PE燃气管道接口脆断的实验分析与对策研究

张 伟

（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350001）

PE燃气管道接口脆断的实验分析与对策研究

张 伟

（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350001）

为了弄清PE燃气管道接口脆性断裂的原因，文中对脆断管道和合格管道的微观形貌、热学性能和力学性能进行实验分析，发现脆断管道内部存在的明显层状纹理空隙和过多的填料是引起其发生脆性断裂的主要原因。同时为了避免此类事故再次发生，文中从控制混配料的成分、规范管道的成型工艺、加强生产企业的检验能力和发挥特种设备检验机构的职能作用四个方面提出预防PE燃气管道焊接接口脆性断裂的对策与建议。

PE燃气管道；接口脆断；实验分析；对策

随着我国城镇化速度的加快，燃气消费作为一种高热能、低污染的清洁能源消费尤其是居民消费增长迅速。燃气管道作为燃气输送的重要依托，必须具备安全、稳定、高效的性质，才能保证燃气这种清洁能源利用的可持续发展。与传统的金属燃气管道相比，聚乙烯（PE）燃气管道具有质量可靠、运行安全、维护简便、价格经济等优点，在燃气输送领域发展迅猛[1]。以美国为例，在20世纪50年代末开始使用PE燃气管道，到2006年，PE燃气管道铺设总里程达到914000公里。我国于1982年在上海铺设了第一条PE燃气管道[2]，随着西气东输、川气东送等输气工程的建设，我国PE燃气管道需求进入一个高速增长阶段。由于我国PE燃气管道技术起步较晚，在管道的生产、安装、检测和运行管理方面的经验不足，以至于管道事故率远远高于发达国家。为了最大限度地降低PE燃气管道事故的发生率，提高管道的安全运行水平，对安装的管道进行检测至关重要，尤其是管道焊接接口处的检测[3,4]。虽然PE管道焊接性能优异，但是也存在发生焊接接口断裂的可能性。福建省锅炉压力容器检验研究院在对辖区内一例PE燃气管道进行安装监督检验时，发现原本经翻边检测、保压试验等确认合格的管道，在进行穿越时会在接口处发生脆性断裂，后经检验员对接口进行破坏试验，发现该批次管道所有接口均会发生脆性断裂。为了弄清本次事故发生的原因，同时避免类似事故再次发生，文中对该批次管道和合格管道的微观形貌、热学性能和力学性能进行对比分析，并提出预防PE燃气管道焊接接口脆性断裂的对策与建议。

1 实验部分

1.1 实验材料

接口发生脆性断裂的PE燃气管道（简称“脆断管道”）与合格的PE燃气管道（简称“合格管道”）均取自管道铺设施工现场，未经过进一步处理，直接加工成标准测试样品，待检。

1.2 测试与表征

表面形貌利用德国Carl Zeiss公司的Zeiss SUPRA 55 SEM型场发射扫描电子显微镜测试。热失重分析(TGA)通过TA仪器公司SDT Q600型热重分析仪测量，升温速度10℃/min，N2气氛。差示扫描量热(DSC)曲线采用Mettler-Toledo公司DSC 822e型差示扫描量热仪测量，升温速度10℃/min，N2气氛。采用美特斯公司CMT 6104型电子万能试验机按GB/T 2567-2008标准测试拉伸强度，拉伸速度10mm/min，按GB/T 9341-2008标准测试弯曲强度，试验速度2mm/min。利用金建公司XJJD-5型冲击试验机按GB/T 2567-2008标准测试冲击强度，冲击能为1J。

2 结果与讨论

2.1 断面形貌分析

图1 合格管道（左）和脆断管道（右）的断面形貌

图1是合格管道和脆断管道的断面扫描电镜照片。图中显示，前者的断面比较光滑致密，没有观察到明显的相分离现象，后者的断面出现许多明显的层状纹理空隙，表明脆断管道内部的缺陷较多，这是发生接口脆性断裂的直接原因。

2.2 热学分析

图2 合格管道和脆断管道的热失重曲线（左）和DSC曲线（右）

合格管道和脆断管道的热学分析如图2所示。从热失重曲线可以发现，两种管道的热失重主要发生在460℃～480℃，对应于PE分子链的分解[5]。值得注意的是，当温度为500℃时，合格管道的热失重为3.33%，脆断管道的热失重为3.65%，这说明脆断管道中存在更多的不易分解的填料。两种管道的DSC曲线显示，合格管道和脆断管道的熔点分别为116.7℃和114.5℃，热流量最大值分别位于126.5℃和125.8℃。脆断管道的熔点较低的主要原因可能是由于过多的填料限制PE结晶，导致PE的结晶尺寸变小，在受热情况下，PE的分子链运动更加容易。

