HDPE压力管材专用料的分级与评价

赵长江

摘 要：介绍了国内外相关标准对HDPE压力管材专用料的压力分级、耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展性评价的方法和要求，影响HDPE压力管材耐裂纹扩展和应力开裂的因素。

关键词：HDPE管材专用料；压力分级；慢速裂纹增长；快速裂纹扩展

1 HDPE压力管道专用料的分级

同一温度T下的试验数据运用统计学根据四参数模型进行线形回归，得到在此温度下的长期静液压强度σLTHS。分别将不同温度的数据回归，得到不同温度的σLTHS。σLTHS的单位为兆帕，它表示在温度 T 和破坏时间 t 预测的平均静液压强度。σLTHS的意义是指，在温度T下，试验静液压应力为σLTHS时，破坏时间能达到t的概率为50%。

1.3 根据预测静液压强度的置信下限对专用料进行分级

值得说明的是，压力管道专用料的分级只是表明了不同材料耐长期静液压蠕变的能力，而实际使用中管材的破坏往往是与管材成形加工和运输施工中形成的表面缺陷和应力集中等因素密切相关的，因此除了对管材专用料进行压力分级，对管材耐裂纹扩展和应力开裂性能的系统评价也是十分必要的。

2 HDPE压力管道的抗裂纹扩展能力

塑料压力管道在加工、运输、施工安装过程中不可避免地会产生表面的撞击和刮擦，形成表面缺陷和应力集中部位。这些表面缺陷和应力集中部位在长期压力作用下，形成的微裂纹会不断扩展，最终导致管材的破坏。因此，抗裂纹扩展能力是压力管材评价的重要内容。HDPE压力管道的裂纹增长主要有两种模式，即慢速裂纹增长（Slow Crack Growth，SCG）和快速裂纹扩展（Rapid Crack Propagation， RCP）。相应的评价方法即耐慢速裂纹增长能力和耐快速裂纹扩展能力。

2.1 管材表面微裂纹和应力集中部位产生的原因

管材表面微裂纹和应力集中部位产生的原因主要有以下几点：（1）成型加工过程形成的熔合缝（尤其是直通式管材机头）；（2）铺设施工过程中的表面刮擦，形成微裂纹缺陷（尤其是现在新兴的非开挖铺管技术更容易在管材表面造成伤害）；（3）管道底床中的突出物或不当回填使管材局部受力造成的应力集中。

2.2 耐慢速裂纹增长能力评价

压力管材的慢速裂纹增长（SCG）是在长时间、小负荷作用下，因管材表面不可能避免的裂纹，裂缝的尖端处应力集中，达到和超过某一临界条件时，裂纹失去稳定性而发生扩展，当表面微裂纹缓慢扩展至一定长度或壁厚时，致使管材失效。SCG过程相当缓慢，是压力管道失效的主要模式，过程经历较长时间，是衡量管道寿命的重要因素。

ISO13479规定了管材耐SCG性能的测试方法，用缺口管材的耐静液压实验的破坏时间来表示，它适应于壁厚不小于5mm的管材。GB/T18476是ISO13479的等效标准。其基本原理为：在管材外部用机械加工的方法沿轴向制造4个缺口，然后将管材置于80℃的恒温水浴中.进行静水压实验，记录管样的破坏时间。破坏时间来表征聚乙烯管材抗慢速裂纹增长的能力。

管材抗慢速裂纹增长的能力是研究HDPE压力管材长期性能和使用寿命的重要指标。HDPE管材的耐慢速裂纹增长能力通常强于其他材料的塑料管材。

2.3 耐快速裂纹扩展能力评价

压力管材的快速裂纹扩展（RCP）是指管材受外力冲击或内应力产生的裂纹，沿纵向高速扩展，造成管材大面积瞬间破坏的现象。RCP不是HDPE压力管道的常见破坏模式，快速开裂是一种偶发性事故，但一旦发生，裂纹将以100-500m/s的速度迅速扩展几米至几千米，造成大面积泄漏事故和灾难性后果。燃气管的安全运行绝对不能允许快速开通事故的发生。

压力管道RCP破坏的机理并不清楚，是目前研究的热点。但以下事实得到广泛认同：（1）低温时更容易发生RCP破坏；（2）薄壁和大口径管材有更大的RCP破坏风险（Dn≥4 inches）；（3）RCP破坏通常是脆性破裂，管线受到突然冲击时易于发生；（4）单峰分布HDPE管材提高耐RCP能力的同时会降低耐 SCG能力；双峰分布可综合提高其性能。

HDPE压力管材耐RCP能力有兩种，一种是小尺寸稳态试验测试（Small Scale Steady State，S4 test），参照标准为ISO13477和GB/T19280-2003（等效）；另一种是全尺寸试验（Full Scale Test，FST），适用于dn≥250mm的管材，参照标准为ISO13478。

基本原理：一定温度下（通常是0℃），管材内部充满一定压力的介质，在其一端施加冲击造成管材快速轴向开裂，如果裂纹长度a≤4.7dn时，定义为裂纹终止，则应提高试验压力，直至出现一临界压力，使得冲击形成的裂纹长度a>4.7dn，定义为裂纹扩展，该临界压力的大小就表示管材抵抗裂纹扩展能力。

对于燃气输送用的HDPE压力管材，通常要求其小尺寸稳态试验的临界压力不小于最大操作压力的1/2.4倍，全尺寸试验的临界压力不小于最大操作压力的1.5倍。

耐快速裂纹扩展性能是预测管道安全性能，预防重大开裂事故的最主要指标，但我国对于RCP现象和测试的研究非常少。只有国家化学建材测试中心（材料部）在2003年才完成了聚乙烯燃气管材耐快速裂纹扩展方法研究，2003版的GB/T15558《燃气用聚乙烯管道系统》才首次将该指标其列入其中。

3 结束语

文章简要介绍了HDPE压力管材专用料的压力管道专用料的压力分级、耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展性评价的标准和方法。这三项指标对于承压HDPE管材，尤其是燃气用途管材，都是最为重要的物理性能指标，新版压力燃气管材国家标准GB/T 15558要求原材料厂商、管材加工厂都要进行测试，是国家压力容器和管道安全许可强制要求的检验项目。国内树脂原料生产单位应在该领域开展深入研究，紧跟国际发展趋势和市场步伐，尽快将PE100等高等级管材专用料国产化。

参考文献

[1]GB/T6111-2003.流体输送用热塑性管材 耐内压试验方法[S].

[2]GB/T18252-2000.塑料管道系统 用外推法对热塑性塑料管材长期静液压强度的测定[S].

[3]GB/T18476-2001.流体输送用聚烯烃管材 耐裂纹扩展的测定切口管材裂纹慢速增长的试验方法 切口试验[S].

[4]GB/T19280-2003.流体输送用热塑性塑料管材 耐快速裂纹扩展（RCP）的测定小尺寸稳态试验（S4试验）[S].