聚乙烯管道寿命预测研究进展

武立文，乔 亮，范峻铭，闻炯明，李兆璞，张 毅*

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；2.深圳市燃气集团股份有限公司，广东 深圳 518000；3.深圳市燃气输配及高效利用工程技术研究中心，广东 深圳 518000；4.江苏省特种设备安全监督检验研究院（常熟分院），江苏 常熟 215500）

0 前言

随着我国经济的快速发展以及天然气等清洁能源的普及，PE 管道在城市燃气管网中的应用也越来越广泛。与传统的金属管道相比，PE 管道具有耐腐蚀性、耐冲击性、高韧性、寿命长等一系列优良特性，且易加工成型，被广泛应用于燃气输送和城市给排水等领域［1-2］。

目前，中国已经成为生产PE 管道最多的国家，但是，许多早期铺设的PE 管道因材料本身未经过长期静液压试验的评估，为城市生命线工程的安全运行埋下了巨大的隐患［3］。管道在服役过程中承受内压，随着服役时间的增加，材料本身的缺陷和复杂的外部环境等因素容易引起管道的失效破坏。若发现和维护不及时，可能会引发重大安全事故，造成巨大经济损失。

世界上多数发达国家均建立了金属管道的失效或事故数据库，用于指导金属管道的设计、建设和风险管理，然而对于塑料管道失效的数据库则相对较少［4］，不能较好地对塑料管道进行监控和维护。

在现阶段，我国对PE 管道寿命预测方面的理论和模拟研究尚未成熟，同时也没有相应完善的设计要求和检测方法，该领域的发展仍然不能满足PE 管道领域的需求，因此需要对PE 管道寿命进行更加深入的研究［5］。

本文综述了管道的失效模式以及目前国内外PE管道寿命预测的方法，结合管道的风险评估，对未来管道寿命预测的发展进行了展望。

1 管道失效模式及失效准则

1.1 管道失效模式

PE压力管道的设计寿命要求50年以上，在服役过程中主要承受内压作用。PE 管道失效模式包括长期蠕变载荷引起的韧性破坏、慢速裂纹扩展引起的脆性破坏、冲击荷载引起的快速裂纹扩展及材料老化引起的热氧老化破坏［6］，图1为PE管道失效模式示意图。

在较短时间内，材料承受的环向应力达到或超过材料的屈服应力时，由于局部应力集中导致管道发生韧性破坏，破坏点发生在管壁最薄弱处［7］。PE 管道在较高的压力作用下产生蠕变现象，长时蠕变使得管壁逐渐减薄从而导致环向应力不断增大，管道在宏观上产生较为显著的形变［8］。PE 材料是一种半结晶聚合物，其微观结构由结晶区和无定形区组成。在高应力的作用下，无定形区中的系带分子链不能支持所施加的应力而被拉断，层状晶体分解成更小的部分，宏观表现为管道韧性失效。随着服役时间的延长，管道的破坏模式由韧性破坏转换为准脆性破坏，相应的破坏机理为SCG。在实际工作状态下，管道长时间承受较低的压力，失效模式也主要为脆性或准脆性失效。服役管道表面不可避免地存在裂纹、孔洞等缺陷，这些缺陷在外力作用下不断扩展，在该过程中SCG 是PE 管道破坏的主要原因。SCG 扩展速度非常缓慢，且不易察觉，往往使得管道在未达到预期使用寿命之前就发生脆性破坏，造成十分严重的后果。因此，研究PE 材料的SCG性能可以有效避免灾难性破坏的发生。

宏观的慢速裂纹扩展在细观上表现为银纹的扩展。PE 材料内部含有缺陷和空洞，在应力和环境的作用下，缺陷位置产生应力集中，继而形成银纹。银纹结构如图2［9］所示。当银纹内的微纤维被拉长到一定程度后发生断裂，此时银纹失去微纤维的约束从而向前扩展并形成新的银纹。在银纹的断裂与形成过程中，裂纹以不连续的方式不断扩展，最终引发材料脆性失效。银纹的扩展在微观上表现为微空洞的形成以及系带分子链的解缠结与断裂。在低应力状态下，系带分子链不断被拉长并开始松弛和解缠，未发生解缠的系带分子链应力集中加剧。系带分子链不断被拉断，裂纹不断向前延伸，最终导致管道发生脆性失效。

