交聯(lián)聚乙烯內(nèi)襯管浸泡后環(huán)拉伸測試

張建強(西安石油大學材料科學與工程學院， 陜西 西安 710065)

交聯(lián)聚乙烯內(nèi)襯管浸泡后環(huán)拉伸測試

張建強(西安石油大學材料科學與工程學院， 陜西 西安 710065)

管環(huán)拉伸試驗是國內(nèi)外常用的測試石油管道材料性能的工藝試驗方法之一。文章通過對H+水溶液，煤油和水介質(zhì)浸泡前后的交聯(lián)聚乙烯(PEXa)管環(huán)拉伸試驗測試探討了浸泡介質(zhì)對管環(huán)拉伸后強度的影響，為油氣田集氣輸運中PEXa作為復合管內(nèi)襯的介質(zhì)適應性給予評價。

交聯(lián)聚乙烯管;管環(huán)拉伸；浸泡溫高壓釜

0 引言

熱塑性塑料增強(RTP)管材大部分是三層結(jié)構(gòu),內(nèi)層是耐腐蝕、耐磨損的聚乙烯等塑料管材,中層是增強的纏繞層(纏繞的材料有高強度合成纖維,玻璃纖維,碳纖維和細金屬絲多種),外層是保護用的聚乙烯層。為了提高聚乙烯層的物理、機械性能,耐應力開裂性和耐熱性,往往采用交聯(lián)的辦法加以改性得到PEX[1-3]。PEX在油田環(huán)境介質(zhì)中的性能會隨著時間的推移和介質(zhì)的流動而發(fā)生變化，這些變化的評判可以借助很多手段，其中之一就是環(huán)拉伸測試。

環(huán)向拉伸方法的提出，最早是應用于核反應堆中，為了評價管的環(huán)向性能而建立的一種力學性能測試方法[4]。為了研究應用于VVER核反應堆的未經(jīng)照射的Zr-lNb鍍層管的力學性能，阿貢國立實驗室進行了Zr-lNb鍍層試樣的環(huán)向拉伸實驗 (Ring Stretch Tensile Tests)[5-6]。 在S. Arsene 和J. Bai進行的環(huán)向拉伸基礎(chǔ)上，進行了一定的改進。環(huán)向拉伸主導思想是在拉伸過程中始終保持管材試樣的弧形形狀。在傳統(tǒng)管材軸向拉伸基礎(chǔ)上，設(shè)計了帶有標距的管材環(huán)形拉伸試樣，通過弧形嵌塊的設(shè)計，使得在拉伸過程中標距段盡量保持原始曲率，不發(fā)生展平，試驗夾具是三嵌塊環(huán)向拉伸裝置(見圖1)?，F(xiàn)在，在環(huán)向拉伸主導思想不變的前提下，對裝置進行了改進(圖1b)。

圖1 環(huán)向拉伸裝置

1 試驗

1.1 試驗材料和設(shè)備

PEXa(交聯(lián)度67%～85%)，電子天平，鼓風干燥機，超聲清洗儀和美國Cortest鎳基合金制備的容積2升的靜-動態(tài)高

1.2 前期輔助試驗

拉伸試驗前期主要是輔助試驗，高溫高壓釜浸泡試驗。筆者用將近8周的時間做了前期的浸泡。每個試樣到預設(shè)的齡期后進行測試。

浸泡液的制備：

A、蒸餾水: pH=7.0～7.5(中性)

B、取濃鹽酸21.29mL，加水至2500mL,配制0.1mol?L-1的鹽酸

C、煤油(上海哈斯太潤滑油有限公司)

在高溫高壓釜中進行三次試驗蒸餾水,介質(zhì)分別為:蒸餾水,鹽酸,煤油.pH =7.0～7.5,實驗條件如表。試驗溫度45℃，保護氣體N2，壓力10MPa，試驗時間1000h。每組樣品做完浸泡后進行換拉伸試驗。

1.3 試驗儀器及裝置

試驗設(shè)備為SHT4106微機控制伺服萬能試驗機，配有電腦控制程序和數(shù)據(jù)處理軟件，試驗數(shù)據(jù)可從軟件中直接讀出。測試過程使用拉力盤。將浸泡前后的試樣裝在拉力盤上。均勻、連續(xù)地對試樣施加載荷(加載速度1mm/min),直到失效點,失效點為拉力最大點，從軟件上讀取，并做好相應的記錄。

2 結(jié)果和分析

2.1 拉伸強度的表征和計算

拉伸強度的表征和評價方法與鋼材的拉伸表征類似，可以通過拉力值或強度值來表示，其中力值可以直接從試驗儀器所連接的電腦上讀出，而強度則需要將力值除以截面積，

即 R=F/(2bt)，

式中：R為拉伸強度；F為破斷力(本文采用在拉伸過程加載力的失效點處的拉力)，給出了失效點的解釋。；b為管環(huán)寬度；t為管環(huán)壁厚。

對于常規(guī)的拉伸試樣，受力和變形方向在同一條垂直線上，往往失效部位都是變形量最大的位置，以變形最大處的伸長率作為試樣的伸長率，這往往是便于觀察試樣在拉伸過程和拉伸以后表面的視覺變化，變形量最大的部分表面上看會出現(xiàn)云紋斑的圖案，這主要是由于加載應力使得交聯(lián)聚乙烯鏈段的排列和伸縮發(fā)生變化所致。本文重點不放在伸長率上，所以沒有測量其變形的伸長率，只是記錄失效時的拉伸強度。

