燃气用聚乙烯管材自然老化研究

铁文安，篮斌翔，祁 蓉，朱序阳，孙芳莉

（1陕西延长泾渭新材料科技产业园有限公司，陕西西安710075；2西北工业集团有限公司，陕西西安710043）

天然气作为一种优质清洁的能源，在国民社会的发展中起着重要的作用。尤其是国家“煤改气”项目的逐步推进，使得天然气与人们的生产生活更加息息相关。管道运输是天然气运输的主要方式，已经形成了一整套的运输系统，城镇管道运输系统作为其中的重要环节起着关键的作用。聚乙烯（PE）管道的使用寿命较长、抗腐蚀能力强、摩擦阻力低、质量轻，从而被大规模地使用于城镇天然气管网系统中[1]。城镇燃气用聚乙烯管道广泛应用于人口比较密集的区域，失效会引发较为严重的后果，城镇燃气PE 管道老化失效已成为重要的安全问题之一[2]。聚乙烯管道在具体实际使用过程中会受到环境、温度、压力、管材结构等因素的影响，对管道的使用寿命会造成一定的损害[3-10]。

目前对聚乙烯管道老化的研究一般分为自然老化和人工老化两种方法[11]，评价聚乙烯材料老化寿命最有效、最直接的方法是进行自然老化。本文针对燃气用聚乙烯管道无法确定自然环境老化时间与管道寿命之间的关系的问题，通过对燃气用埋地聚乙烯管道进行大气暴露试验的方式，研究聚乙烯管道暴露在自然环境下而不影响其性能指标的最大接受能量点，并进一步寻找燃气用埋地聚乙烯管道接受阳光照射后接受能量与管材性能指标之间的变化关系。对聚乙烯燃气管道在累积接收能量为3.5GJ/m2～7.5GJ/m2之间的试样老化特征进行了系统的分析研究。重点研究了聚乙烯燃气管道在不同累积接收能量点下的氧化诱导时间、拉伸屈服点、断裂伸长率、熔体流动速率(MFR) 等力学性能指标的变化，为聚乙烯燃气管道使用寿命的预测及研究提供理论支撑。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚乙烯(PE100) 燃气管专用混配料：北欧化工有限公司，型号HE3490LS。

1.2 主要设备及仪器

管材挤出机：瑞典莱伯泰科公司，型号LEP45-50；差示扫描量热仪：德国耐驰公司，型号DSC214；熔体流动速率测试仪：美国英斯特朗公司，型号MF20；电子拉力万能试验机：美国美特斯工业系统公司，型号Model E44。

1.3 样品制备

为了确保聚乙烯燃气管材的性能在自然老化条件下变化规律实验数据的普适性，制备样品时用管材挤出机制备为外径× 壁厚分别为Ø110 mm×6.6 mm 和Ø63 mm×3.8 mm 两种不同规格，在两种不同规格管材外壁分布4 条均匀的黄色色带。将制备好的管材经机械加工成符合国标（GB/T 8804.3-2003）要求的I、II 型哑铃状试样。试样具体信息及照片如表1 和图1 所示。其中试样B 与试样D 为黑色哑铃状试样，试样A 与试样C为中间平行部分具有黄色色带的哑铃状试样。

表1 试样代号及规格Table 1 Specimen specifications and codes

图1 试样A、B、C、D 四种实物图Fig. 1 Physical pictures of four samples A, B, C, D

1.4 性能测试与结构表征

1.4.1 大气暴露实验

管材大气暴露试验方法：样品暴露方式为室外直接大气暴露，试样暴露面朝正南方，外饰件与地平面成45°倾角，试验架（无背板）下端离地面高度大于200mm。每个能量点结束后，分别对试样的氧化诱导时间、拉伸性能、熔体流动速率进行测试。

验证场地：样品投试于中国新疆吐鲁番自然环境试验研究中心静态暴露试验区内。该中心位于东经89° 12′、北纬42° 56′，海拔61.5m，四周空旷，场地平坦。该地区日照充足，热量丰富但又极端干燥，降雨稀少。当地气象条件较稳定，各年间的气象因素变化规律相似，属于典型的干热气候条件。管材大气暴露试验期间主要气象数据见表2。

表2 管材大气暴露试验期间主要气象数据Table 2 Main meteorological data during pipe atmospheric exposure test

1.4.2 氧化诱导时间的测试

采用差示扫描量热仪对不同接受能量点下的试样氧化诱导时间进行测试。样品质量为5mg，N2流量为50cm3/min，O2流量为50cm3/min，升温速度为20 ℃/min，测试温度为200℃。测试结果取切换点与氧化曲线最大斜率和基线之间交点的时间为氧化诱导时间。

