聚乙烯管材耐慢速裂纹增长性能的加速评价方法研究进展

王志刚，杨 波，李茂东，林金梅，李仕平，翟 伟

（广州特种承压设备检测研究院，广东广州510663）

标准与测试

聚乙烯管材耐慢速裂纹增长性能的加速评价方法研究进展

王志刚，杨 波，李茂东，林金梅，李仕平，翟 伟

（广州特种承压设备检测研究院，广东广州510663）

综述了聚乙烯（PE）管材慢速裂纹失效模式及相关评价方法，分析了现有PE管材耐慢速裂纹增长（SCG）性能评价方法的优缺点，针对现有评价方法试验周期长、效率低等问题，详细介绍了近年来应用于测试PE管材SCG性能的主要加速评价方法，并对该领域未来的发展方向提出展望。

聚乙烯管材；失效模式；耐慢速裂纹增长；加速评价

0 前言

PE材管由于其耐腐蚀性强、力学性能好、使用寿命长及环保等优势已逐步取代钢管，在城市给排水、燃气等管道系统中广泛使用［1－3］。但是由于在生产、运输及施工等过程中造成的缺陷以及温度、压力和点载荷等外界因素的影响，PE管材会存在蠕变、应力松弛、快速裂纹扩展、慢速裂纹扩展及材料老化等失效模式，而慢速裂纹扩展是影响PE管材使用寿命最主要的失效模式［4］。因此，评价PE管材的SCG性能在工业制造中非常重要。目前，实现PE管材SCG的主要评价方法包括切口管试验（NPT）、全缺口拉伸蠕变试验（FNCT）、宾夕法尼亚缺口拉伸试验（PENT）、锥体试验方法（Cone）、缺口环试验（NRT）和点载荷试验（PLT）等［5－6］，这些方法虽然能很好的评价PE管材的SCG性能，但是随着材料的不断更新［如100级聚乙烯（PE100）、100级耐开裂聚乙烯（PE100RC）等材料］，其SCG性能越来越好，传统的SCG性能评价方法由于所需的试验时间太长等局限而逐渐难以支撑工业快速发展的需求，如PE100RC管材的全缺口拉伸蠕变试验及点载荷试验时间均需要超过15000h，其他评价方法也都需要超过1年的试验时间，长时间的评价周期严重阻碍了管材专用树脂的开发速度。因此，越来越多的国内外研究者开始把目光投向材料SCG性能加速评价方法的研究，以满足对PE管材的质量控制及专用树脂开发的需求。

本文详细介绍了目前使用的测试PE管材SCG性能的主要加速评价方法，详细分析了相应试验方法的原理及优势，为新型PE管材材料的SCG性能测试提供更快速、有效的评价方法。

1 主要加速评价方法

1．1 应变硬化模量法

PE材料是由结晶区和无定形区组成的部分结晶型聚合物，其结晶度较高，存在3种无定形的分子链形态（从片晶中伸出的悬浮分子链、分子链两端均在同一片晶中伸出的悬浮分子链环和系带分子链）。管材慢速裂纹扩展是材料在持续低应力状态下发生的，当材料在低应力状态下，带分子链开始解缠和滑移，随着时间的推移，剩下为数不多的带分子链承受着载荷作用，这时造成应力集中，于是管材发生脆性破坏，如图1为PE结构分子的脆性破坏示意图。应变硬化模量法（The Strain Hardening Modulus Method，SH）是基于银纹发展和银纹—裂纹转换的Kramer－Brown模型［7－8］发展起来的评价PE材料SCG性能的加速试验方法［910］，如图2为裂纹尖端的银纹结构。通过测试材料应变硬化点的应力 － 应变曲线的斜率来表征材料的SCG性能［11］，如图3所示。该方法试验原理是首先将试样放在80℃的恒温箱中，通过特制的夹持器具夹住试样（试样如图4所示）两端，以5mm／min的应变率施加一个0．4MPa的预应力，接着用20mm／min的恒定移动速度拉伸试样，收集拉伸比（λ）在8～12之间或试样失效时的数据值。该方法较传统测试材料裂纹增长速度［5］的SCG性能试验方法有以下优势：（1）试验时间能从传统的几千小时缩短至几小时，极大地缩短了PE材料的试验周期；（2）操作简单，仅需在80℃恒温状态下进行简单地拉伸应变硬化试验；（3）无需浸泡在特殊环境中，也无需添加任何表面活性剂；（4）试验测得数据的标准偏差小于传统SCG性能评价方法，具有更高的评价精确度和准确度。Kurelec等［12］通过试验验证了材料的有效缠结分子链的密度是控制材料银纹扩展和银纹－裂纹转换最重要的固有材料参数，可以通过测试材料的应变硬化程度来直接评估PE材料的有缠结分子链密度，最终得出材料应变硬化性能与SCG性能是成正相关的关系。Antony等［13］通过进一步改进试验方法，使应变硬化模量法只需在常温下就能进行，进一步简化了试验条件，不过该方法目前只能应用于低密度聚乙烯（PE－LD）管材的SCG性能测试。2015年英国正式制定了应用应变硬化模量法来实现PE管用材料的SCG性能的加速试验的国际标准（BS ISO 18488：2015）［14］。截止目前为止，国内还未对该方法形成国家及行业标准，也鲜有相关学术论文报道。所以，该方法将成为未来测试新型PE管用材料SCG性能加速主要试验方法之一。

