橙色燃气管专用HDPE的性能

王 琳，景政红，万小侠（北京燕山石化高科技术有限责任公司，北京市 102500）



橙色燃气管专用HDPE的性能

王 琳，景政红，万小侠
（北京燕山石化高科技术有限责任公司，北京市 102500）

摘 要：研究了橙色燃气管专用高密度聚乙烯7600MO的基础性能，并与同类进口产品（记作GW）进行了对比，分析了其结构与性能。结果表明：7600MO的拉伸屈服应力、弯曲模量以及拉伸断裂应力均与GW相当；用7600MO挤制的管材通过了长期静液压实验，说明7600MO满足PE100级管材的分级要求；用7600MO挤制的管材通过耐快速裂纹扩展、耐慢速裂纹增长、耐气体组分以及耐候性能测试，符合GB 15558.1—2003和ISO 4437：2007要求。

关键词：高密度聚乙烯 管材 PE100级 性能

聚乙烯的柔顺性、耐化学药品腐蚀性、耐低温性、可焊接性以及“非开挖定向钻孔”等拓宽了其应用领域［1］，尤其是用聚乙烯挤制的管材的优异耐快速裂纹扩展性能（RCP）使其成为低压燃气管的首选原料。

国家标准要求挤制燃气管的聚乙烯必须是PE80或PE100级聚乙烯的混配料。在欧洲，燃气管混配料以黑色为主，但有的国家橙色PE100级聚乙烯是燃气管的首选原料。市场上橙色燃气管专用聚乙烯主要依靠进口，包括：法国Total公司生产的橙色高密度聚乙烯（HDPE）XS10YCF、美国英力士公司生产的橙色HDPE TUB125 N2025、北欧化工有限公司生产的橙色HDPE HE3492-LS［2］。为满足国内市场需求，中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司（简称燕山石化公司）进行了橙色PE100级燃气管专用HDPE的研究开发。

1　实验部分

1.1主要原料

HDPE，7600M；HDPE，7600MO，以7600M为原料制备而成的橙色混配料：均为燕山石化公司生产。进口PE100级橙色燃气管专用HDPE（记作GW）。

1.2主要仪器

TP-402-2型熔体流动速率仪，日本TesterSangyo公司生产；Z010型电子万能试验机，HIT25P型摆锤冲击试验机，均为德国Zwick公司生产；5565型电子拉力万能材料试验机，美国Instron公司生产；AR-160型自动比重计，日本长岛计量器制作所生产。

1.3实验方法

熔体流动速率（MFR）按GB/T 3682—2000测试；密度按GB/T 1033.1—2008测试；拉伸性能按GB/T 1040.2—2006测试；弯曲性能按ISO 178：2010测试；简支梁缺口冲击强度按ISO 179-1：2010测试；管材性能按GB 15558.1—2003［3］和ISO 4437：2007［4］测试。

2　结果与讨论

2.1基础性能

从表1看出：3种管材专用HDPE的MFR均较小，仅0.20～0.30 g/10 min，所以需较高的加工温度。而7600MO与7600M的MFR相当，说明7600MO保留了原料7600M的加工性能。与GW相比，7600MO的MFR偏小但相差不大。

表1　管材专用HDPE的基础性能Tab.1 Basic performance of HDPE for pipe

聚合物结晶度越高，其密度越大，抗张强度越高，但相应的冲击强度会降低；反之，结晶度越小，密度越小。这是因为结晶度高，分子排列紧密，分子间孔隙小，分子活动受阻。表1中，GW的密度较7600MO略大，说明7600MO与GW结晶度相当，间接表明7600MO力学性能与GW相近。

从表1还看出：7600MO的综合性能较好，拉伸屈服应力、拉伸断裂应力、弯曲模量均与GW接近。拉伸屈服应力直接影响管材的短期静液压性能，较高的拉伸屈服应力能保证管材在使用过程中免遭破坏，延长管材使用寿命；而较高的弯曲模量使管材能承受埋地环境和负荷的需要；优异的抗冲击性能可保障管材在安装过程中发生碰撞时不会被损害。

2.2管材性能

2.2.17600MO的分级

长期静液压强度通过ISO 9080：2003中的外推法获得。外推过程是按ISO 9080：2003规定的温度和压力进行液压实验，然后将各数据进行多元线性回归，建立温度、管材破坏时间（t）和管内静液压应力（σ）三者间的关系：σLPL=σ（θ，t，0.975）（θ表示温度；σLPL指静液压强度置信下限，表示为包含θ和t的一个函数），然后依据数学模型在σ～t的双对数坐标上描绘出一簇曲线，曲线直观地给出了管材在各温度、σ条件下的静液压强度。

2013年，燕山石化公司委托国际权威管材料等级认证机构—瑞典Exova实验室对7600MO进行等级评定。从图1看出：20 ℃条件下，管材保持50年不破裂时的静液压强度为10.26 MPa，即σLPL（20 ℃，50年，0.975）=10.26 MPa。压力管材所用原料的分级标准是：当管材的σLPL为10.00～11.19 MPa，最小要求强度（MRS）=10.00 MPa，HDPE原料即为PE100级。图1数据说明7600MO达到PE100级。从图1可推测，用7600MO挤制的管材使用寿命达100年，说明用7600MO挤出的管材具有优异的长期使用性能。

图1　用7600MO挤制的管材的长期静液压实验结果Fig.1 Long-term hydrostatic test results of pipe made from7600MO

