燃气用聚乙烯管材寿命预测

乔 佳， 姜 鑫， 王馨培， 雷素敏

(北京市燃气集团研究院，北京100011)

1 概述

聚乙烯(Polyethylene，PE)管道寿命长、耐腐蚀、易施工、抗冲击性好、易成型、更环保，广泛应用于城市燃气输配系统中[1]。统计数据表明，聚乙烯管道的安全性也非常高，其漏损率远低于铸铁等金属管道[2]。按照现行国家标准GB 55009—2021《燃气工程项目规范》，燃气管道的设计使用寿命不应低于30 a。按照GB 15558.1—2015《燃气用聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》，PE管材的设计使用寿命为50 a。第1批在役管道已经服役30 a，是否可以继续使用，还能继续使用多长时间，是否会带来安全隐患等是燃气行业一直以来关注的问题。

目前针对PE管道使用寿命的研究还较少，西南石油大学林东等人针对5个服役2～13 a燃气聚乙烯管材样品的老化性能评价指标进行研究，研究结果表明：管材使用时间越长，管材的氧化诱导时间与熔体质量流动速率的变化率越大，其抗氧化性能与流动性能越弱；管材的炭黑含量受加工条件的限制，可能出现在役管材的炭黑含量大于新管材的情况；管材在服役过程中密度基本不变，不能表征管材的老化性能[3]。

为了更好地分析PE管材的使用寿命，本文对库存时间较长的PE燃气管材进行性能测试，并利用测试数据，对其使用寿命进行预测。

2 试验部分

① 试验材料

2002年某公司生产的PE80埋地燃气管，规格DN 90 mm，壁厚4.2 mm。

② 检测依据

管材、管件检测的性能指标应符合产品出厂时执行的标准所规定的指标，如2002年的管材，性能指标应符合当时标准GB 15558.1—1995《燃气用埋地聚乙烯管材》(现已作废)，测试方法参考GB 15558.1—2015《燃气用聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》。

③ 检测指标

检测氧化诱导时间、断裂伸长率，并进行热失重试验测试PE材料热失重 50%的时间。

④ 检测方法

依据GB/T 19466.6—2009《塑料 差示扫描量热法(DSC) 第6部分：氧化诱导时间(等温OIT)和氧化诱导温度(动态OIT)的测定》测试管材氧化诱导时间。依据GB/T 8804.1—2003《热塑性塑料管材 拉伸性能测定 第1部分：试验方法总则》测试管材的断裂伸长率。热失重试验:参照其他PE热老化试验进行。

3 结果讨论

3.1 氧化诱导时间

依据GB/T 19466.6—2009测试管材氧化诱导时间。管材冲压出柱状样条3个，分别在每个柱状样条内层、中间层、外层处截取圆形薄片试样。将试样放入坩埚内，在氮气气氛中以20 ℃/min的速度升温10 min至试验温度(200 ℃)，并恒温3 min，将气体切换为同氮气流速相同的氧气后，继续恒温，测定发生氧化反应的时间，各层试样试验结果均取最小值。试样氧化诱导时间测试结果见图1。图1的横坐标从试验开始时开始计时，氧化诱导时间为发生氧化反应的时间减去升温10 min以及恒温3 min。

图1 试样氧化诱导时间测试结果

内层、中间层、外层的氧化诱导时间分别为24.60、54.83、13.98 min。GB 15558.1—2015要求氧化诱导时间大于20 min，显然外层已经不能满足标准要求，也就是说外层已经发生明显氧化。此情况下管材可以继续使用，可通过热失重试验来确定管材的剩余使用寿命。

3.2 断裂伸长率

依据GB/T 8804.1—2003测试管材的断裂伸长率。用机械加工的方法制作哑铃形试样6个，取各试样试验结果最小值。从中心点近似等距离画两条标线并记录标线间的原始长度，采用拉力试验机在试验温度23 ℃±2 ℃的条件下，按照10 mm/min的拉伸速度进行试验，记录试样的应力应变曲线直至试样断裂，并在此曲线上标出试样达到断裂时标线间的长度。断裂伸长率最小的试样拉伸试验结果见图2。

图2 试样拉伸试验结果

断裂伸长率计算式为：

(1)

式中ε——断裂伸长率

L——断裂时标线间长度,mm

L0——原始标线间长度,mm，为100.98 mm

ΔL——标线间长度的增量，mm

将试样拉伸试验结果代入式(1)，计算出试样断裂伸长率为600%，符合GB 15558.1—2015断裂伸长率应大于350%为合格的要求。因此，从力学性能上来说，满足使用要求。

3.3 热失重试验

根据行业普遍经验[4]，针对放置一段时间后的管材，热失重试验中，热失重50%时管材的老化程度，就是管材失效时老化程度。根据热失重试验数据，可以外推出当温度为20 ℃时，管道达到失效时老化程度所需时间，即管材剩余使用寿命。热失重试验采用空气气氛，样品质量5～10 mg，根据PE管材的性能设置温度，记录热失重达到50%的时间。不同反应温度下试样热失重测试结果见表1。

表1 不同温度下试样热失重测试结果

PE老化是一系列复杂的化学反应和物理变化的综合效应，通过表1可以看出，反应温度越高，热失重达到50%的时间越短，表征反应速率越快，因此升高温度能够加速老化反应。经典的老化方程认为材料热失重达到50%的时间的自然对数与反应温度倒数成线性关系[4]，具体如下：

(2)

式中t——热失重达到50%的时间,min

T——反应温度,K

a、b——常数

图3 ln t与1/T的拟合曲线

根据拟合曲线，可以计算出斜率和截距，得出a=8 497.9，b=-13.296，代入式(2)，可以计算PE管材在20 ℃的条件下，剩余使用寿命大约为12 a。而管材生产年份为2002年，截至2021年已经存放19 a，因此预估该PE管材的使用寿命为31 a左右。

需要注意的是，该管材是室温放置，未做任何处理，与埋地管道的环境有一定的差异，如光照和氧气等。试验利用仅存的管材，代表性不强，后续可以对更多样品进行试验和测试，为PE管材使用寿命研究提供支持。

4 结论

① 通过测试发现试样外层氧化诱导时间不满足GB 15558.1—2015《燃气用聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》中氧化诱导时间大于20 min的要求。

② 试样断裂伸长率满足要求。

③ 通过热失重试验，并拟合热失重达到50%的时间的自然对数与反应温度倒数的曲线，得出在20 ℃条件下，生产年份为2002年的管材剩余使用寿命约为12 a，截至2021年，已存放19 a，因此该PE管材的使用寿命约为31 a。