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聚乙烯管道材料的慢速開裂性能的評價方法

信息來自:超高分子量聚乙烯54tz.cn    發(fā)布日期:2012-8-4   瀏覽次數(shù):107  

  導(dǎo)讀:前言   本世紀(jì)在管道領(lǐng)域,塑料管道尤其是聚乙烯管道倍受青睞,這一方面是由于聚乙烯材料制作管道具有非常獨到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,另一方面是由于聚乙烯管道的原料性能,管材、管件的制作工藝,連接方法,連接機具、運行中的維修手段等在多年的時間中,已達(dá)到完善的配套系統(tǒng)。今天,在燃?xì)忸I(lǐng)域、選礦領(lǐng)域無論是對于新鋪設(shè)或者舊管道的修復(fù)更新,聚乙烯管道

前言
    本世紀(jì)在管道領(lǐng)域,塑料管道尤其是聚乙烯管道倍受青睞,這一方面是由于聚乙烯材料制作管道具有非常獨到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,另一方面是由于聚乙烯管道的原料性能,管材、管件的制作工藝,連接方法,連接機具、運行中的維修手段等在多年的時間中,已達(dá)到完善的配套系統(tǒng)。今天,在燃?xì)忸I(lǐng)域、選礦領(lǐng)域無論是對于新鋪設(shè)或者舊管道的修復(fù)更新,聚乙烯管道都是主要的選擇之一。采用不開槽施工技術(shù),無論是鋪設(shè)新管,還是舊管道的修復(fù)或者更新,刮痕是無法避免的,特別是具有聚乙烯之王之稱的超高分子量聚乙烯,由于其高耐磨、耐腐蝕及高性能適應(yīng)環(huán)境,備受廣大用戶認(rèn)可,但是由于使用條件的嚴(yán)酷性,所以刮痕是無法避免的,刮痕造成材料的應(yīng)力集中,引發(fā)管道的破壞,雖然在超高分子量聚乙烯領(lǐng)域在質(zhì)量合格的條件下是無法出現(xiàn)的,但是在普通PE里面時常出現(xiàn),所以管道抵抗刮痕的能力,與管材的慢速裂紋增長(SCG)行為關(guān)系密切。
    由于聚乙烯材料技術(shù)和聚合工藝的進(jìn)步,聚乙烯生產(chǎn)商不斷開發(fā)出具有更高性能的材料,推動了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的提高,例如在ISO4437—2007年版中,對于耐慢速裂紋增長(SCG)的要求已經(jīng)從165小時提高到500小時,就是一個典型的例子。同時,雙峰聚乙烯材料、超高分子量聚乙烯材料使聚乙烯管材在靜液壓強度、耐慢速裂紋增長(SCG)、耐快速裂紋擴(kuò)展(RCP)及加工性能方面達(dá)到了綜合平衡。
這也是歐洲PE100+協(xié)會評估PE100管材料的標(biāo)準(zhǔn)。只有以下三項測試結(jié)果均滿足性能要求,才能被PE100+協(xié)會接受。
   

   勝能            條件                      要求
長期抗液壓強度    20°C,12.4MPa             ≥200H
抗慢速裂紋增長    80°C,0.92MPa Notched     ≥500H
抗快速裂紋擴(kuò)展    S4       0°C              ≥10bar
   

    其中,耐慢速裂紋增長(SCG)作為聚乙烯管材料的關(guān)鍵指標(biāo)之一,已經(jīng)成為聚乙烯管材料生產(chǎn)商、管材生產(chǎn)商和燃?xì)膺\營商研發(fā)及評估高性能管材料的重點。同時,非開挖施工以及無砂鋪設(shè)等新型管道鋪設(shè)技術(shù)的推廣應(yīng)用,對聚乙烯材料的耐缺陷、劃傷等可能誘發(fā)的慢速開裂的能力也提出了更高的要求。國際知名聚乙烯材料生產(chǎn)商,都已經(jīng)或者正在開發(fā)具有更高SCG性能的聚乙烯管材料。據(jù)稱具有更高耐慢速裂紋增長能力的聚乙烯管材料SCG的測試結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了20000小時(NPT,80°C,0.92MPa,缺口)。


