梁才萌,樊建博,张培东
(番禺珠江钢管(连云港)有限公司,江苏 连云港 222006)
改革开放以来,我国逐渐引进国外先进的管道防腐技术,所采用的相关产品标准是直接引用国外同行业技术领先的标准。随着管道防腐层生产及研究技术的经验积累,我国石油天然气行业相关企业或机构有能力结合自身的实际情况,参考国外相关产品标准,重新修订管道防腐层的行业标准或国家标准。但这些标准在执行过程中,或多或少存在着瑕疵,现结合国内相类似的产品标准以及塑料拉伸试验标准对GB/T 23257—2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》(以下简称GB/T 23257)中拉伸试验的断裂伸长率进行探讨。
断裂伸长率是评价材料拉伸性能的主要指标。对于钢质埋地管道聚乙烯防腐层的断裂伸长率,主要使用的标准有GB/T 23257—2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》、ISO 21809-1:2011《石油天然气管道三层聚乙烯和三层聚丙烯外防腐层》、CSA-Z 245.21-10《工厂施用的钢管外防腐聚乙烯涂层》、DIN 30670《钢管和管件的聚乙烯涂层》及壳牌标准DEP 31.40.30.31-Gen《管线钢钢管外防腐聚乙烯和聚丙烯涂层》等。不同标准对拉伸试验断裂伸长率的验收要求见表1。
表1 不同标准对钢质埋地管道聚乙烯防腐层拉伸试验断裂伸长率验收要求的对比
由表1可知,不同标准对拉伸试验断裂伸长率的要求不同,其中包括断裂伸长率的定义、采用的试样类型、拉伸速度以及原材料和涂层的验收要求等。GB/T 23257中关于断裂伸长率的定义在其引用的GB/T 1040.1或GB/T 1040.2中并没有明确的定义,只是在GB/T 1040.1中根据材料呈现的不同类型的拉伸曲线分别定义了断裂拉伸应变和断裂标称应变。断裂拉伸应变的定义为:试样未发生屈服而断裂时,与断裂应力相对应的拉伸应变,其中拉伸应变是指原始标距单位长度的增量。断裂标称应变的定义为:试样在屈服后断裂时,与拉伸断裂应力相对应的拉伸标称应变,其中拉伸标称应变是指两夹具之间距离单位原始长度的增量。但旧版GB/T 1040—1992中直接有断裂伸长率的定义,其定义为:在拉力作用下,试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比。
新版GB/T 1040.1—2006(等同采用ISO 527-1:1993)将断裂伸长率分为断裂拉伸应变(测量结果上等同GB/T 1040—1992定义的断裂伸长率)和断裂标称应变的主要原因是:在发生了明显屈服后断裂的试样,使用大变形引伸计不能准确地捕捉到标距间真实的增长量,因此在这种情况下,断裂伸长率改为测量断裂时初始夹具距离的增长百分数,即断裂标称应变。断裂拉伸应变和断裂标称应变在定义上的较大差异导致了测量结果的较大差别,具体数据见表2。
一般管线钢聚乙烯防腐原材料和涂层是在屈服后断裂的,也就是断裂伸长率按照断裂标称应变进行测量,这样就导致执行GB/T 23257的过程中主要存在以下问题:
表2 断裂拉伸应变与断裂标称应变测量结果对比
(1)GB/T 23257中,聚乙烯涂层断裂伸长率的验收要求≥600%,这个指标远远高于其他同类标准。虽然目前防腐行业有能力达到该指标值,但因此会导致制造成本的增加,不利于企业的盈利和发展。从聚乙烯涂层产品标准的历史说起,这个行业最早的产品标准是德国的DIN 30670。德国标准发行后,各国纷纷以此标准为范本,结合自身的实际情况编制了相应的标准。目前DIN 30670标准规定断裂伸长率验收要求≥400%,而国际防腐行业认为最严格的加拿大标准CSA Z 245.21-10对断裂伸长率的验收要求仅为≥300%。因此,单从产品标准的验收要求来看,GB/T 23257对断裂伸长率的规定就过于严苛,建议参考ISO 21809-1,将聚乙烯涂层的断后伸长率改为≥400%。
(2)GB/T 23257中,断裂伸长率选用对断裂标称应变的测量方法与其他国家标准的要求不一致,容易导致混乱。从表1可知,ISO 21809-1和DEP 31.40.30.31-Gen对断裂伸长率的测量方法与其一致,而DIN 30670和CSA Z245.21-10都是规定断裂伸长率测量断裂时标距的增长量百分数。国外的产品标准对断裂伸长率都描述为 “elongation at break”,CSA Z 245.21-10引用的试验标准ASTM D 638中就直接有这个定义;而在DIN 30670中,拉伸试验按照ISO 527执行(ISO 527并没有“elongation at break”的直接定义)的同时在其附录F中再明确规定断裂伸长率为断裂时标距的增长百分数。各国在测量断裂伸长率的方法不一致的原因主要是:首先,塑料行业是沿袭金属材料发展后兴起的一个行业,对塑料的性能研究有很多金属材料领域的影子,因此对断裂伸长率的定义就是传统的标距增长量百分数;其次,在实际使用过程和对塑料的进一步研究过程中发现,沿用传统断裂伸长率的定义会有很大的不准确性,因此对原来的定义进行更细化的定义,也就是把断裂伸长率分为断裂拉伸应变和断裂标称应变;最后,进行性能检测的试验标准重新定义了断裂伸长率之后并没有在相应的产品标准中进行重新界定和说明。