图2 裂纹尖端处的银纹结构Fig.2 Craze structure at the crack tip

在经历较长时间的运输工作后，由于热氧、光氧老化等影响，管道抗氧化剂的消耗速度加快，导致材料分子链断裂，引发管道老化失效。PE 分子中的支链结构容易与氧发生反应而断链，该过程主要是依据自由基反应机理进行的。因此支链越多，PE 分子越容易遭受氧的攻击而发生分子链断裂现象，PE 管道的抗老化能力越弱。研究发现，PE 结晶度越高，材料缺陷越多，在热氧环境中越容易氧化，老化现象越严重［10］。一般认为热氧老化是基于游离基反应机理的自由基链式反应，该过程包括链引发、链传递和链终止3个过程，如图3［11］所示。在这个化学反应过程中过氧化物与氢反应生成氢过氧化物，氢过氧化物受热后加速分解，加快材料的热氧化反应。热氧化反应使得PE 分子链断裂，宏观表现为PE 材料变脆，造成PE 管材的脆性断裂现象。

图3 PE材料热氧老化原理Fig.3 Thermal oxygen aging principle of PE material

根据管道的受力状态、外部环境以及自身材料性能判断管道的失效模式，通过宏观裂纹进行管道寿命的研究工作，通过微观分析评估分子结构变化对材料性能的影响，加快PE 材料的改进工作。深入研究管道的微观失效机理，将材料的微观形态特征与宏观的裂纹扩展行为和老化行为联系起来，从而更加准确地预测管道寿命。

1.2 管道失效准则

通过对施加外载荷的PE 管道进行力学性能的分析，可以得到管道的极限应力应变状态，并以此为标准作为管道失效的界限。当超过设定的管道失效阈值时，管道使用将会受到影响，管道寿命缩短，引发管道失效。

在人工开挖及铺设管道的过程中，PE 管道会产生较大的应力和变形。较为常见的管道失效准则有基于应力的失效准则和基于应变的失效准则。在基于应力的失效准则中，PE 管道的屈服应力是判断管道是否失效的临界应力。当管道的最大Mises 应力超过其屈服应力时，则认为管道失效，见式（1）：

式中σmaxMises——管道最大Mises应力，MPa

σ1、σ2、σ3——3个主应力，MPa

σs——管材屈服应力，MPa

［σ］——许用应力，MPa

nstress——应力安全系数

Luo 等［12］运用ABAQUS 模拟在地基沉降作用下的PE 管道，在对PE 管道进行屈服分析过程中，采用基于应力的失效准则来判断管道是否发生屈服。郭晓晓［13］采用ANSYS 有限元分析方法对交通载荷作用下埋地管道的安全性进行分析，当交通载荷为0.4 MPa时，管道的最大Mises 应力超过其屈服应力。陈丽静等［14］通过MATLAB 编程对管道的韧性破坏进行了分析，采用基于应力的失效准则来判断管道是否发生韧性破坏。随着管道性能的不断增强，基于应力的失效准则不能有效的解决管道的强度问题。相比较之下，采用基于应变的失效准则更能充分发挥管道性能，减少管道的维护次数，提高燃气输送效率。

在基于应变的失效准则中，管道的极限应变是判断管道是否失效的临界应变。当管道的最大等效应变大于许用应变时，认为管道失效。PE 材料具有高延展性和冲击强度，抗变形能力强，PE 管道的极限拉伸应变可达30 %。出于安全考虑，一般将管道的极限应变设为20 %更加符合实际工程应用［15］。管道最大等效应变按式（2）计算：

式中εmax——管道最大等效应变

εult——管道极限应变

［ε］——许用应变

nstrain——应变安全系数

在实际工程中，PE 管道在外界载荷作用下产生较大的塑性变形，管道所受应力超过其屈服应力，但其应变往往未达到管道的极限应变，不会引发管道断裂而造成燃气泄漏等事故［16］。Liu 等［17］通过有限元模拟对一工程实例进行分析，发现当开挖载荷为4 500 N 时，管道最大 Mises 应力达到屈服应力。当开挖载荷为5 000 N时，管道最大应变达到许用应变的20 %。蓝朝逊［18］研究了地质沉降作用下管道的破坏情况，结果表明应力会先于应变超过失效准则，采用基于应变的失效准则能够更好地发挥PE 管材的塑性性能。因此，对于实际工程而言，基于应力的失效准则略微保守。在监控管道失效破坏时，可以将2 种失效准则相结合，将应力失效准则的报警时间作为预警时刻，应变失效准则的报警时间作为危险时刻。通过失效准则预测管道寿命时，采用基于应变的失效准则可以节约管道的维护成本，增加能源运输效率。

