燃气用聚乙烯管道的老化检测

刘书宏 丁 菊 朱旭晨

上海市特种设备监督检验技术研究院 （上海 200062）

聚乙烯（PE）是乙烯经聚合反应制得的一种塑性高分子材料，具有力学性能优异、质量轻、柔韧性好、耐腐蚀、耐低温等优点，兼具极好的电绝缘性、易加工成型性和化学稳定性等。随着我国石油化工行业的快速发展，聚乙烯的生产和使用均突飞猛进，其产量约占塑料总产量的1/4，用量居各合成树脂之首，尤其在燃气管道、建设工程等行业大量应用。目前，在我国中低压燃气管网中，聚乙烯管道的使用比例已经超过50%。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》和CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中，聚乙烯管材是首选管材，并成功应用于高压燃气管道建设中[1-2]。

虽然聚乙烯具有优异的耐腐蚀性能，但老化是聚乙烯管道无法避免的主要失效形式。在加工、贮存和使用过程中，管道由于光、热、氧、臭氧、水分、工业有害气体、微生物等外界环境因素的作用常发生老化，如热氧老化、光氧老化等[3]。老化不仅会使管材外观质量变差，也会因物理和化学性能产生不可逆的变化而造成老化损伤，具体表现为力学性能下降、电绝缘性能下降等，最终使其因使用性能下降而丧失利用价值，给安全生产埋下隐患。国内标准规定，在聚乙烯管道建设时需进行静液压强度试验、热稳定性试验（氧化诱导时间）、断裂伸长率测试，以评价管材的耐老化性能。大量的在用聚乙烯管道，随着使用时间的延续，由于各种原因导致的老化无法避免，亟需作老化检测，以确保其安全使用[3-5]。

1 在役聚乙烯管道老化检测

目前，国内外基本通过取样试验来评价在用聚乙烯管道的老化行为和老化程度。取样试验都具有破坏性，难免对管道造成损伤，甚至影响其继续使用。国内外对于在役聚乙烯管道的老化检测难题，还没有提出有效的检测方法。国内在用管道检验检测标准中更缺乏聚乙烯管道老化评估的手段[6-7]。我国燃气管道长度已经超过100万km，应用比例达到90%以上。国内最早一批的聚乙烯管道已经运行超过30年，且仍在继续运行。由于聚乙烯管道传输的都是高腐蚀性或者易燃易爆介质，管道一旦发生失效，后果十分严重。因此，对在役聚乙烯管道老化检测技术的需求十分迫切。

目前，国内还没有燃气用聚乙烯管道或设备的老化评估标准，TSG D0001—2009《压力管道安全技术监察规程——工业管道》、《在用工业管道定期检验规程（试行）》、TSG D7003—2010《压力管道定期检验规则——长输（油气）管道》、TSG D7004—2010《压力管道定期检验规则——公用管道》、TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》等都没有给出聚乙烯材料的老化评估方法和评估准则，使得燃气管道的老化检验检测缺乏依据。

2 检测方法

材料损伤的表征或评估主要采用试样分析法。试样分析法是指从工程构件上切取部分材料，对其进行力学性能、化学成分等分析，从而评估管道损伤状态和剩余使用寿命。常用的聚乙烯老化检测方法主要有目视观察法、静液压试验法、拉伸试验法、热稳定性（氧化诱导时间）等。国外学者Pages等将高密度聚乙烯（HDPE）暴露在恶劣的天气条件下，研究其老化行为。通过傅里叶红外光谱（FTIR）和差热分析法（DSC）研究其降解过程中微观结构的变化（如氧化、歧化和聚合物链断裂），发现通过1474/1464 cm-1处峰的变化可以表征结晶度的变化[8]。

试样分析法需要在被检测聚乙烯管道上取样，而取样对燃气管道具有一定程度的破坏，检测结果也需要一定时间的实验室分析。现实中，燃气用聚乙烯管道是公用领域的关键特种设备，无法停车检验，同时需要及时提供检测结果，尤其是埋地聚乙烯管道。因此，研究针对现场应用聚乙烯管道的老化无损检测方法十分关键。

3 非线性超声检测方法

非线性超声检测是利用声波传播时与材料微观结构相互作用而产生的非线性响应进行材料性能的表征和微损伤的检测。研究表明，非线性超声能够克服传统无损检测方法的不足，有效表征材料微观结构的变化，如位错演化、微裂纹萌生等，从本质上反映了微损伤对材料非线性的影响[9]。

非线性超声是新兴的无损检测技术，研究人员已经将其应用于非金属材料的检测。Cantrell等[10]的研究表明，材料疲劳退化失效过程的每一个阶段，都可以用非线性系数表征。焦敬品等[11]用二次谐波非线性效应研究了有机材料热老化评价问题，提出用非线性损伤因子评价有机材料热老化损伤；王丽梅等[12]利用非线性超声检测环氧树脂的固化深度，经希尔伯特-黄变换（HHT）处理后的三次谐波相对幅值能对固化过程中的各个相变点进行有效表征。Demenko等用混频非线性超声法对聚氯乙烯（PVC）的物理老化过程进行了研究，结果表明非线性超声对高分子材料的老化具有很高的灵敏度，但混频非线性超声对激励信号的波型要求苛刻，且所需检测装置复杂；Mažeika[13]对聚乙烯材料的超声特性进行了研究，发现声速随厚度的增加而降低，平均声速随频率发生变化，衰减随厚度增大而增加、随频率增加而增大。

国内外学者纷纷利用非线性超声检测技术分析聚氯乙烯材料的物理老化过程，但由于聚乙烯和聚氯乙烯分子结构不同、老化方式不同，因此试验方法和结论不具备通用性。尽管有学者对聚乙烯的超声特性进行研究，但没有建立其老化与超声检测信号的数学关系，且未提取聚乙烯的非线性特征参数。

非线性超声振动的波动方程可表示为：

其中：A1为基波幅度，A2为二次波幅度，u（x，t）为 x方向的振动位移。

非线性超声检测中，最常用的是采用A2/A12表示非线性系数；有时也采用总谐波失真表示非线性特征（THD），如式（4）所示。

其中：An是n次谐波幅度，一般可取二次谐波和三次谐波。

常用的非线性超声检测信号特征值还包括谐波幅度、非线性系数、总谐波失真、非线性声波衰减系数等参数。

4 结语

燃气用聚乙烯管道属于特种设备压力管道，与民生关系极其密切，因此在定期检验中进行老化的无损检测十分必要。目前的无损检测方法中，非线性超声能够进行管道的老化检测，但是还处于研究开发阶段；未来，聚乙烯管道的非线性超声检测将是研究热点。