燃气用聚乙烯管材色条对其老化性能的影响*

申麦茹，铁文安，张 杨

（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）

聚乙烯（PE）管材具有成本低廉和优异的耐腐蚀性能的特点，广泛应用于市政给排水、燃气等领域[1-2]。聚乙烯是一种高分子材料，由乙烯单体经专用催化剂经过配位聚合而成，PE 管材专用料经历由Ziegler Natta 第一代催化剂，到1990 年末共聚双峰高密度聚乙烯[3-4]，PE管材在抵抗韧性破坏、快速裂纹扩展等性能得到极大扩展。

燃气用聚乙烯管材设计使用寿命一般为50 年，已广泛应用于输送城市天然气[5-7]。聚乙烯管材在服役过程中，受到环境中湿、热、氧、光、使用介质等因素的影响，不可避免地发生不同程度的老化[8-11]。本文通过对聚乙烯管材试样进行自然日光暴露试验，对接收不同能量点（3.5～7.5 GJ/m2）的试样进行氧化诱导时间、抗拉强度、断裂伸长率、熔体流动速率和静液压强度性能指标试验，进行聚乙烯管材抗老化性能研究，发现材料性能变化与接受能量（日照辐射量）的变化规律。在试验中意外发现管材的色条一定程度降低了其抗老化性能。按照GB 15558.1-2015《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统 第1部分：管材》规定，燃气聚乙烯管材PE80 黑色管材上至少有3 条黄色条，PE100 黑色管材上至少三条橙色条，但未明确色条的宽度和厚度，一般由各生产单位根据自己的工艺确定。通过本文可对材料自然日光暴露后是否已发生老化进行初步判断，为管材制造中色条的控制提供技术依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

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

1.2 试验仪器与设备

管材挤出机，型号LEP45-50；差示扫描量热仪（DSC），型号DSC214。熔体流动速率测试仪，型号MF20。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。环境条件监测系统CR1000，KippZonen、固定试样架G2C7。

1.3 试样制备

试样由原料（PE100 混配料）经挤出机加工成dn63mm 规格的黑色管材，外壁均匀分布4 条黄色色条。将该管材机械加工成符合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。B 样与D样为黑色哑铃试样，A 样与C 样其哑铃试样中间平行部分具有黄色色条。试样数量共6 种306 件。

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

表1 试样规格及代号Table 1 Sample specifications and codes

1.4 自然日光暴露试验

为研究聚乙烯管材在不同能量点(3.5 ～7.5 GJ/m2)材料性能的变化规律，将燃气用聚乙烯管材制成试样，进行自然日光暴露试验。试验依据GB/T 3681-2011《塑料 自然日光气候老化、玻璃过滤后日光气候老化和菲尔镜加速日光气候老化的暴露试验方法》进行。当试样累计接受能量从3.5GJ/m2起每间隔0.5 GJ/m2为1 个能量点，最大接受能量为7.5GJ/m2时，见表2 所示

表2 试样数量与接受能量对应表Table 2 The corresponding of sample quantity and energy received

1.5 主要气象数据

将分好的试样采用室外直接暴露于大气中，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。

试样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。试样自然日光暴露期间主要气象数据见表3。

表3 试样自然日光暴露期间主要气象数据Table 3 Main meteorological data of samples during natural sunlight exposure

1.6 性能测试

（1）氧化诱导时间测试

采用 DSC 仪测试不同接受能量下试样的氧化诱导时间。试样质量约 5mg，氮气流量 50cm3/min，氧气流量50cm3/min，升温速率 20℃/min，测试温度 200℃。试验结果取切换点与氧化曲线最大斜率和基线交点之间的时间为氧化诱导时间。