2 管道寿命预测方法

塑料管道作为生命线工程的重要组成部分，为维护社会稳定和保障民生安全做出了巨大贡献。经过多年的研究和发展，中国已经成为塑料管道的最大生产国和应用国，燃气管网覆盖城市人口密集区域［19］。但目前我国PE 管道的不合格率仍然较高，管道失效会引发泄露或爆炸等事故，严重影响管道的使用寿命。因此，有关PE管道的寿命预测研究是当下管道研究的重点，图4为目前PE管道主要采用的寿命预测方法示意图。

图4 PE管道寿命预测方法Fig.4 Lifetime prediction methods of PE pipes

下面将对PE 管道的寿命预测方法进行具体描述，对目前寿命预测方法存在的优点和局限性进行综述。

2.1 基于长期静液压试验的寿命预测

长期静液压性能反映了管道承受内压的能力，是塑料管道设计和应用的基础，分析管道的静液压强度能够为管道的长期寿命预测提供依据。通过对管道施加恒定内压和恒定温度，得到不同温度和应力下的静液压强度曲线，试验数据图如图5［20］所示，最终得到实际工作环境下的管道寿命。静液压强度试验失效时间的计算方法如式（3）所示：

图5 PE管道长期静液压曲线Fig.5 Long-term hydrostatic curves of PE pipes

式中t——破坏时候，h

T——温度，K

σ——环向应力，MPa

c1～c4——拟合参数

e——误差变量，服从正态分布

Farshad［21］通过极限应力外推法、极限应变外推法以及畸变能外推法对管道寿命进行了预测。对管道进行为期一年的静水压试验以及测量管道力学性能的短期拉伸试验，得到了管材的环向应力、环向应变和畸变能与管道失效时间的关系式。Hoàng等［22］采用静液压试验与化学分析相结合的方法对PE100管材的寿命进行了预测。通过监测抗氧化剂损耗与过氧化氢氧化产物形成，运用Arrhenius公式进行外推，所得到的寿命预测结果与通过静液压试验得到的寿命数据一致。通过长期静液压试验得到PE管道的环向应力与寿命的关系曲线，对管道寿命进行预测。但该方法往往需要持续长达数月甚至数年之久，对于新型PE管材的研究与开发有着较大的限制，需要一种快速预测PE管道寿命的新方法。

2.2 基于Arrhenius公式的寿命预测

随着管道行业的不断发展，PE 管道的性能也在不断的提高，通过静液压试验获得管道寿命曲线需要花费更长的时间且试验得到的静液压数据较为离散，无法对管道寿命进行较为准确的预测。因此，如何采用快速试验的方法对管道的寿命进行预测是目前研究的重点。

在实际应用的过程中，PE 管道长期受到压力、温度、微生物侵蚀等外部环境的影响，管道老化现象是不可避免的。因此，评估管道抗老化性能，预测管道老化寿命是保障PE 管道安全运行的重要支撑。PE 管道的老化方式主要分为热氧老化、光氧老化、生物老化以及应力开裂4种形式，一般情况下老化形式以热氧老化和应力开裂为主［23］。由于通过自然老化的方式对管道寿命进行研究的周期过长，通常采用人工加速老化试验的方式来研究管道的老化机理。兰惠清等［24］首次搭建了接近工况的承压燃气PE 管道的热氧老化平台，得到了不同温度下的老化管道。通过拉伸试验得到了老化后的PE 管道的力学性能，结合动力学曲线直线化法和Arrhenius公式，计算得到常温下承压和无压PE管道的寿命，热氧老化实验平台如图6［25］所示。

图6 热氧老化实验平台示意图Fig.6 Schematic diagram of thermal oxygen aging experimental platform

动力学曲线直线化法是管道寿命推算方法的一种，用来描述管道性能变化指标随时间的变化，求出各温度下的速率常数（K）值，动力学公式如式（4）所示。利用Arrhenius 公式外推求出常温下的速率常数值，从而建立常温下的性能变化方程。

式中f(P)——老化后PE 管的拉伸强度与老化前拉伸强度的比值

A——指前因子

α——修正因子

将式（4）两边取对数，对不同温度下的材料性能与时间数据进行拟合，从而得到不同温度下的速率常数，而常数K与温度T之间服从Arrhenius公式，见式（5）：

式中Z——Arrhenius常数

E——活化能，kJ/mol

R——摩尔气体常量，常取8.314 472 J/（mol·K）

通过式（5）得到不同温度对应的速率数值，最终求出管道在实际工作温度下的寿命（tT，年），计算公式如式（6）所示：

沙迪［26］通过对不同压力下老化后的PE 管材进行拉伸试验，结合Arrhenius 公式对管道寿命进行预测。结果显示，承受内压会对管道的老化寿命产生影响。随着压力的增大，管道老化速度加快，寿命显著降低。杨毅［27］基于拉伸试验数据对承受恒定压力和循环压力两种情况下的PE 管道的热氧老化寿命进行预测。结果表明压力波动的环境会加速PE 管道的老化，缩短管道的使用寿命。Chen等［28］通过拉伸试验发现，PE管道的断裂强度随着老化时间的延长而降低，并通过Arrhenius 公式计算得到管道的热氧老化寿命为82.29年，符合管道50年的最低使用年限的要求。

