)生應(yīng)力松弛。因此,設(shè)計時應(yīng)按使用年限考慮材料強(qiáng)度。

      3.3 控制抗氧化劑、光穩(wěn)定劑、碳黑(黑色管材)用量

      抗氧化劑可有效抑制和延緩聚乙烯混配料的自動氧化降解,光穩(wěn)定劑可提高材料抵抗紫外線的破壞能力,碳黑是有效的光屏蔽劑。通過控制其添加量可提高成型過程中熱穩(wěn)定性。

      3.4 保證管道埋設(shè)深度

      《城鎮(zhèn)燃?xì)夤こ淘O(shè)計規(guī)范》(GB 50028)規(guī)定,城鎮(zhèn)市政燃?xì)夤艿缆裆钔ǔT?.8~1.2 m。此深度受陽光及地表狀況影響較小,管道埋深處的溫度相對比較恒定,有利于管道工作溫度相對穩(wěn)定。若埋深不能滿足設(shè)計有求時,應(yīng)采取加套管等保護(hù)措施。

      3.5 不得進(jìn)入和穿過熱力管溝敷設(shè),保證與熱力管道間水平及垂直凈距

      按CJJ 63-2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.2條規(guī)定,應(yīng)保證燃?xì)夤艿劳獗跍囟炔怀^40℃。熱力管道通常因介質(zhì)溫度較高,使其周圍環(huán)境溫度升高,可能導(dǎo)致相鄰的聚乙烯燃?xì)夤艿劳獗诔^40℃,使其發(fā)生老化,使用壽命減少。聚乙烯燃?xì)夤艿琅c熱力管道之間水平和垂直距離應(yīng)滿足CJJ 63-2018中表1、表2要求。當(dāng)受到地形限制時,不能保證與熱力管道水平及垂直凈距時,可采取有效的隔熱防護(hù)措施,如架設(shè)混凝土套管,必要時套管內(nèi)充填絕熱材料、采用防護(hù)板等措施[5]。

      3.6 運輸和儲存過程防曝曬、雨淋、遠(yuǎn)離熱源并采取防紫外線措施

      光、溫度、濕度、紫外線均使聚乙烯材料發(fā)生老化。在運輸或臨時施工存放中應(yīng)采用遮蓋物遮蓋。儲存時應(yīng)存放在溫度不超過40℃的倉庫(存儲型物理建筑)或半露天堆場(貨棚內(nèi)),應(yīng)有防紫外線照射的措施。 生產(chǎn)到使用期間,累計受到太陽能輻射量超過3.5GJ/m2時,累計接受的能量可根據(jù)我國各地太陽能輻射總量參考表6進(jìn)行估算,或按規(guī)定存放時間超過4年,應(yīng)對其進(jìn)行抽檢。

      表6 我國主要氣候類型的年太陽能總量參考表Table 6 Annual solar energy total reference table for main climate types in China

      按CJJ 63-2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》3.1.3條管材抽檢的項目包括靜液壓強(qiáng)度、電熔接頭的剝離強(qiáng)度和斷裂伸長率。但根據(jù)80℃恒溫老化試驗結(jié)果分析,氧化誘導(dǎo)時間對材料溫度比較敏感,因此建議先進(jìn)行氧化誘導(dǎo)時間抽檢,其合格后再進(jìn)行其他項目抽檢。

      3.7 控制焊接時環(huán)境溫度,并按環(huán)境溫度對焊接參數(shù)進(jìn)行修正

      熱熔或電熔連接時環(huán)境宜在-5~40 ℃范圍內(nèi),若低于-5℃,應(yīng)采取保溫措施,夏季應(yīng)有遮陽措施,避免管子高溫時焊接后溫度變化引起縱向回縮后導(dǎo)致接口開裂。同時根據(jù)環(huán)境溫度對焊接溫度進(jìn)行修正。

      3.8 鋼塑轉(zhuǎn)換接頭焊接鋼管段接頭時應(yīng)對鋼塑過渡段采取降溫措施

      鋼塑轉(zhuǎn)換管件的鋼管段與鋼管焊接時,防止鋼管端焊接熱量傳遞給鋼塑邊界時,由于塑料熱阻較大,熱量容易在鋼與塑料邊界處聚集造成此處溫度過高,局部過熱引起材料性能改變,應(yīng)對鋼塑過渡段采取降溫措施,并應(yīng)確定好降溫位置。

      3.9 管道采用蜿蜒敷設(shè)

      采用管道蜿蜒敷設(shè),克服溫差引起的軸向變形,使管道不受約束隨溫度變化自由活動。

      4 結(jié)束語

      光、濕度、紫外線、溫度等因素均可加速管材的老化,溫度作為對管材性能影響條件之一,應(yīng)避免管材在高溫下運輸和儲存、使用。若進(jìn)行復(fù)檢時應(yīng)考慮抽檢材料的氧化誘導(dǎo)時間。在定期檢驗中,應(yīng)重點抽查管道埋深不夠、裸露或鋼塑過渡部位的材料力學(xué)性能,防止因溫度的影響造成的材料老化問題。

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