燃气输配聚乙烯压力管道环境影响因素及对策

申麦茹，铁文安，李艳芳

（1 陕西省特种设备检验检测研究院，陕西西安 710048；2 陕西延长泾渭新材料科技产业园有限公司，陕西西安 710075；3 陕西华山胜邦塑胶有限公司，陕西西安 710043）

聚乙烯原材料是一种以聚乙烯为基料的共聚物混合材料，材料中必须添加一定量的抗氧化剂、光稳定剂和碳黑（仅适用黑色混配料）等添加剂来防止氧化。由于聚乙烯(PE)管材具有优异的耐腐蚀性、耐环境应力开裂和抗震破坏性能好等优点，己成为城镇中、低压燃气管道的首选，然而作为一种高分子有机材料，容易受光氧化、热氧化、臭氧分解，在紫外线作用下容易降解，受辐射后可发生交联、断链、形成不饱和基团等反应，其老化问题不可避免，也是影响燃气管道寿命和使用安全性的重要因素之一［1-4］。中低压城镇燃气聚乙烯管道工作温度限定为-20～40 ℃，由于燃气介质温度通常为常温，其工作温度主要取决于周围环境温度［5］。本文根据80℃恒温老化试验后的氧化诱导时间、熔体质量流动速率、拉伸性能、断裂伸长率、静液压强度测试数据，分析环境温度对材料各性能指标的影响规律，给出了聚乙烯燃气管道的设计、制造、运输和储存、使用环节受环境温度影响应采取的应对措施，避免和减少环境温度对聚乙烯管道寿命的影响。

1 80℃恒温老化试验

1.1 试样准备

采用PE100燃气专用混配料（型号为HE3490LS），按照GB 15558.1-2018加工成黑色dn63mm×en5.8mm(4条黄色色条)及dn63mm×en3.6mm(4条橙色色条)的管材。采用机加工制成GB/T 8804.3-2003中I、II型哑铃试样。试样规格及代号如表1、图1所示。并将试样按不同时间段分类并标识，试样数量与老化时间的对应关系见表2。

表1 试样规格及代号Table 1 Sample specification and code

表2 试样数量(件)与老化时间对应关系Table 2 The corresponding of sample quantity and aging time

图1 A、B、C、D四种试样Fig.1 Samples A, B, C and D

1.2 试验仪器与设备

管材挤出机，型号LEP45-50，瑞典Labtech公司；80℃恒温实验箱， HAM2003，丹麦HAM公司；差示扫描量热仪（DSC），型号DSC214，德国NETZSCH公司；熔体流动速率测试仪，型号MF20，美国INSTRON公司；电子拉力万能试验机，型号Model E44，美国美特斯工业系统公司；管材耐压爆破试验机，XGNB-N-B。

1.3 试验方法及项目要求

将制成的试样置于80℃恒温水中，在累计放置时间(不受应力 )分别为 6、12、13、14、15、16、17、18、19个月时，对不同老化时间段试样进行氧化诱导时间、拉伸性能、熔体流动速率、静液压试验。试验项目及要求见表3。

表3 试验项目及要求Table 3 Test items and requirements

2 试验结果及数据分析

2.1 试验结果

经80℃恒温老化试验后试样的氧化诱导时间、熔体质量流动速率、断裂伸长率、拉伸强度、静液压强度试验数据与老化时间段的对应关系分别如图2～图5、表4所示。

图2 氧化诱导时间Fig.2 Oxidation induction time

图3 熔体质量流动速率 Fig.3 Melt mass flow rate

图4 断裂伸长率Fig.4 Elongation at break

图5 拉伸强度 Fig.5 Tensile strength

表4 不同时间段静液压强度数据Table 4 Hydrostatic strength data in different time periods

2.2 试验结果分析

（1）氧化诱导时间

试验结果显示，经80℃恒温老化试验，累计6个月时试样的氧化诱导期最长为18min，最短为13.1min，均低于标准要求的20min。 说明聚乙烯材料氧化诱导时间受环境温度（高温）影响较大，很快发生氧化。