上述基于拉伸试验进行寿命预测的方法需要制作大量拉伸试验用到的哑铃试样，因此不适合在役管道的检测。通过差示扫描量热仪（DSC）测试材料的氧化诱导时间（OIT）的方法所需试样数量较少，且没有严格限制试样形状，因此可以采用基于DSC 测试的方法对PE 管道的老化寿命进行研究。该方法是在高温氧气的环境中运行DSC 设备来加速测试PE 材料的老化程度。通过DSC 可以测得PE 管材老化前后的OIT 数值，OIT 是反应聚合物抗氧化性能的关键参数，可以用来表征PE 管材在老化过程中的抗氧化能力。最后采用Arrhenius 公式对管材寿命进行计算，建立PE 管材热氧老化规律的经验寿命预测模型［29］。

Sanders 等［30］发现OIT 与管材拉伸强度和断裂伸长率具有良好的相关性。通过将OIT 等化学性能与管材的力学性能联系起来，得到管材失效点所对应的OIT 数据，从而根据DSC 测试预测管道的老化寿命。王洋［31］采用DSC 测试老化PE 管道，得到了基于DSC测试的承压燃气PE 管材的寿命预测曲线。通过计算证明了在0～0.4 MPa的内压范围内，常温条件下的PE管道寿命均超过50年的寿命要求。

PE材料作为一种有机材料，其自身的老化问题不可避免，因此采用加速老化试验预测管道寿命有着巨大的工程价值。基于拉伸试验预测管道老化寿命的方法操作较为简便，能够较快得到管材寿命，从理论上支撑PE管道的安全运行。基于DSC测试的寿命预测方法适用于承压城市燃气PE管道的寿命预测。与基于拉伸测试的寿命预测方法相比，预测寿命缩短，可作为预警寿命使用。

研究发现，通过Arrhenius 公式将加速老化试验外推到较低的温度以预测管道寿命的方法存在一定的误差，有时会得到不切实际的管道寿命数据［32］。因此单纯的线性Arrhenius 关系不足以处理观测到的加速老化试验数据，需要考虑非线性Arrhenius 关系来代替线性外推，结合材料的化学和力学性能变化，预测出更加可靠的管道寿命［33］。

2.3 基于SCG的寿命预测

SCG是指管材在长时间、低荷载作用下的破坏机制与断裂模式，本质上是由蠕变引起，是与时间相关的断裂［34］。在这种失效模式下，管材在断裂前不会产生明显的变形。对于实际服役管道而言，SCG过程占管道蠕变失效时间的绝大部分，因此工程上常常将管道的慢速裂纹扩展时间（tSCG，h）作为管道的实际使用寿命（tf，h）。准确地评价管材SCG过程能够为管道使用寿命的预测提供重要依据，管道的使用寿命计算公式见式（7）：

式中aini——含缺陷管道的初始裂纹深度，mm

af——含缺陷管道的最终裂纹深度，mm

Kpipe——裂纹尖端的应力强度因子

A、m——管材固有参数，由材料特性及温度决定

Kpipe按式（8）计算：

式中p——管道内压，MPa

r——管道直径，mm

s——管道壁厚，mm

a——裂纹深度，mm

通过全切口蠕变试验（FNCT）获得材料参数A和m。FNCT 的试验方法为将含有预制缺口的试样置于恒温水槽中进行蠕变拉伸试验，试验试样如图7［35］所示。

图7 FNCT试验试样示意图Fig.7 Schematic diagram of FNCT test sample

通过FNCT 试验得到破坏时间与裂纹张口位移（XCOD）的对应关系，计算求得缺口试样的dXCOD/dt。在一定条件下，裂纹扩展速率da/dt可近似为裂纹张口位移速率dXCOD/dt［36］。结合Paris幂律模型即可得到参数A和m，如式（9）所示：

式中KⅠ——应力强度因子

F——施加的轴向拉应力，MPa

D——试样宽度，mm

d——试样剩余截面宽度，mm

FNCT 试验是在较高温度下进行的，由于温度对参数A和m的影响较大，需要进行不同温度下的FNCT 试验，从而求得常温下的裂纹扩展速率da/dt及材料参数A和m。对于承压PE 管道，初始缺陷的典型尺寸在100～400 μm 之间，带入不同的最终裂纹深度，可以计算出管道的使用寿命tlife。