2.3 力学性能分析

表1 合格管道和脆断管道的力学性能

表1为合格管道和脆断管道的力学性能。从表1可以看出，与合格管道相比，脆断管道的弯曲强度略有提高，但是拉伸强度和冲击强度下降，特别是冲击强度的下降比较明显，从33kJ/m2降低到26kJ/m2。这主要是由于一方面脆断管道的填料较多，另一方面脆断管道内部有大量层状纹理空隙缺陷，导致脆断管道的韧性大幅度下降，焊接接口发生脆性断裂[6]。

3 对策及建议

PE燃气管道具有耐低温、韧性好、安装费用低等优点，特别是能够有效避免钢管、铸铁管的腐蚀和接头泄漏等缺点，已经逐步取代钢管和铸铁管应用于中低压燃气输送领域。为了保证PE燃气管道安全、稳定、高效运行，有效避免燃气泄漏等事故发生，文中在对比分析合格管道和脆断管道的断面形貌、热学和力学性能的基础上，提出下述的对策和建议。

3.1 严格控制混配料成分，确保符合国家标准要求

我国国家标准《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：管道》（GB 15558.1—2003）中对生产PE燃气管道混配料的选用有明确的规定，即需要采用具有明确等级且性能稳定的混配料生产燃气管道，混配料的基本性能要严格符合国家标准GB 15558.1—2003中表1-17和表1-18的要求[7]。但是，由于目前PE燃气管道市场竞争激烈，某些生产企业为了降低成本，采用未标明具体等级的混配料，甚至采用“基础树脂+黑色母料”（所谓“白加黑”）为原料生产PE燃气管道，这样不仅造成管道市场的不正当竞争，引起整个管道制造业的混乱，而且会严重劣化管道的性能，给管道的正常运行带来严重的安全隐患[8]。

混配料在加工之前不仅要确认其各项性能指标是否满足国家标准的规定，而且要检査原料的包装是否完整，如果包装破损，混配料需要经过检验部门重新鉴定合格并保证无杂质污染后才能投入使用。因为混配料中的炭黑极易吸水，所以在加工之前，还需要对混配料进行干燥处理。为了避免干燥后的混配料重新吸水，干燥后的混配料应通过密闭的管道输送进入挤出机的料斗。目前某些生产企业为了降低生产成本，提高生产效率，缩短干燥时间甚至省去干燥操作，仅在混配料中填加少量干燥剂达到干燥的目的，这在很大程度上降低了产品性能。目前，国家标准中允许在混配料中添加少量洁净的同种回用料，但是并没有明确规定添加回用料的用量，某些生产企业为了减低成本，加入50%甚至更多比例的回用料也说成少量的回用料。更有甚者，某些企业添加回收料或者废料，这严重影响了管道性能。

文中讨论的脆断管道经测试分析发现，高温分解后残余物质的量较合格管道的多，这可能是由于生产企业为了降低成本，一方面省去干燥操作，而在混配料中添加干燥剂，干燥剂主要是一些无机物，在高温下不易分解；另一方面，在混配料中加入了不符合要求的回用料，甚至回收料或者废料，引起原材料的成分发生改变。

3.2 严格规范管道的成型工艺，确保管道的使用性能

目前通常采用单螺杆挤出机成型PE燃气管道。某些生产企业为了降低投资成本，采用即有的双螺杆挤出机成型管道，这可能使PE熔体在双螺杆挤出机的高剪切作用下发生降解，降低管道的性能，影响管道的质量。

PE管道的挤出成型工艺过程主要由混配料的处理、挤出成型、冷却定径、牵引和切割等工序组成。PE管道在挤出成型过程中，必须严格规范每一道成型工艺操作。某些生产企业不能严格按照每一道工序的操作规范进行生产，都将在很大程度上降低产品的性能，增加燃气输配系统的安全隐患。例如：挤出温度是促使混配料塑化和熔体流动的必要条件，温度过低，混配料塑化不均匀，管道内部会出现相分离情况，温度过高则会引起PE降解，降低管道的力学性能；挤出速度代表挤出成型的实际生产效率，某些生产企业为了追求生产效率而盲目提高挤出速度，导致PE熔体与料筒或螺杆的摩擦加剧，摩擦热升高，引起PE降解而影响管道的性能；冷却定径主要是控制真空度和冷却速度，真空度太髙会影响管道的正常挤出，太低会使管坯变形较大，冷却速度过快易在管道内部产生较大的内应力而引起管道在使用过程中发生变形，冷却速度过慢对管道的定型不利。文中讨论的脆断管道的断面出现许多明显的层状纹理空隙，这可能是由于一方面混配料中填料的含量较高，不易分散均匀，另一方面挤出温度偏低，PE熔体没有完全熔融塑化。