所谓氧化诱导时间就是人为改变管材的使用环境（氧气、氮气、室温），提高氧氮密度与压力、环境温度（200℃），测试极端环境条件下材料发生自动催化氧化反应的时间［2-3］。氧化诱导时间是评价材料成型、储存、焊接、使用过程中自身热稳定性的最重要指标，是管材发生质变产生脆性破坏的原因之一，其直接影响管材的搁置寿命和使用寿命。氧化诱导时间越长，材料的热稳定性越好，寿命越长。

（2）熔体质量流动速率

试验结果显示，80℃恒温老化时间达19个月，其熔体质量流动速率仍在合格范围内。

熔体质量流动速率是表述塑料在一定温度和压力下熔体流动性的参数，同时间接表述塑料平均分子量的高低。平均分子量越低，熔体流动速率则越大，则表示塑料熔融状态下流动性好；平均分子量越高，熔体流动速率越小，则表示塑料熔融状态下流动性差。该指标是选择材料和牌号的重要参考指标。而熔体流动速率经80℃恒温老化试验，并不能改变其分子量的高低，因此测试数据并未发生太大变化，试验温度下（不受应力）对材料的熔体质量流动速率影响不大。

(3)断裂伸长率、拉伸强度

断裂伸长率是材料在拉伸断裂时的伸长率，表征在拉伸试验条件下的材料韧性。断裂伸长率数值越高，材料抗变形能力越强。拉伸强度是材料从塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是在静拉伸条件下的较大承载能力，它表征材料较大均匀塑性变形的抗力。说明试验温度（不受应力）对材料的强度影响不大。

试验结果显示，最长经过19个月的80℃恒温老化试验，除了个别断裂伸长率低于350%外，其余断裂伸长率、拉伸强度试验结果均满足标准要求。

（4）静液压强度

试验数据显示，经过长达19个月的80℃恒温老化试验，静液压试验结果为无破坏、无渗漏。

静液压强度试验是在一定温度下对管材原材料及加工工艺的短期内综合考量，与材料本身的性质有关。通过GB/T 18252-2008《塑料管道系统 用外推法确定热塑型塑料管材材料以管材型式的长期静液压强度》来预测在一定温度、压力的长期使用寿命。经80℃恒温老化试验，在不考虑其他因素的情况下，试验温度下材料静液压强度试验无损坏、无泄漏，说明材料及加工工艺符合要求。

3 应对温度影响的措施

80℃恒温老化试验，只考虑高温，未考虑低温、应力、介质、氧、紫外线、光等影响的情况下进行试验。试验结果显示，环境温度对材料氧化诱导时间影响最大，其余性能指标未见明显异常。在进行聚乙烯燃气管道设计、制造、运输和储存、安装、使用、定期检验过程中应关注环境温度对其性能的不利影响，并采取相应措施规避环境温度对聚乙烯燃气管道引起的安全风险。

3.1 根据工作温度进行压力折减

工作温度指管材内外环境的年度平均温度。对于埋地敷设的聚乙烯燃气管道，管内燃气通常为常温，相对恒定，管道的工作温度主要取决于管道埋深处周边地温，通常与阳光照射、地表状况、深度等因素有关，且处于变化中。研究表明，地温变化随深度增加急剧降低,通常在1.0～1.2 m后趋于恒定；地表状况对地温有明显影响,混凝土地面处地温高于绿化带地面；阳光照射对地温提高有影响,但较小［1］。因此，聚乙烯燃气管道设计时应考虑管道埋设处的温度，确定管道的工作温度，按工作温度对最大允许工作压力Pmax=MOP/DF［MOP为最大工作压力（MPa），以20℃为参考工作温度］进行折算。工作温度下的压力折算系数见表5。中间温度按内插法计算。