宾夕法尼亚缺口拉伸试验（PENT）也可用于测量管材SCG 速率。其试验原理与FNCT 试验相似，仅试样的缺口形状有所不同。制作PENT 试样缺口的加工速度为0.25 mm/min，试验环境为80 ℃的水域或空气。试验试样如图8［37］所示。PENT 试验的失效时间相对较长，但可以观察到试样裂纹的扩展过程［38］。FNCT试验的失效时间明显缩短，能够观察到明显的慢速裂纹扩展特征，更加高效地研究管道的耐SCG 性能，但是不利于观察裂纹的扩展过程。

图8 PENT试验试样示意图Fig.8 Schematic diagram of PENT test sample

Huang 等［39］通过FNCT 试验和PENT 试验发现PE 管道焊接接头的耐SCG 性能低于管道基材部分。王志刚等［35］通过FNCT 试验得到管材寿命的预测公式，计算了含0.4 mm 初始裂纹的PE 管材的寿命，得到了裂纹深度生长至5 mm 时的管材服役时间为78.98年。Stock 等［40］发现通过应变硬化（SH）试验测得的材料SCG 性能具有较高的重复性，可以作为一种评价管材耐SCG 性能的新方法。该方法所需时间短、试验重复性好、结果重复性高，引起了学者的关注和重视。SH 法的原理为PE 材料在SCG 过程中会发生系带分子的滑移和解缠而形成银纹，银纹在拉伸过程逐渐增长为裂纹［41］。在此过程中，银纹中的微纤维会发生应变硬化来抵抗裂纹扩展的趋势。这个固有特征与PE管材的SCG 性能之间有着明显的正相关关系［42，56］。因此可以通过比较材料应变硬化模量的大小来直观地表征材料的耐SCG 性能。SH 试验方法为对哑铃型试样进行拉伸试验，试验温度为80 ℃，将试样拉伸到自然拉伸比，得到材料的应力应变曲线。SH 试样形状及几何尺寸如图9［43］所示。

图9 SH试验试样示意图Fig.9 Schematic diagram of SH test sample

从应力-应变曲线中可以看到一个应力陡然增加的应变硬化区间，如图10［44］所示。该部分曲线的斜率被定义为应变硬化模量(Gp，MPa)，见式（10）：

图10 SH法的应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain curve of SH test method

式中N——应变硬化区间中（通常拉伸比8～12）的测量点个数

σ——试样拉伸过程中承受的真实应力，MPa

λ——试验中某时刻记录的试样标距间的拉伸长度与初始标距拉伸长度的比值

Kurelec等［45］发现PE材料的耐SCG 性能是由裂纹内原纤维的破坏决定的，管材的应变硬化模量与耐SCG性能密切相关。朱天戈等［46］通过对材料的密度和熔体质量流动速率进行分析，发现材料的物理性能参数不能体现出样品在耐SCG 性能上的差异。通过高温下的拉伸试验发现，应变硬化模量越大，材料的耐SCG 性能越好。Nezbedova 等［47］将FNCT 试验和PENT 试验的失效时间与应变硬化模量绘制成曲线，并拟合得到了曲线公式。

应变硬化试验法能够在短时间内对材料的耐SCG性能进行评价，但是试验所测到的应变硬化模量与材料寿命之间的关系尚不明确，仍需进一步研究来明确二者之间的关联，从而预测管道寿命。

在压力和温度变化复杂的外部环境下，管道因疲劳累积产生疲劳裂纹，当疲劳裂纹长度超过最大允许裂纹时管道便会发生断裂，造成重大的安全事故。通过计算疲劳裂纹扩展速率可以对PE 管材的寿命进行预测，将材料发生破坏时循环载荷进行的次数或时间称为疲劳断裂寿命（Nf，h）［48-49］，按式（11）计算：

式中Ni——裂纹孕育时间，h

Np——材料剩余寿命，h

相对于静态加载条件下的试验，疲劳试验需要定义载荷比（R）和应力强度因子差值（ΔKⅠ），两参数的表达式如式（12）～（13）所示：

在疲劳试验中，施加的载荷为循环载荷，裂纹长度随时间变化而不断扩展直到试样发生失稳破坏。裂纹扩展速率的定义为每个加载循环（N）中裂纹长度的变化，将单位加载循环速率与试验频率（f，Hz）相乘，即可得到材料的裂纹扩展速率，见式（14）：