3.3 加强生产企业的检验能力，提高管道的出厂检验水平

国家标准GB 15558.1—2003明确规定了PE燃气管道的外观、几何尺寸、力学性能、物理性能、标志、检验规则和包装、运输、贮存等的要求[7]。由于管道的使用单位除了能检测管道的外观和几何尺寸外，几乎不具备做任何其他性能检验的条件，所以这就需要管道生产企业严把质量关，对每批管道都必须进行严格的出厂检验，并出具出厂检测报告。目前，某些生产企业虽然具备一定的检测能力，但是检测设备落后，检测项目和精度水平都无法满足国家标准的要求，这种生产企业出具的管道出厂检测报告令人质疑；某些生产企业虽然配备检测人员，但检测人员既不具备高分子材料成型与加工方面的专业知识，又不注重对国家标准和检验方法的研究，在日常的检验工作中难免会出现偏差，无法保证管道的质量。因此，这就需要管道生产企业购置先进的检验设备以及提高检测人员的业务技能。

3.4 发挥特种设备检验机构的职能作用，落实生产监督检验机制

《特种设备安全法》第十五条规定，特种设备的生产、经营、使用单位对其生产、经营、使用的特种设备应当进行自行检测和维护保养，对国家规定实行检验的特种设备应当及时申报并接受检验。特种设备检验机构应根据企业的实际情况安排，对PE燃气管道生产企业每年不定期地进行2至4次监督检查。一方面判断生产企业的规章制度建设、职工教育培训、各级安全生产责任制的落实等是否符合要求，另一方面由专业人员从技术层面检查PE燃气管道的混配料、加工设备、加工工艺、包装、仓储、运输等是否符合GB 15558.1—2003的标准要求。对于在检查中发现的问题，应该根据问题的严重程度分别管理。对于比较严重的问题需要书面整改，给企业发出安全隐患整改通知书，列出需要整改的内容与建议，给出整改期限，并对整改措施的落实情况进行监督。生产企业要针对整改通知书中列出的整改内容，在规定的整改期限内严肃、认真地进行整改，并随时准备接受特种设备检验机构的监督检查。

4 结论

为了弄清PE燃气管道接口脆性断裂的原因，文中对脆断管道和合格管道的微观形貌、热学性能和力学性能进行实验分析。扫描电镜照片显示，合格管道的断面比较光滑致密，脆断管道的断面出现许多明显的层状纹理空隙，表明脆断管道内部的缺陷较多。热失重和DSC测试结果表明，与合格管道相比，脆断管道的热失重率更高，熔点更低，这些都说明脆断管道中含有更多不易分解的填料。力学性能的测试结果说明，脆断管道的冲击强度大幅度下降，这与其填料较多以及内部大量的层状纹理空隙缺陷有关。同时为了避免此类事故再次发生，文中从控制混配料的成分、规范管道的成型工艺、加强生产企业的检验能力和发挥特种设备检验机构的职能作用等四个方面提出预防PE燃气管道焊接接口脆性断裂的对策与建议。

[1]沈桂兰,孙鸿,李军. 浅谈PE燃气管道中PE球阀的应用[J]. 广州化工, 2013, 41(8)∶ 173-174, 226.

[2]廖泽辉, 寇睫敏. 浅谈PE(PE)燃气管在城市燃气输配管网中的应用[J]. 科技信息, 2011, (12)∶ 300-301.

[3]钟鸣, 吴明. 城镇燃气PE管道关键部位和高风险段的检测方法[J]. 当代化工, 2015, 44(10)∶ 2381-2387.

[4] 罗艺.姜稳庄PE燃气管道接口的质量控制[J].城市燃气, 2004, 357(11)∶ 3-6.

[5] 陈平,田景利. PE热分解反应动力学处理方法比较[J].抚顺石油学院学报, 2000, 20(2)∶ 9-12.

[6]常铁军, 孙祚东, 王君. 填料对超高分子量PE冲击性能的影响[J]. 应用科技, 2004, 31(6)∶ 67-69.

[7]国家技术监督局. GB 15558.1-2003 燃气用埋地PE(PE)管道系统第1部分∶ 管道[S]. 北京∶ 中国标准出版社, 2004.

[8]中国城市燃气协会. 城镇燃气聚乙烯(PE)输配系统[M].北京∶ 中国建筑工业出版社∶ 73-87.

Experimental Analysis and Countermeasures Research on Brittle Fracture of PE Gas Pipeline Interface

ZHANG Wei
(Inspection and Research Institute of Boiler and Pressure Vessel of Fujian Province, Fuzhou 350008, Fujian, China)

In order to find out the reason of the brittle fracture of PE gas pipeline interface, the surface morphology, thermal properties and mechanical properties of the pipeline that the fracture of joint was brittle fracture and qualified pipeline were measured and analyzed in this paper, and the results show that the internal obvious lamellar texture space and too much filler are the main reasons . At the same time, in order to prevent this kind of accident happening, some countermeasures and suggestions are put forward, including controlling the composition of raw materials, regulating the forming process of pipeline, strengthening the testing capability of manufacturing enterprises and consolidating the function of special equipment inspection agency.

PE gas pipeline; Brittle fracture of interface; Experimental analysis; Countermeasure

2016-07-18

福建省质量技术监督局科技项目（No: FJQI2013096、FJQI2013086）

张 伟，男，福建省锅炉压力容器检验研究院，工程师