图1 PE结构分子水平的脆性破坏示意图Fig．1 Schematic diagram of brittle fracture at molecular level of polyethylene structure

图2 裂纹尖端的银纹结构Fig．2 Crazing structure of the cracked tip

图3 应变硬化模量法试验拉伸曲线图Fig．3 Tensile curves of strain hardening modulus method

图4 加工试样Fig．4 Processing samples

1．2 循环载荷法

随着原材料性能的提高，PE管材抵抗裂纹萌生和慢速裂纹扩展的能力大幅提高［15］。现有PE材料SCG性能评价方法的评价时间往往超过实际时间［16］，通过提高温度［17］及加压［18］等方式来减少试验时间等措施都对试验环境提出了较高的要求，而循环载荷法即使是在外界温度23℃室温条件下，试验时间就可获得极大程度的缩短。该方法通过在圆柱试样的圆周方向加工环形初始裂纹，然后在圆柱试样上施加材料发生慢速裂纹扩展的连续负荷范围的循环拉伸，使其发生慢速裂纹扩展直至失效，通过分析在初始预置裂纹长度为aini时，样品失效周期数（Nf）与应力范围值（Δδ0）的对应关系，来测试材料的SCG性能。该方法的优势是由于样品的特殊几何关系使得裂纹尖端存在高度的制约和小的塑性变形，保证了裂纹快速萌生，从而缩短试验时间［19－22］。该试验方法的优势是试验环境无需在特定环境下进行，仅需要在与实际应用温度保持一致的情况下进行试验；由于是在室温下进行试验，聚合物的结构状态不会发生改变，不会破坏材料的分子链结构。Redhead等［23］使用线弹性断裂力学的概念，开发了用于高密度聚乙烯（PE－HD）管的SCG试样中的裂纹产生模型，应用于PE管材的寿命评估；此外，还对裂纹尖端工艺区进行了分析，以便更好地理解慢速裂纹生长的引发机理。Frank等［24］运用循环载荷法对来自5个不同原料供应商的10种PE100和PE100RC管材的SCG性能进行快速材料分级，还对35种不同PE管材进行试验，根据采集的数据来确定不同PE材料的失效范围，并且验证了在室温下，PE100的失效性能和PE100RC有重叠。Kratochvialla等［25］将循环载荷法运用于确定管材SCG性能的短时间试验方法，该试验方法在48h内就能提供材料脆性断裂结果，并指示慢速裂纹的失效类型，通过与缺口管试验、二缺口蠕变试验和仪器化夏比冲击试验进行比较，验证了SCG试验可用于预测PE管的长期缓慢裂纹扩展行为。循环载荷试验方法的国际标准ISO 18489：2015于2015年制定［26］，目前国内还未形成相应国家及行业相关标准。

图5 循环载荷试验结束后典型的SCG样品断面图Fig．5 Typical SCG sample cross sections after cyclic loading test

1．3 其他方法

温度、压力及溶剂活性等作为影响PE管材SCG的主要因素，一直以来都是国内外众多研究者研究PE管材SCG性能的主要参考点［21］。Brown等［20］研究表明，试验温度每提升1℃，破坏时间大约缩短10%，同时建立了不同温度时应力与破坏时间的曲线，可以判断脆韧转变点，预测材料的长期性能；Warda等［27］研究表明在表面活性剂溶液中的试验周期比在空气进行试验要缩短50倍。针对FNCT、Cone、NPT及PLT等PE管材SCG性能评价方法均需要在液压以及溶液环境下进行，越来越多的研究者通过在溶液中加入表面活性剂来实现材料SCG性能加速测试。熊志敏等［28］通过开发质量分数为1．96%的Arkopal N100及质量分数为0．04%的十二烷基磺酸钠溶液制成的表面活性剂溶液用于研究PE－HD管材SCG性能，该方法较壬基酚聚氧乙烯醚表面活性剂溶液提高至少1倍的加速效果，极大地加速了PE－HD管材的评价试验。通过改变温度、压力及添加表面活性剂等方式，可以加速试样的破坏，缩短材料的评价周期，存在的局限性是都需要在特定的环境中才能进行试验。