（2）拉伸性能测试

参照 GB/T 8804.3-2003，I 型试样拉伸速度50 mm/min，标距间距 50/mm，II 型试样拉伸速度100mm/min，标距间距 25mm。

（3）MFR 测试

参照 GB/T 3682-2000，取经过拉伸测试的试样裁取成小颗粒进行 MFR 测试，砝码质量 5.0 kg，试验温度190℃，切割间隔时间 120 s。

（4）管材静液压测试

参照 GB/T 6111-2003，PE80 环应力4.5MPa、80℃165h；PE100 环应力5.4MPa，80℃、165h。

2 实验结果与分析

对接受不同能量点后的试样进行氧化诱导时间、熔体质量流动速率、断裂伸长率、拉伸强度、静液压强度试验，其试验结果如下：

2.1 氧化诱导时间

自然日光暴露试验后不同能量点氧化诱导时间见表4，接收不同能量点和氧化诱导时间对应关系如图2 所示。

表4 自然日光暴露试验后不同能量点氧化诱导时间Table 4 Oxidation induction time at different energy points after natural sunlight exposure test

图2 自然日光暴露试验后不同能量点与氧化诱导时间对应图Fig.2 The corresponding of different energy points and oxidation induction time after natural sunlight exposure test

氧化诱导时间常用来表征聚乙烯燃气管材的热稳定性，氧化诱导时间的大小可以直接表征材料的抗氧化性，氧化诱导时间越长，表明聚乙烯管材热稳定越好。氧化诱导时间可以间接评价聚乙烯燃气管材的使用寿命。

由图2 可以看出氧化诱导时间随累计接受能量增加而降低。接受能量累计达6.0GJ/m2（具体值为6018.44MJ/m2）后，氧化诱导时间小于20min，表明管材承压能力下降。

2.2 熔体质量流动速率

自然日光暴露试验后不同能量点熔体质量流动速率见表5，接收不同能量点与熔体流动速率对应关系见图3。

表5 自然日光暴露试验后不同能量点熔体质量流动速率Table 5 Melt mass flow rates at different energy points after natural sunlight exposure test

图3 自然日光暴露试验后不同能量点与熔体质量流动速率对应图Fig.3 The corresponding of different energy points and melt mass flow rate after natural sunlight exposure test

熔体流动速率是树脂在一定温度与压力下，10min内从口模流出的质量，熔体流动速率反映树脂的难易程度，其大小直接反映树脂的分子量大小及分子量分布。

因材料接受能量对树脂的分子量大小及分子量分布影响不大，因此熔体质量流动速率指标在0.26～0.37（g/10min）之间仅发生微小变化。即使累计接受能量高达7.5 GJ/m2（具体值为7543.27MJ/m2，紫外线能量为317.27MJ/m2）也如此。

2.3 拉伸强度

自然日光暴露试验后不同能量点拉伸强度见表6，接收不同能量点与拉伸强度之间的关系如图4 所示。

表6 自然日光暴露试验后不同能量点拉伸强度Table 6 Tensile strength at different energy points after natural sunlight exposure test

图4 自然日光暴露试验后不同能量点拉伸强度Fig.4 Tensile strength at different energy points after natural sunlight exposure test

在接受最大能量7.5GJ/m2（具体值为7543.25MJ/m2，接受紫外线能量为317.27MJ/m2）时，拉伸强度指标仍满足标准要求。这是由于试样只有暴露面发生老化，且老化层很薄不至于影响试样的屈服点，所以所有试样拉伸屈服强度保持基本不变。

2.4 断裂伸长率

管材自然日光暴露试验后不同能量点断裂伸长率见表7，接收不同能量点与断裂伸长率对应关系如图5 所示。

表7 自然日光暴露试验后不同能量点断裂伸长率Table 7 Break elongation at different energy points after natural sunlight exposure test

图5 自然日光暴露试验后不同能量点与断裂伸长率对应图Fig.5 The corresponding of different energy points and break elongation after natural sunlight exposure test