(3)GB/T 23257及其引用的 GB/T 1040均没有给出测量断裂伸长率使用的具体拉伸速度,而实际检测过程发现,其他试验条件相同仅拉伸速度不一样时,得到的结果就有很大的差异,这就给测量结果的验收造成一定的不确定性。因此,建议参考ISO 21809-1,取试样为1B型,试验速度为50 mm/min。
目前各国标准对断裂伸长率的测量方法及验收要求并不统一。采用断裂拉伸应变和断裂标称应变的国际标准ISO(包括国家标准GB),其出发点就是引伸计不能准确地捕捉标距间的增长量,原来的测量方法存在很大的不确定度,应有更为准确的方法。实际检测过程中也确实如此,按照标距间的增长量来测量断裂伸长率(大变形),在试样上对标距进行标识,既要保证标距的误差符合要求,又要保证试样变形断裂时能有效分辨出标识处,这是非常困难的。虽然目前使用大变形引伸计来跟踪标距的变形,但引伸计自身存在重力,夹持力不大,且屈服过程试样变形过快,导致不能保证引伸计最终捕捉到的增长量就是标距的增长量。国际标准ISO提出的断裂标称应变的测量方法能准确地捕捉到试样初始夹持距离的所有变形增量,试验方法的准确度和复现性有了保证,但是其测量的有效部分宽度尺寸并不是大小均匀一致的(所采用的哑铃型试样,测量有效部分包括缩减部分、过渡圆弧部分以及夹持部分),因此其并不能准确地反映材料的真实性能。对于怎样能更准确且真实地的测量塑料的断裂伸长率,个人有如下建议:
(1)参考 GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验第1部分:室温试验方法》中的移位法测量断裂伸长率,以便对测量断裂标称应变的结果进行二次判断,更切合材料的真实性能。
在GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》中,规定金属材料的断裂伸长率按正常方法测量,如果结果小于规定要求且断裂位置离标距任意两端点距离小于1/3标距时,可使用移位法对断裂伸长率进行重新测量,然后再判断其合格与否。相对于聚乙烯等塑料材料,当测量断裂伸长率不合格时,可参照金属材料的移位测量方法测量断裂伸长率。试样拉断后尺寸标识如图1所示,金属材料的移位测量方法原理为:试验前先将试样平行长度的两端点到初始夹持两端点的距离用可知刻度的标线进行标识,拉断试样后读取夹具间(初始距离)的增长量L1,同时选择拉断试样上除夹具线外还存在的清晰的标识线b和c,并分别测量其到对应端夹具线的距离S1和S2,所以b和c标识线间的距离增长量 L2=L1-S1-S2,断裂伸长率为 A=(L1-S1-S2-L0)/L0,其中L0为试验前标识线a和b的原始距离。传统方法和移位法测量断裂伸长率的结果见表3。由表3可知,使用该方法得到的测量结果比断裂标称应变结果明显要大,同时该方法还能尽量去掉有效测量长度(夹持距离部分)的未变形量,因此可以更真实地反应材料的性能。
图1 试样拉断后尺寸标识示意图
表3 传统方法和移位法测量断裂伸长率的结果对比
(2)对试样尺寸进行适当的调整,以使圆弧过渡区尽量不发生变形,整个变形部分只发生在平行长度部分,通过对平行长度增长量的测量来计算断裂伸长率。
GB/T 1040.2中1B型试样和5A型试样平行长度部分的宽度(b1)、过渡圆弧的半径和夹持部分的宽度(b2)不一样,在实际试验过程中1B型试样有更大的宽度比(b1/b2),因此更容易导致过渡圆弧部分和夹持部分的变形。而相对来说,ASTM D 638的Ⅳ型试样和GB/T 1040.2的5A型试样夹持部分的变形就比较小。所以,如果对试样形状进行适当调整,也就是适当减小宽度比(b1/b2),就可以更精确地测量发生在平行长度部分的变形量,从而更好地反映材料的真实断裂伸长率。
(1) GB/T 23257—2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》应对断裂伸长率的测量方法进行进一步说明,包括说明断裂伸长率的定义以及使用的试验速度,建议参考国外标准使用1B试样,拉伸试验速度为50 mm/min。
(2)建议参照GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》对塑料拉伸试验断裂伸长率使用位移法对试验结果进行二次判断。
(3)可对试样尺寸进行适当改进,保证变形发生在试样的平行长度部分,从而得到的断裂伸长率能更准确和更真实地反映材料的性能。
[1]唐宜平.钢管3PE防腐涂层的若干理论问题研究[D].上海:上海交通大学,2010.
[2]GB/T 23257—2009,埋地钢质管道聚乙烯防腐层[S].
[3]ISO 21809-1:2011,石油天然气管道三层聚乙烯和三层聚丙烯外防腐层[S].
[4]CSA-Z245.21—2010,工厂施用的钢管外防腐聚乙烯涂层[S].
[5]DIN 30670—2012,钢管和管件的聚乙烯涂层[S].
[6]DEP 31.40.30.31-Gen,管线钢钢管外防腐聚乙烯和聚丙烯涂层[S].
[7]GB/T 1040.2—2006,塑料 拉伸性能的测定 第2部分:模塑和挤塑塑料的试验条件[S].
[8]GB/T 1040.1—2006,塑料 拉伸性能的测定 第1部分:总则[S].
[9]GB/T 1040—1992,塑料拉伸性能试验方法[S].
[10]GB/T 228.1,金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法[S].