表5 工作温度下的压力折算系数Table 5 Pressure conversion coefficient at operating temperature

3.2 按设计使用年限考虑材料强度

聚乙烯管道的强度是指其应用到50年的强度。其在使用过程中，不仅受到温度的影响外，还会因应力、介质、氧气等因素的影响发生老化，材料的强度会随者时间的推移逐渐下降。同时，由于应力作用，会发生应力松弛。因此，设计时应按使用年限考虑材料强度。

3.3 控制抗氧化剂、光稳定剂、碳黑（黑色管材）用量

抗氧化剂可有效抑制和延缓聚乙烯混配料的自动氧化降解，光稳定剂可提高材料抵抗紫外线的破坏能力，碳黑是有效的光屏蔽剂。通过控制其添加量可提高成型过程中热稳定性。

3.4 保证管道埋设深度

《城镇燃气工程设计规范》(GB 50028)规定,城镇市政燃气管道埋深通常在0.8～1.2 m。此深度受阳光及地表状况影响较小，管道埋深处的温度相对比较恒定，有利于管道工作温度相对稳定。若埋深不能满足设计有求时，应采取加套管等保护措施。

3.5 不得进入和穿过热力管沟敷设，保证与热力管道间水平及垂直净距

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》第4.3.2条规定，应保证燃气管道外壁温度不超过40℃。热力管道通常因介质温度较高，使其周围环境温度升高，可能导致相邻的聚乙烯燃气管道外壁超过40℃，使其发生老化，使用寿命减少。聚乙烯燃气管道与热力管道之间水平和垂直距离应满足CJJ 63-2018中表1、表2要求。当受到地形限制时，不能保证与热力管道水平及垂直净距时，可采取有效的隔热防护措施，如架设混凝土套管，必要时套管内充填绝热材料、采用防护板等措施［5］。

3.6 运输和储存过程防曝晒、雨淋、远离热源并采取防紫外线措施

光、温度、湿度、紫外线均使聚乙烯材料发生老化。在运输或临时施工存放中应采用遮盖物遮盖。储存时应存放在温度不超过40℃的仓库（存储型物理建筑）或半露天堆场（货棚内），应有防紫外线照射的措施。 生产到使用期间，累计受到太阳能辐射量超过3.5GJ/m2时，累计接受的能量可根据我国各地太阳能辐射总量参考表6进行估算，或按规定存放时间超过4年，应对其进行抽检。

表6 我国主要气候类型的年太阳能总量参考表Table 6 Annual solar energy total reference table for main climate types in China

按CJJ 63-2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》3.1.3条管材抽检的项目包括静液压强度、电熔接头的剥离强度和断裂伸长率。但根据80℃恒温老化试验结果分析，氧化诱导时间对材料温度比较敏感，因此建议先进行氧化诱导时间抽检，其合格后再进行其他项目抽检。

3.7 控制焊接时环境温度，并按环境温度对焊接参数进行修正

热熔或电熔连接时环境宜在-5～40 ℃范围内，若低于-5℃，应采取保温措施，夏季应有遮阳措施，避免管子高温时焊接后温度变化引起纵向回缩后导致接口开裂。同时根据环境温度对焊接温度进行修正。

3.8 钢塑转换接头焊接钢管段接头时应对钢塑过渡段采取降温措施

钢塑转换管件的钢管段与钢管焊接时，防止钢管端焊接热量传递给钢塑边界时，由于塑料热阻较大，热量容易在钢与塑料边界处聚集造成此处温度过高，局部过热引起材料性能改变，应对钢塑过渡段采取降温措施，并应确定好降温位置。

3.9 管道采用蜿蜒敷设

采用管道蜿蜒敷设，克服温差引起的轴向变形，使管道不受约束随温度变化自由活动。

4 结束语

光、湿度、紫外线、温度等因素均可加速管材的老化，温度作为对管材性能影响条件之一，应避免管材在高温下运输和储存、使用。若进行复检时应考虑抽检材料的氧化诱导时间。在定期检验中，应重点抽查管道埋深不够、裸露或钢塑过渡部位的材料力学性能，防止因温度的影响造成的材料老化问题。