断裂伸长率的大小，决定了材料的韧性的好坏，其数值越大，说明有很好的延伸性及抗冲击性能。有色条和无色条试样断裂伸长率指标出现明显的差异（图5）。A 试样在接受能量4.0GJ/m2（实际值4049.05MJ/m2，紫外线能量171.39MJ/m2），C 试样在接受能量4.5GJ/m2（实际值4554.22MJ/m2，紫外线能量198.23MJ/m2）后，断裂伸长率不合格； 而B、D 试样在接受能量7.5GJ/m2（具体值为7543.27MJ/m2，接受紫外线能量为317.27MJ/m2）后，性能指标仍符合要求。这是因为A、C 试样其表面具有黄色色条，试样在累计接受一定能量后，发生严重降解老化，试样拉伸经过屈服点之后，在黄色色条面上发生应力集中，造成试样断裂伸长率急剧降低，材料发生脆断。

2.5 静液压试验强度

管材自然光暴露试验后不同能量点的静液压强度见表8（E 样）、表9（F 样），可以看出，在接受最大能量7.5GJ/m2后，静液压强度指标仍满足要求。

表8 管材自然日光暴露试验后不同能量点静液压强度（E 样）Table 8 Hydrostatic strength at different energy points after natural sunlight exposure test (sample E)

表9 管材自然日光暴露试验后不同能量点静液压强度（F 样）Table 9 Hydrostatic strength at different energy points after natural sunlight exposure test (sample F)

3 实验结论

根据自然日光暴露试验，通过研究燃气用聚乙烯管材在累计接受不同能量时的物理力学指标变化，得到以下结论：

（1）四种试样在累计接受能量6.0GJ/m2时，氧化诱导时间开始低于20min，在累计接受能量7.5GJ/m2能量后氧化诱时间均处于10min 左右的水平。材料的抗氧化性能已丧失。

（2）基于材料老化存在于表面，4 种试样拉伸屈服强度基本保持不变。而对于A 样和C 样，由于表面加入了黄色色条，因其已发生老化，其断裂伸长率显著降低，远远小于无色条的B 样和D 样，更低于350%的标准要求。色条的添加一定程度降低了管材的寿命。

（3）由于老化层很薄，4 种样品经老化后其熔体流动速率基本保持不变，均在20% 的变化范围内。

（4）试样在的80℃、165h 静液压强度下均无破坏、无渗漏。

4 意见和建议

（1）聚乙烯管材在自然日光暴露下的最长时间与不同地区的日照辐射量有关。自然日光 暴露下累计接受能量4.0GJ/m2（有色条试样）起，聚乙烯管材断裂伸长率首先不满足标准要求。建议根据我国日照时数及年辐照量分布（见表10），推算出不同地区管材自然日光暴露下发生老化的极限值。

表10 我国日照时数及年辐照量分布Table 10 Sunshine duration and annual radiation dose distribution in China

(2) 聚乙烯管材应存放在门窗洞口有防紫外线措施的仓库（存储型物流建筑）或半露天堆场（货棚）内，货棚内的管材应不受到暴露、雨淋，应有防紫外线的措施。不应长期户外存放，若从生产到使用期间，累计接收能量超过3.5GJ/m2时，按CJJ63-2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》规定，存放时间不超过4 年，应进行静液压强度和断裂伸长率抽检。根据试验数据分析，建议自然光暴露下管材最长存放时间应根据其所在地日照辐射量（接受能量）及储存情况来确定为宜；进行抽检时，建议对氧化诱导时间和断裂伸长率抽检为宜。另外，为了检测管材累计所接受能量，管材制造单位和使用单位或安全单位需配备相应检测仪器。

(3) 燃气用聚乙烯黑色管材上的黄色或橙色色条，导致其断裂伸长率严重下降，说明管材已丧失韧性发生脆性断裂。色条已严重影响了管材的承压能力，降低了其使用寿命。建议对色条添加适量抗老化剂或控制色条的宽度、厚度和条数。