2.2 與不同浸泡液浸泡后，拉伸強度隨浸泡時間變化的測試

無論是非晶態(tài)高聚物還是晶態(tài)高聚物, 其溶解過程都必須經(jīng)歷兩個階段:溶脹和溶解。根據(jù)聚合物溶解過程的熱、力學分析而知,只有當高聚物與溶劑的溶度參數(shù)(接近或相等時,溶解過程才能進行，這就很容易理解圖1和圖2中所示，在水介質(zhì)中拉伸性能變化較小，這主要是由于水介質(zhì)溶解度參數(shù)(δH2O=23.5)和有機物的溶解度參數(shù)(一般為10左右)差別大，對交聯(lián)聚乙烯的溶脹，溶解等相互作用較差，而在煤油中則正好相反，其相似相溶，使得交聯(lián)聚乙烯的破壞加劇，因而表現(xiàn)在浸泡后力學性能測試上拉伸強度較小[4，5]。以下是相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。

通過原始試驗數(shù)據(jù)，可以得到三種浸泡環(huán)境對比原始樣的拉伸強度變化圖(圖2).同時引入強度保留率判斷材料強度的變化，令材料的強度保留率為η,可以得到

η=σt/σ0式中：σt為浸泡后的拉伸強度；σ0為材料原始拉伸強度。上述

實驗中，三種浸泡液浸泡后的強度保留率

(ηHCl,10h表示試樣在HCl環(huán)境浸泡10h后強度保留率，其它類似)通過圖表(圖2)可以看出，三種浸泡環(huán)境在10h，100h，1000h浸泡后的拉伸強度變化。拉伸強度 明顯和浸泡液以及浸泡齡期有關(guān)。

試驗數(shù)據(jù)表明拉伸強度都隨對試樣浸泡時間的延長而減小。這主要是交聯(lián)聚乙烯在煤油中的溶脹 溶解所致。交聯(lián)聚乙烯溶解性能的大小與其結(jié)晶度有密切關(guān)系。結(jié)晶度高，結(jié)晶區(qū)內(nèi)大分子排列緊密。浸泡液首先交聯(lián)聚乙烯的非結(jié)晶區(qū)，產(chǎn)生溶脹。如果結(jié)晶度不高，溶脹會破壞結(jié)晶，促使結(jié)晶區(qū)向非結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化，而后溶解[6]。同一浸泡時間，在三種浸泡環(huán)境中，煤油對拉伸強度的影響最大，這和我們上面進行的理論分析是完全一致的。通過數(shù)據(jù)，看以看出，前期的拉伸強度變化稍大些，其斜率的絕對值大于后段時期拉伸強度對時間的斜率的絕對值。而且數(shù)據(jù)是非線性變化的，具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高聚物, 由于交聯(lián)聚乙烯三維交聯(lián)網(wǎng)的存在, 吸收浸泡液到一定程度可能就達到溶脹平衡。

圖2 交聯(lián)聚乙烯管材(黃色)浸泡后環(huán)向拉伸強度隨時間變化關(guān)系圖

3 結(jié)語

(1)提出了采用拉伸強度指標來評定管環(huán)拉伸性能的方法可有效適用于不同浸泡介質(zhì)和不同浸泡時間的交聯(lián)聚乙烯管，試驗結(jié)果穩(wěn)定可靠。拉伸強度可以用R＝F/(2bt)來計算，其中b為管環(huán)的寬度，t為管環(huán)壁厚。

(2)水介質(zhì)浸泡對交聯(lián)聚乙烯的拉伸強度影響最小，而煤油的影響最大。隨著浸泡時間的增加，交聯(lián)聚乙烯的拉伸強度減小。

[1]黃琳,孫晶，非金屬復合管在油氣長輸管道工程中應用的可行性石油科技論壇[J].2013年06期:23-25.

[2]張月華，熱塑性塑料管材的性能及使用[J] 齊齊哈爾大學學報 2006，(06)：107.

[3]袁銀海.淺談PE 管在人工煤氣輸配系統(tǒng)中的應用[J].煤氣與熱力,1993,(6):28-31.

[4]張玉川,王德禧.增強熱塑性塑料(RTP)復合管材的發(fā)展[J].上海建材,007年01期:20-21.

[5]S.Arsense and J. Bai. A New Approach to Measuring Transverse Properties of Structural Tubing by a Ring Test. Journal of Testing and Evaluation. 1996,24(6):386-391.

[6]S.Arsene,J.B.Bai.A New Approach to Measuring Transverse Properties of Structural Tubing by Ring Test-Experimental Investigation. Journal of testing and Evaluation.1998,26(1):26-30.

[7]uses forthe solubility parameter Christopher D.Vaughan Cosmetic&Toiletries 1991，11，47-71.