1.4.3 拉伸性能的测试

根据GB/T 8804.3-2003 测试方法，I 型试样与II 型试样的实验速度分别为50mm/min 和100mm/min，标距间距分别为50mm 和25mm。

1.4.4 熔体流动速率的测试

根据GB/T 3682-2000 测试方法，将经过拉伸测试的试样裁制成小颗粒进行熔体流动速率测试，砝码的质量为5.0kg，试验温度为190℃，切割时间间隔为120s。

2 结果与讨论

2.1 聚乙烯燃气管自然老化后的氧化诱导时间

图2 为随接收能量的增加四种试样A、B、C、D 的氧化诱导时间的变化曲线图，由图可以看出四种试样的氧化诱导时间随着能量的增大而逐渐减小，表明聚乙烯燃气管材的热稳定性随着接受能量的增大逐渐减弱。四种试样在累计接受能量6.0GJ/m2时（相关于陕西地区14个月的日照时数），样品氧化诱导时间开始低于国家标准要求的20min，表明试样在外暴露存放而不影响使用性能的时间为14 个月。四种试样之间的氧化诱导时间在各个累计接受能量点之间的差别不是很大，表明有无色带对聚乙烯管材的氧化诱导时间影响不大。

图2 试样A、B、C、D 的氧化诱导时间随接受能量的变化曲线图Fig. 2 Curves of the oxidation induction time of samples A，B，C and D with the energy received

2.2 聚乙烯燃气管自然老化后的拉伸性能

图3 为试样A、B、C、D 的拉伸屈服强度随接受能量的变化曲线。从图中可以看出，随着接受能量的逐渐增大，四种试样的拉伸屈服强度未发生明显变化，这是由于试样在暴晒老化的过程中，只有暴晒表面发生了一定的老化，且老化层较薄，不至于影响试样在拉伸过程中发生屈服变化，所以所有试样拉伸屈服强度保持基本不变[1]。

图3 试样A、B、C、D 的拉伸屈服强度随接受能量的变化曲线图Fig. 3 Curves of tensile yield strength of samples A，B，C and D with the energy received

图4 为试样A、B、C、D 的断裂伸长率随接受能量的变化曲线图。断裂伸长率因试样不同而不同，与试样B 和试样D 相比，试样A 和试样C 的断裂伸长率下降明显。试样B、D 断裂伸长率基本保持不变，分别约为670%和590%。A 试样相对于B 试样，由于其表面具有黄色色带，而黄色色带部位的抗老化能力比黑色弱，样品在接受能量为3.5GJ/m2后，发生了较为严重的老化降解，样品在拉伸经过屈服点后，在黄色色带面上发生应力集中，从而使试样断裂过早，引起了样品断裂伸长率的显著降低。同样，C 试样相对于D 试样，由于表面也具抗老化性能较弱的黄色色带，试样断裂伸长率显著降低。

图4 试样A，B，C，D 的断裂伸长率随接受能量的变化曲线图Fig. 4 Curves of the elongation at break of specimens A，B，C and D with the received energy

2.3 聚乙烯燃气管自然老化后的MFR

图5 为试样A，B，C，D 的MFR 随接受能量的变化曲线图。从图中可以看出四种试样的熔体流动速率随着接受能量的变化基本保持不变。这主要是由于4 种试样在老化过程中虽然暴晒表面发生了降解老化，但老化层的厚度较薄，对管材整体的分子量分布和大小影响较小，4 种试样的熔体流动速率基本保持不变。

图5 试样A，B，C，D 的MFR 随接受能量的变化曲线图Fig. 5 MFR of samples A， B，C and D withthe energy received

3 结论

（1）四种试样在累计接受能量6.0GJ/m2时（相当于陕西地区14 个月的日照时数），样品氧化诱导时间开始低于20min，在累计接受能量7.5 GJ/m2能量后（相当于陕西地区21 个月的日照时数）氧化诱导期指标均处于10min 左右的水平，试样老化程度较为严重。

（2）在整个老化过程中，老化层都很薄，4 种试样拉伸屈服强度基本保持不变。而对于A 样和C 样，由于老化面有黄色色带，试样拉伸过程中在色带部分发生了应力集中现象，导致试样断裂过早，其断裂伸长率降低较为明显，远远小于B 样和D 样，更低于国标≥350%的标准要求。

（3）由于在自然老化过程中老化层厚度较薄，4 种试样老化后的熔体流动速率基本保持不变。