聚乙烯管道耐快速裂纹扩展临界压力测试

霍 亮

(哈尔滨中庆燃气有限责任公司,哈尔滨 150076)

0 引言

快速裂纹扩展(RCP)是一个低韧性(脆性)裂纹以高速(约300 m/s)沿压力管线长距离延伸的现象,主要受环境温度及管道系统压力的影响,如果聚乙烯燃气管道管壁上由于第三方施工受到强力冲击或其他原因导致管线上出现一个穿透裂纹,在管道内燃气介质的压力下,该裂纹会以每秒几百米的速度沿管道轴向快速增长,当管道在几十米至几千米范围内破裂后,燃气大量溢出,将造成大范围燃烧乃至爆炸,后果不堪设想。当管道系统中的压力达到临界压力PRCP以上,由裂纹发展成裂缝,就有可能引发RCP现象。为避免RCP危害,燃气输气系统设计必须考虑聚乙烯管材的RCP临界压力PRCP,只要在临界压力PRCP之下,就不会发生RCP现象。

1 耐快速裂纹扩展实验方法

耐快速裂纹扩展实验方法主要有裂纹扩展实验与冲击试验两种,其中裂纹扩展实验分为全尺寸实验、小尺寸实验及ROBERTSON实验。目前公认的用于确定聚乙烯燃气管道耐快速裂纹扩展性能的实验方法是全尺寸实验(FST实验)与小尺寸实验(S4实验),如图1。

图1 耐快速裂纹扩展实验方法

全尺寸实验(FS实验)与小尺寸实验(S4实验)方法都已形成了国际标准(ISO13478、ISO13477)。关于小尺寸实验(S4实验),我国形成了GB/T 19280-2003流体输送用热塑性塑料管材耐快速裂纹扩展(RCP)的测定小尺寸稳态实验(S4实验)标准。

全尺寸实验(FST实验)应按照国际标准ISO13478进行实验,通过一系列实验,确定了一定温度下的全尺寸临界压力PC,FS,如图2。

图2 全尺寸实验示意图

如果管道工作压力超过这一压力,在一定因素影响下就有可能发生快速裂纹扩展,因此研发了小尺寸稳态实验(S4实验)方法。

实验装置总体上需符合图3要求,其基本要求如下:

图3 S4实验装置

该实验需在实验室中完成。截取规定长度的热塑性塑料管材试样,试样分为裂纹引发段(发生区)和裂纹增长段(计量段),计量段长度大于5 dn,检查管材试样以确定是裂纹终止还是裂纹扩展。测量开裂长度为a,当a≤4.7 dn时,定义为裂纹终止,当a﹥4.7 dn时,定义为裂纹扩展。采用一系列试验压力, 至少有一个裂纹终止的试验结果(即a≤4.7 dn)和一个裂纹扩展的试验结果(即a﹥4.7 dn),如图4所示。

图4 确定临界压力或环向应力(Pcs4或 σcs4)的典型试验数据图

尽管小尺寸实验(S4实验)简化了RCP实验难度,但由于S4实验与全尺寸实验(FS实验)的条件不同,属于实验室实验,不能完全真实地反映快速开裂的情况,有必要建立S4实验与FS实验结果的定量关系。目前,国际上普遍认可的PC,S4与PC,FS的对应关系为:

(PC,FS+ 1)/(PC,S4+ 1) = 3.6

PC,FS= 3.6PC,S4+ 2.6

若MOPS4达不到设计要求,则存在两种可能:一种可能是管材抵抗快速裂纹增长的性能确实不能满足设计要求,另一种可能是由于上面的换算方式过于保守,误将满足要求的管材判定为不符合设计要求,这时就要进行FS实验,由FS实验结果MOPFS作为最终判断。

2 耐快速裂纹扩展临界压力测试

测试管材的选择。由于聚乙烯燃气管道管径越大、管壁越厚,就越容易发生快速开裂问题。选用的聚乙烯燃气管道最大公称外径为dn315 mm,故而选用SDR11、dn315 mm的聚乙烯燃气厚壁管作为测试管材,这样使用的其他规格尺寸的聚乙烯燃气管道被全覆盖。

测试温度的选择。当聚乙烯燃气管道在0 ℃以下的环境温度中,要求在最低使用温度下进行RCP实验,以确定最低工作温度下的临界压力。混配料供应商或管材生产厂商提供的PRCP都是0 ℃时的临界压力,因此选择聚乙烯燃气管道的最低工作温度-20 ℃作为检测温度。

测试方法的选择。由于缺乏全尺寸实验(FS实验)场所,只能采用小尺寸实验(S4实验),选择了技术先进的某公司塑料管道研究测试中心进行RCP实验。

测试压力的选择。我国于2018年10月18日颁布了CJJ63-2018 聚乙烯燃气管道工程技术标准,修订了聚乙烯燃气管道最大工作压力,由原来的0.7 MPa提高到0.8 MPa。混配料供应商或管材生产厂商所提供的都是0 ℃时最大工作压力为0.7 MPa的RCP检验报告,因此选择最大工作压力0.8 MPa为RCP的实验压力。但由于GB 50028-2006城镇燃气设计规范中6.3.2条的规定,次高压燃气管道应采用钢管,聚乙烯燃气管道仍只能用于中、低压燃气管道,所以选择了最大工作压力0.4 MPa为RCP的实验压力。根据有关规定的小尺寸实验(S4实验),试验压力计算公式为:

PC,S4MOP/2.4-0.072(MPa)

MOP=0.8 MPa时,PC,S40.26 MPa

MOP=0.4 MPa时,PC,S40.095 MPa

3 测试结果

试验情况及结果如下:

图5 北欧化工的HE3490LS

MOP=0.4 MPa,-20 ℃,裂纹长度a:630 mm<4.7 dn,合格

图7 沙比克公司P6006

选择最大工作压力为0.8 MPa的RCP实验压力,用量最大的北欧化工的HE3490LS进行-20 ℃的RCP实验,结果失败。又进行了-15 ℃的RCP实验,结果失败。证明北欧化工的HE3490LS无法满足次高压B聚乙烯燃气管道低温下耐快速裂纹扩展的性能要求。

选择最大工作压力为0.4 MPa的RCP实验压力,分别对北欧化工的HE3490LS、巴塞尔的CRP100及沙比克公司的P6006进行了-20 ℃的RCP实验,结果全部合格,证明中、低压聚乙烯燃气管道在-20 ℃的环境下完全满足耐快速裂纹扩展的性能要求,试验结果见表1。

表1 耐快速裂纹扩展实验结果

4 结论

对燃气用埋地聚乙烯管道进行耐快速裂纹扩展临界压力测试,结果表明,北欧化工的HE3490LS无法满足次高压B聚乙烯燃气管道低温下耐快速裂纹扩展的性能要求。北欧化工的HE3490LS、巴塞尔的CRP100及沙比克公司的P6006在中、低压聚乙烯燃气管道在-20 ℃的环境下,可以完全满足耐快速裂纹扩展的性能要求。