2.2.2耐候性

用7600MO挤制的管材在瑞典Exova实验室进行了耐候性实验。从表2看出：用7600MO挤制的管材通过了耐候性认证，满足ISO 4437：2007的要求。

2.2.3RCP性能

RCP是在有压力的塑料管道中与纵向裂纹快速不稳定扩展有关的破坏类型［5］。目前，评价RCP性能较为成熟的方法有全尺寸实验和S4实验。S4实验是RCP性能的小规模（小尺寸）稳态实验［6］。全尺寸实验临界压力≥1.5MOP（MOP为最大工作压力），S4实验的临界压力（pc，S4）≥MOP/2.4-0.072［3］。对S4实验进行评价，将MOP=2MRS/C （SDR-1）［C表示总体使用（设计）系数，SDR为标准尺寸比，即管材公称直径和公称厚度的比值］代入pc，S4计算公式得pc，S4≥0.34 MPa。

用7600MO挤制的管材的RCP性能检测结果显示，pc，S4为0.34 MPa，满足GB 15558.1—2003中pc，S4≥0.34 MPa的要求，即用7600MO挤制的管材通过RCP性能测试。

表2　7600MO耐候性能实验结果Tab.2 Resistance to weathering of 7600MO

2.2.4耐慢速裂纹增长（SCG）

根据脆性断裂的裂缝理论，所有实际存在的制品表面不可能不存在裂缝和缺陷（如表面划痕、内部夹杂、微空等），裂缝尖端处的应力集中达到或超过某一临界条件时，裂缝会失去稳定性而发生扩展，当裂缝贯穿管材壁，管材便遭到破坏。裂缝的增长速率可能相当慢，数年或者数十年，称之为SCG［7］。用7600MO挤制的管材在80℃，0.92 MPa条件下的SCG时间为2 211 h，满足指标（≥165 h）的要求。

2.2.5耐气体组分性能

取32 mm×3 mm的管材，管材内部冷凝液为质量分数50%的正癸烷（纯度99%）和质量分数50%的1，3，5-三甲基苯的混合物，状态调节1 500 h后进行80 ℃、环应力为2 MPa的静液压实验，即管材耐气体组分实验，ISO 4437：2007要求管材静液压实验超过20 h无破坏即满足要求。

用管材输送的燃气中含有苯等芳香烃化合物，苯溶剂会渗入管材，出现溶胀，管材物理性能下降。管材强度降低，影响其使用寿命。用7600MO挤制的管材试样经耐气体组分测试26 h后完好无损，通过了测试。

3　结论

a）7600MO综合性能较好，达到GW的水平。

b）用7600MO挤制的管材通过PE100级定级认证，7600MO满足PE100级管材用原料的要求。

c）用7600MO挤制的管材性能符合GB 15558.1 —2003和ISO 4437：2007的要求，通过RCP，SCG，耐气体组分性能以及耐候性能测试。

4　参考文献

［1］ 鲍光复.国内聚乙烯燃气管专用料的开发现状及市场［J］.现代塑料加工应用，2011，23（5）：47-53.

［2］ 张春宇，李连鹏，王硕，等. 国内外聚乙烯燃气管材专用料的发展概况［J］. 弹性体，2013，23（5）：67-73.

［3］ 高立新，孙逊，王华，等.GB 15558.1—2003燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：管材［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［4］ 国际标准化管理委员会.ISO 4437：2007 buried polyethylene （PE） pipes for the supply of gaseous fuels—metric series -Specifications［S］. 伦敦：英国标准协会，2007.

［5］ 王群涛，唐岩，毕丽景，等. 齐鲁PE100级燃气管专用料的研制［J］. 齐鲁石油化工，2006，34（4） ： 379-382.

［6］ 王华，王志伟，孙逊，等.GB/T 19280—2003流体输送用热塑料管材耐快速裂纹扩展的测定（RCP）小尺寸稳定试验（S4试验）［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［7］ 唐岩，毕丽景，李延亮.PE管材发生慢速裂纹扩展的影响因素［J］.合成树脂及塑料，2003，20（3）： 52-54.

Study on performance of HDPE for orange pipes of gaseous fuels

Wang Lin，Jing Zhenghong，Wan Xiaoxia
（Beijing Yanshan Petrochemical High-Tech Company Limited，Beijing 102500，China）

Abstract：High density polypropylene（HDPE）7600MO is observed on the basis of performance and compared with imported materials（GW）used for orange pipes of gaseous fuels. The structure and properties of these materials are analyzed as well. The results show that the tensile stress at yield，flexural modulus and tensile stress at break of 7600MO has reached the level of imported GW. The pipe performance of 7600MO passes through the pipes long-term hydrostatic test and meets the requirements of PE100 material grading. It also passes the rapid cracking propagation，slow cracking growth，resistance to gas constituents and resistance to weathering test，in line with the requirements of GB 1558.1—2003 and ISO 4437：2007.

Keywords：high density polypropylene； pipe； PE100 level； performance

作者简介：王琳，女，1988年生，助理工程师，2011年毕业于中国石油大学（北京）材料科学与工程专业，现主要从事合成树脂加工与应用研究工作。联系电话：（010）69343903；E-mail：wanglin03.yssh@sinopec.com。

收稿日期：2015-12-22；修回日期： 2016-03-15。

中图分类号：TQ 325.1+2

文献标识码：B

文章编号：1002-1396（2016）03-0056-03