式中C、m——材料、温度及载荷的相关系数

通过疲劳试验可以较为直观地观察到PE 材料的裂纹扩展过程，记录疲劳载荷的大小和载荷循环次数进行裂纹扩展速率的计算，预测管材的疲劳寿命。裂纹圆棒（CRB）试验法结合了线弹性断裂力学（LEFM）理论和Paris 幂律模型对PE 管材的寿命进行推导，试验持续时间短，试验环境更加贴合管道的实际工作环境。CRB试样如图11［50］所示。

图11 CRB试验试样示意图Fig.11 Schematic diagram of CRB test sample

通过对CRB 试样进行不同载荷比下的疲劳拉伸试验得到裂纹扩展速率与应力强度因子的动力学曲线。通过转换得到不同裂纹扩展速率下载荷比与应力强度因子的关系曲线，并外推得到R=1，即静载条件下的应力强度因子。最终将应力强度因子数据转换到动力学曲线中得到静载条件下的裂纹扩展曲线。外推原理示意图，见图12［51］。通过外推动力学曲线拟合得到参数A、m，最终通过式（7）计算出PE管材的寿命。

图12 外推至R=1时的动力学曲线Fig.12 Kinetic curve extrapolated to R=1

CRB 试验中的应力强度因子与FNCT 试验的不同，其计算方法如式（16）所示：

式中KⅠ——应力强度因子，MPa·m0.5

Fmax——最大加载载荷，kN

b——剩余截面半径，mm

aini——初始断裂深度，mm

R——试样半径，mm

f——CRB试样典型函数

CRB 试验法的优点是能够快速预测SCG 性能较强的现代PE 管道。Arbeiter 等［52］通过CRB 试验测试了5种用于管道的热塑性材料，观察每种材料的失效时间。结果表明，所有材料在短时间内发生了准脆性破坏，材料的疲劳诱导失效曲线在全对数图中均呈线性趋势，该方法在原理上适用于其他聚合物材料。Frank等［53］通过试验发现CRB 试验与其他常用的SCG 测试方法有良好的相关性，但测试时间明显缩短，对于管材SCG 的测量结果也有着较高的重复性和可靠性。杨圳［54］通过循环载荷CRB 试验对PE 管材的寿命进行了预测，得到了PE80和PE100管材寿命与环向应力的关系曲线。结果表明，材料的疲劳寿命随环向应力的减小而增大。采用CRB 试验对管道寿命进行预测时，只考虑慢速裂纹扩展时间，忽略了裂纹萌生时间，使得测得的管道寿命往往较为保守。

以上研究大多是采用试验的方法加速管材SCG性能的表征，在较短的时间内获得材料的力学性能，进而对管材寿命进行预测。PENT 试验和FNCT 试验通过对试样施加预制裂纹可以使得试验时间大幅减少。但是随着新型聚合物材料的耐SCG 性能不断增强，对管材寿命预测所需的试验周期也越来越长。SH 试验不需要预制缺口和表面活性剂，通过简单的拉伸试验对管材进行寿命预测。但PE 材料的应变硬化响应在常温下具有不稳定性，因此需要在较高的温度（80 ℃）下进行，不符合管道实际的服役环境。且应变硬化模量与管道寿命之间的关系尚不明确，该方法仍需继续深入研究。CRB试验与上述试验的寿命预测结果有较好的正相关性，结果偏差较小［50］，所需时间相对较短。但采用裂纹张口位移来表征试样的裂纹深度存在一定的误差，仍需要进一步优化试验方法，使测得的管道寿命更加合理。

2.4 基于双曲本构方程的寿命预测

PE 作为一种热塑性材料，具有黏弹性材料特性。对PE 管材的寿命进行预测需要考虑其受到长时间载荷或变形后的力学性能，同时选取合适的本构模型对管材的力学性能进行表征。Suleiman［55］基于PE 的应变率效应与应变率历史无关的特点，提出率相关的双曲本构模型，如式（17）所示。基于该模型得到管材的环向应力，通过拉伸试验得到管材的屈服应力，二者对比得到管材寿命。

式中a、b——与应变率相关的参数，MPa-1

PE 管道在内压作用下产生蠕变现象，长时蠕变使得管壁逐渐减薄从而导致环向应力不断增大。当环向应力超过屈服应力时，管道发生韧性失效，此时管道服役所经历的时间即为管道寿命。

