材料理化性能与聚乙烯燃气管道力学破坏的关系

王 晓 张术宽 辛明亮 陈家善 李茂东

（广州特种承压设备检测研究院，广州 510663）

随着高分子材料科学技术的飞速发展，塑料管材开发利用率的不断深化，以及塑料管材生产工艺的不断改进，塑料管材淋漓尽致地展示出其卓越性能[1]。目前，塑料管材已不再被人们误认为是金属管材的“廉价替代品”。在这场“以塑代钢”的革命中，聚乙烯管道倍受青睐，日益发出夺目的光辉，被广泛用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、矿山细颗粒固体输送，以及油田、化工和邮电通讯等领域，特别在燃气输送上得到了更为普遍的应用[2]。

自1956年铺设世界上第1条聚乙烯燃气管道以来，到上世纪70年代，在欧洲和北美，聚乙烯管道在燃气领域得到迅速的推广应用[3]。聚乙烯管道在各国燃气管道上的广泛应用已成为管道领域最引人注目的成就。一方面是聚乙烯材料制作管道具有非常独到的技术经济优势，另一方面是聚乙烯管道的原料性能，管材、管件制造工艺，连接方法，连接机具以及运行中的维修手段等在多年的实践中，已达到完善的配套系统[4]。在燃气领域，无论是对于新铺设或旧管道的修复和更新，聚乙烯管都是主要的选择之一。

但是，由于历史、技术和管理等原因，我国城市聚乙烯燃气管道整体处于质量低劣、隐患不清、事故频发、被动堵漏抢修的状况，安全形势非常严峻[5]。因此寻找原材料理化性能与聚乙烯燃气管道的力学破坏关系就显得非常重要。

1 密度

在聚乙烯原料生产过程中，密度数据在合理范围内波动是生产过程稳定性的一个指标[6]。聚乙烯原料的密度与其分子结构有关，因此聚乙烯燃气管道原料的密度可能间接地与聚乙烯原料的力学破坏性能关联起来。但是原材料的分子结构复杂，各种影响因素对聚乙烯原料密度和力学破坏性能的影响不尽相同，因此聚乙烯原料的密度与力学破坏性能间的关系有时明显有时不明显。

历史上，最强调密度对力学破坏性能的影响的时期是第1代高密度聚乙烯向第2代中密度聚乙烯发展的时期,当时由于引进共聚单体造成的密度减小和长期静液压强度的改进有平行关系，人们相信降低密度起到了改进性能的关键作用，但随着第3代高密度聚乙烯的发展否定了这一观点。

2 熔体流动速率

熔体流动速率是为了说明原料可加工性发展起来的最简单的指标[7]。熔体流动速率的数据在合理范围内波动是原材料生产过程、原料商品质量及管材管件生产过程稳定性的一个重要指标。熔体流动速率与分子结构及分在量有关，因此熔体流动速率可能间接地与力学破坏性能联系起来。一般情况下，熔体流动速率小，相对分子质量高，各种力学破坏性能较好[8]。但由于各种分子结构和相对分子质量方面的因素对熔体流动速率的影响和对力学破坏性能的影响不尽相同，熔体流动速率和力学破坏之间的关系很复杂，也可以说是不确定的。

3 相对分子质量及其分布

高分子材料的相对分子质量及其分布对各种力学破坏性能都有重要影响。一般说来，相对分子质量高，材料的力学破坏性能好，但同时可加工性较差[9]。但相对分子质量不是影响材料力学破坏性能和可加工性的唯一因素，有时也不一定是主要因素。这在存在共聚单体时尤为明显。聚乙烯燃气管道原料的相对分子质量分布、共聚单体的不同相对分子质量级之间的分布、共聚单体在分子链上的序列分布都强烈地影响这其力学破坏性能。

4 交联度

聚乙烯原料经交联后可以提高燃气管抵抗力学破坏的性能，长期静液压试验中的脆性破坏模式消失，从而交联聚乙烯提高了常温下长期静液压强度性能和高温热水应用条件下的长期静液压性能[10]。交联也提高了聚乙烯燃气管道抵抗快速裂纹增长的能力。

燃气用聚乙烯管道质量在很大程度上取决于交联这一化学反应过程。适当的、足够的交联度，以及燃气管道各处聚乙烯交联的过程的均匀性对聚乙烯燃气管道的性能有重要影响。

5 模量和环刚度

塑料压力管原料的模量E是材料的基础性能，与时间有关。燃气用聚乙烯管道的环刚度SR是制品性能，与模量关系如下式[11]：

式中，I为管壁惯性矩，Dm为平均直径，v为泊松比。

因此环刚度SR也是与时间有关的参数。环刚度的测试方法见GB/T 9647—2003，长期环刚度的测试方法见GB/T 18042—2000[12-13]。

同一直径（Dm）下，管材的环刚度与壁厚的3次方程正比。聚乙烯燃气管一般按长期静液压强度设计，壁厚较大，有足够的环刚度。只在一些特殊的情况下需要考虑因环刚度不够引起的过渡变形或屈曲变形问题。

6 小结

1）明确原材料力学性能与力学破坏之间的关系，建立和健全相关标准是促进我国聚乙烯燃气管道行业健康发展的前提。

2）由于密度和熔体流动速率与聚乙烯分子结构有关，因此其间接地影响聚乙烯燃气管道力学破坏，但是其之间的关系较不确定。

3）聚乙烯压力管原料的相对分子质量分布、共聚单体的不同相对分子质量级之间的分布、共聚单体在分子链上的序列分布都强烈地影响力学破坏性能。适当的、足够的交联度，以及燃气管道各处聚乙烯交联的过程的均匀性对聚乙烯燃气管道的性能有重要影响。

4）聚乙烯燃气管道一般壁厚较大，有足够的环刚度，所以只有在一些特殊的情况下需考虑因环刚度引起的过度变形或屈曲变形问题。

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[12]GBT 9647—2003热塑性塑料管材环刚度的测定[S].

[13]GB/T 18042—2000热塑性塑料管材蠕变比率的试验方法[S].