2 结论

（1）PE管材SCG性能作为影响管材使用寿命最重要的脆性失效模式，其SCG性能测试显得尤为重要，为保障工业PE管材的长期安全使用起到重要的作用；

（2）PE管材SCG性能测试的加速评价方法相比传统评价方法，不仅评价周期极大地缩短，减少了新材料的开发周期，而且试验精确度和准确度也具有明显的优势，未来将成为高性能PE管材的主要评价方式。

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《中国塑料》正文格式要求

文章以实验为主要内容的，应说明实验设备、实验条件，对实验误差的估计等。文章的撰写应便于同行重复再现所报道的内容，由于保密原因不便公开某些内容的，应在附信中向编辑说明情况。

文章以数值计算为主要内容的，应给出所求解的方程、重要的计算参数、初始或边界条件，难点问题的处理等，应对方法的适用性和计算精度估计有所说明，全文统一计算精度。

引言应说明课题的背景，引述该领域的国内外同行已经取得的进展，以说明本文的选题意义和创新点所在。

正文采用二级及以下标题。二级标题下需要分类的，可在新的段落中进行讨论，一个段落讨论说明一个问题。举例：

0前言

1实验部分

1．1 主要原料

此节给出所用原料和药品的具体参数，每一种原料占一行，以“；”结束此项；最后用“。”结束此段。

格式：药品或原料名称，药品或原料规格、牌号及参数，生产厂家；例：

十八烷基三甲基氯化铵，分析纯，山东淄博化学有限公司；

高密度聚乙烯（PE－HD），5502，雪佛龙－菲利普斯新加坡化工有限公司；

1．2 主要设备及仪器

此节给出设备参数，每一设备占一行。

格式：设备名称，型号，生产厂家；例：

平板硫化机，SQLB－350×350，上海第一橡胶机械厂；

热失重分析仪，TA2950，美国TA公司。

1．3 试样（或样品）制备

此节主要介绍制备工艺过程。例：

所用的聚甲基乙烯基硅氧烷为BPO硫化PMVS得到的片状料，其配方、工艺参数、厚度相同，溶胀之前在真空烘箱中于150℃干燥4h，180℃干燥2h，除去小分子残留物。硅橡胶片尺寸约45mm×24mm×2mm，质量约2．5g。在玻璃瓶中加入丙烯酸酯单体（60g）、过氧化苯甲酰引发剂BPO（102mg），室温下放置2h，观察不到固体BPO存在时，将硅橡胶片完全浸没在丙烯酸酯与BPO组成的溶液中，溶胀不同时间后，取出硅橡胶片，记录溶胀后的质量。溶胀度用溶胀吸收的丙烯酸酯溶液的质量与原硅橡胶片的质量之比表示。将溶胀一定时间的橡胶片置于玻璃瓶中，置于真空干燥箱中，在80℃，真空度0．01MPa下聚合2h。

1．4 性能测试与结构表征

此节要列出所采用的标准和试验条件等。例：

按GB／T 1843—2008测试材料悬臂梁缺口冲击性能，使用缺口制样机r＝0．1mm的铣刀制得“V”形缺口，缺口深度为2mm，摆锤速度为3．5m／s。

2结果与讨论

……………。

2．1 蒙脱土对PP力学性能的影响

……………。

2．1 ．1对冲击强度的影响

……………。

2．1 ．2对拉伸强度的影响

……………。

2．2 ……………

……………………………………………………

3结论

（1）……………；

（2）……………。

（注：对全文工作的总结，最好分段给出。结论与摘要不能完全重复。）

参考文献：

［1］……………．

［2］……………．

Research Progresses in Accelerated Evaluation Methods for Slow－crack－growth Resistant Performance of Polyethylene Pipes

WANG Zhigang，YANG Bo，LI Maodong，LIN Jinmei，LI Shiping，ZHAI Wei
（Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510663，China）

This paper reviewed modes of slow crack growth（SCG）failure for polyethylene pipes and their evaluation methods，and also analyzed advantages and disadvantages of current evaluation methods for the slow crack growth－resistant performance of the pipes．For problems in the evaluation methods such as a long testing period and low efficiency，main accelerated evaluation methods for charactering the slow crack growth－resistant performance of the pipe was introduced in detail，and finally，the future development direction of this field was prospected．

polyethylene pipe；failure mode；slow crack growth resistance；acceleration evaluation

TQ325．1＋2

B

1001－9278（2017）07－0121－05

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．020

2016－12－26

国家质检总局科技计划项目（2016QK142）

联系人，orinwang8851＠163．com