运用双曲本构模型对材料的应力应变曲线拟合，得到模型中参数与应变率之间的关系，见式（18）：

因此，本构方程可表示为式（19）：

将PE 管材看作薄壁圆管，根据材料力学可知，环向应力（σθ，MPa）计算公式如式（20）所示：

式中p——静水压力，MPa

d——PE管道直径，mm

h——PE管道厚度，mm

假设PE 管道在施加内压的过程中横截面积不变化，得式（21）：

式中d0——加压前管道直径，mm

h0——加压前管道壁厚，mm

di——加压后i时刻的管道直径，mm

hi——加压后i时刻的管道壁厚，mm

PE 管道i时刻的直径与环向真实应变的关系如式（22）所示：

式中εi——管道i时刻的环向真实应变

联立式（20）、（21）和（22），得到PE 管道i时刻的环向真实应力值（σi，MPa）为式（23）：

根据静水压力和加压速度得到加压结束后的应变（ε̇1）见式（24）：

式中p——静水压力，MPa

v——加压速率，MPa/s

联立式（19）、（23）和（24）计算得到加压结束后的环向应变率ε̇1。假设在较短的时间间隔内，PE 管道的应变率不发生变化。以1 h 为单位时间间隔，根据式（25）计算不同时间下的管道应变率。

最后联立式（19）、（23）和（25）得到i时刻的管道环向应力。根据管道的应力失效准则，当环向应力大于屈服应力时，此时应变率所对应的时间即为管道韧性失效寿命。

徐成等［8］运用双曲本构模型对PE 管材寿命进行了预测，通过拟合得到了环向应力和失效寿命的曲线公式与通过静液压试验得到的寿命公式具有相同的形式，证明该预测方法的合理性。陈星宇等［57］依据有限元分析和双曲本构模型相结合的方法对含缺陷的PE管材的寿命进行预测，得到不同缺陷的PE 管道寿命。通过该方法可以对不同缺陷、不同应力条件下的PE 管道进行寿命预测，为实际工程中的管道检测提供了一定的理论指导。通过双曲本构方程可以快速预测管道的韧性失效寿命，但是，根据屈服应力判断管道是否发生韧性失效的方法较为保守，仍需要进一步选择更加合适的失效准则。

不同寿命预测方法的优缺点对比如表1所示。管道寿命预测的核心主要为加速试验，加速试验能够为管道性能的进一步发展提供参考，同时管道性能的提高也可以为改进试验方法提供思路。目前加速管道寿命预测的方法主要分为通过基于管道SCG性能进行预测和基于Arrhenius公式外推法进行预测，这些方法忽略了PE材料结构的不均匀性、内部缺陷所造成的裂纹加速扩展以及外部加载对材料老化的加速，所得到的管道寿命较为保守。在实际工作环境中，PE管道的寿命受环境和受力状态等多个因素的共同影响。在预测管道寿命时，只有充分考虑外部因素的影响，得到的寿命预测结果才会更加合理。因此有必要建立一种考虑多因素耦合影响下的管道寿命预测模型，同时考虑慢速裂纹扩展和老化的影响，对特定环境下的管道进行寿命预测［58］。

3 管道风险评估

风险具有一定不确定性和偶然性，不能提前进行准确预判，但同时大部分风险是客观存在的，具有可预测性。通过对相关数据进行分析研究，根据研究结果做出相应的对策，可以降低风险发生的可能性（图13）。随着管道服役年数的延长，不同程度的损伤和疲劳破坏逐渐显现，管道风险造成的事故危害程度不断增加。若对在役管道的维护维修不及时，会导致管道发生老化、腐蚀以及穿孔泄漏等问题，造成巨大的损失。因此需要深入研究管道风险评估技术。

图13 管道风险评估方法Fig.13 Pipeline risk assessment method

风险评估方法一般视为定性风险评估、定量风险评估和半定量风险评估的1 种或几种以上的组合。定性风险评估是指对风险识别得到的信息进行处理，将风险后果和风险可能性相结合，从而建立风险矩阵，确定风险位置。定量风险评估对可能出现的各种风险进行综合分析，归纳出风险的发生后果及发生可能性，进一步计算出风险等级。半定量风险评估是从定性风险评估发展起来，以风险因素为依据，根据各种评估方法技术计算出权重，最终确定管网系统的风险水平［59］。在实际应用中，PE 管道事故的发生难以避免。将风险评估技术运用在管道领域，对管道进行风险相关的权重计算，得到管道风险等级，对管网系统的安全运行有着重要的理论意义和应用价值［60］。