耐慢速裂紋增長的測試方法
    對于目前采用現(xiàn)代聚合技術(shù)生產(chǎn)的聚乙烯管材料來說,實際的慢速裂紋增長誘發(fā)開裂的過程相當(dāng)緩慢,在實驗室內(nèi)通過模擬真實使用環(huán)境來評價材料慢速開裂的方法是不實際的,所以聚乙烯材料的慢速裂紋增長的測試通常通過人為制造缺陷應(yīng)力集中(在樣品上開缺口)、升高試驗溫度、使用特定的表面活性劑以及施加高應(yīng)力等措施來縮短試驗時間。以下來列舉和概括國際上常見的測試材料SCG的方法。

1切口管材試驗
NPT方法是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4437及中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB15558中規(guī)定使用測試聚乙烯管材SCG性能的方法。該方法采用管材樣品,在管材表面均勻的切4道V型切口,切口深度需滿足管材剩余厚度為80±2%管材最小壁厚的要求。測試條件通常為80°C,管材浸沒在水中,內(nèi)部通水施加規(guī)定壓力(PE80為0.8MPa,PE100為0.92MPa)。每次至少測試三個樣品。記錄管材脆性破壞試驗的時間。1997年版地ISO4437規(guī)定該記錄結(jié)果應(yīng)大于165小時,最新ISO4437—2007標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將該要求從165小時提高到了500小時,正如前面討論的,這是聚乙烯材料技術(shù)和材料性能大幅度提升的影響。相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB15558—2003還沒有進(jìn)行調(diào)整。但是國內(nèi)燃?xì)夤艿佬袠I(yè)已經(jīng)開始參照500小時的標(biāo)準(zhǔn)。另外,如前所述,非開挖及無沙填埋等施工方式的大量應(yīng)用,對聚乙烯管材耐SCG性能提出了更高的要求。


2全切口蠕變試驗
在歐洲FNCT是目前測試高性能聚乙烯材料的慢速開裂性能優(yōu)先選擇和最廣泛使用的方法。該方法使用10×10mm(截面)的方形樣條,在樣條的四面切出一個共面的1.5mm深的切口。通常的測試條件為80°C,特定的表面活性劑(2%濃度)和恒定的應(yīng)力(4.0mpa)。該方法的測試時間較短,因此在歐洲已經(jīng)被廣泛用于評價具有高耐SCG能力的聚乙烯材料。


3彎條試驗
ASTM D1693彎條試驗方法是最傳統(tǒng)的測試聚乙烯材料慢速開裂性能的方法。該試驗樣條為10根縱向開槽的矩形樣條,180°彎曲后固定在專用的夾具上,一起浸入10%或100%濃度的表面活性劑Igepal中,該方法有三種測試條件,溫度為50°C或者100°C。一般是50%樣條開裂的時間作為最終的結(jié)果。結(jié)果通常為10小時到1000小時。該方法較簡單,適合普通的聚乙烯材料。但最大的問題是施加在樣條上的應(yīng)力超過一定時間(如1000小時)后會逐漸松弛掉,而且應(yīng)力松弛的速度無法預(yù)計,所以這種方法不適合用于評價具有高耐慢速開裂能力的聚乙烯管材料。另外,該方法存在著測試結(jié)果分散性太大的缺陷。


4 4NCLS
ASTM D1693彎條試驗應(yīng)力松弛的缺陷在ASTM D5397(NCTL,切口樣品恒定拉伸載荷測試)中被改進(jìn)。ASTM D5397的方法主要針對土工制品用HDPE和超高分子量聚乙烯(UHMW—PE)開發(fā)的。針對管材樣品的類似方法被稱為切口樣品恒定系帶應(yīng)力(NCLS,ASTM F2136)。該試驗采用模壓的啞鈴狀樣條,中間部分開缺口,通過表面活性劑和升高試驗溫度的方法加速測試,同時在樣條切口出施加恒定的應(yīng)力至發(fā)生脆性破壞。

結(jié)論
除新型的應(yīng)變化測試方法外,其他方法都需進(jìn)行試樣切口制備和/或使用特定的表面活性劑,大多數(shù)試驗方法的試驗結(jié)果用破壞時間表示,由于切口制備的復(fù)雜性、表面活性劑質(zhì)量的影響和其他因素影響,所得結(jié)果的重現(xiàn)性成為常規(guī)測試方法需改善的方面。





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