为了提高服役管道的使用年限，降低管道风险发生的概率，需要提前确定管道安全等级和评估管道可靠性［61］。目前较为常用的管道风险评估方法有专家评分法、事故树分析法、管道指数风险评分法、层次分析法和模糊综合评价法［62］。专家评分法是一种定性描述定量化方法，借鉴专家的专业理论知识和工作经验对各项指标进行打分，得到总体风险评分。该方法的优点是简单易行，需要打分专家具有较强的判断力和丰富的行业经验，因此最终结果受主观因素的影响较大。事故树分析法是通过将可能导致管道事故的因素组合成树形结构，对事故发生的可能性和后果进行分析。该方法能够对管道事故的根本原因进行分析，深入揭示事故发生的潜在原因，更加有效地确定风险防范措施。管道指数风险评分法是目前较为系统的风险评估方法，该方法将管道风险分为不同的方面，对每个方面的风险进行综合评估，最终得到总体风险评分方法。该方法能够对风险进行量化评估，但是对于不同的管网系统需要进行针对性的调整。层次分析法是一种定性与定量相结合的分析方法，该方法将复杂的问题划分成不同层级的评价单元，从而进行系统化的分析。该方法适用于对管道风险评估的各个因素进行分析和综合评估，利用较少的定量信息解决较为复杂的风险分析问题。模糊综合评价法根据隶属度理论将定性评价转化为定量评价，将各种不确定因素的评价结果转化为模糊数，利用模糊数学的相关知识对模糊数进行综合评价。该方法具有较强的系统性，适用于对风险评估中的不确定性进行处理。在役PE 管道的风险具有随机性和模糊性，是一个较为复杂的安全问题，在进行管道风险评估时需要将多种风险评估方法相结合，从而得到更加准确可靠的风险评估结果。

燃气管道的风险贯穿于整个管道寿命周期，建立在役PE 燃气管道的风险评估模型，是确定管道风险检修周期和管道维护周期的前提，对保障在役管道的完整性具有重要意义［63］。管道风险的发生存在一定的偶然性，第三方破坏、腐蚀、地面运动、误操作等都会造成管道事故的发生，因此对管道进行风险评估的过程中涉及到很多复杂的因素，需要考虑多方面因素的共同影响。随着信息化技术的发展，管道风险评估发展逐渐向智能化和数字化迈进，将管道风险分析方法与人工智能、有限元分析等进行结合，确定PE 管道的安全程度。建立管道的全寿命风险评估体系，提高管道的全寿命周期运行的安全性和可靠性。将试验和数值模拟相结合，合理运用管道风险评估和寿命预测方法，分析不同工况下的管道安全性，减少事故的发生概率，为管道的安全运行提供科学的保障［64］。

4 结语

本文综述了PE 管道的失效模式和失效机理，并对管道寿命预测方法进行了总结归纳。随着高分子材料的改进与发展，通过长期静液压试验评估管道寿命的周期越来越长，极大地限制了新型PE 材料的研究与开发。老化失效模式下的管道寿命可以运用Arrhenius公式法进行预测，该方法操作简便，能够快速预测管道寿命。但是，PE 管道的热氧老化是一个复杂的过程，人工加速老化与自然老化之间存在的一定的差异，因此使用Arrhenius 公式测得的管道寿命可能并不准确。将拉伸试验得到的屈服应力与双曲本构方程得到的环向应力进行对比，得到管道屈服应力大于环向应力时对应的应变率，进而预测PE 管道的韧性失效寿命。针对脆性失效模式下的管道寿命可以采用循环载荷CRB试验的方法测得管道的耐SCG 性能，通过外推的方法快速预测寿命。相较于其他加速预测管道脆性失效寿命的方法，该方法更加接近管道的实际使用条件。

风险评估是管道完整性管理不可或缺的一部分，本文概述了目前较为常用的管道风险评估方法，依次介绍了管道风险评估较为常用的专家评分法、事故树分析法、管道指数风险评分法以及现代综合评价理论中的层次分析法和模糊综合评价法。在役PE 管道的风险具有一定的复杂性和模糊性，在未来的研究中需要考虑更加全面的风险因素，构建科学完善的管道风险评估模型，提高风险评估结果的可信度。

随着有限元模拟和大数据分析技术的不断发展，管道的寿命预测方法和风险评估模型也在更新与完善。有限元仿真能够降低试验成本，更大程度地模拟管道实际工作情况。通过有限元软件建立多物理场耦合作用下的管道模型，研究管道在工作状态下的力学特征，结合管道失效准则，更加高效地对PE 管道的寿命进行预测。

目前管道风险评估模型存在较大的主观性，未来可运用大数据分析提高管道风险评估结果的可靠性。大数据的深度分析以及数据可视化的实现主要基于大规模的机器学习，通过大数据分析对监测的管道特征数据进行循环迭代，得到最优的管道风险评估模型，准确预测燃气管网运行风险并进行科学预防。