王 琳，景政紅，萬(wàn)小俠（北京燕山石化高科技術(shù)有限責(zé)任公司，北京市 102500）

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橙色燃?xì)夤軐?zhuān)用HDPE的性能

王 琳，景政紅，萬(wàn)小俠
（北京燕山石化高科技術(shù)有限責(zé)任公司，北京市 102500）

摘 要：研究了橙色燃?xì)夤軐?zhuān)用高密度聚乙烯7600MO的基礎(chǔ)性能，并與同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品（記作GW）進(jìn)行了對(duì)比，分析了其結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明：7600MO的拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量以及拉伸斷裂應(yīng)力均與GW相當(dāng)；用7600MO擠制的管材通過(guò)了長(zhǎng)期靜液壓實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明7600MO滿(mǎn)足PE100級(jí)管材的分級(jí)要求；用7600MO擠制的管材通過(guò)耐快速裂紋擴(kuò)展、耐慢速裂紋增長(zhǎng)、耐氣體組分以及耐候性能測(cè)試，符合GB 15558.1—2003和ISO 4437：2007要求。

關(guān)鍵詞：高密度聚乙烯 管材 PE100級(jí) 性能

聚乙烯的柔順性、耐化學(xué)藥品腐蝕性、耐低溫性、可焊接性以及“非開(kāi)挖定向鉆孔”等拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域［1］，尤其是用聚乙烯擠制的管材的優(yōu)異耐快速裂紋擴(kuò)展性能（RCP）使其成為低壓燃?xì)夤艿氖走x原料。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求擠制燃?xì)夤艿木垡蚁┍仨毷荘E80或PE100級(jí)聚乙烯的混配料。在歐洲，燃?xì)夤芑炫淞弦院谏珵橹?，但有的?guó)家橙色PE100級(jí)聚乙烯是燃?xì)夤艿氖走x原料。市場(chǎng)上橙色燃?xì)夤軐?zhuān)用聚乙烯主要依靠進(jìn)口，包括：法國(guó)Total公司生產(chǎn)的橙色高密度聚乙烯（HDPE）XS10YCF、美國(guó)英力士公司生產(chǎn)的橙色HDPE TUB125 N2025、北歐化工有限公司生產(chǎn)的橙色HDPE HE3492-LS［2］。為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司（簡(jiǎn)稱(chēng)燕山石化公司）進(jìn)行了橙色PE100級(jí)燃?xì)夤軐?zhuān)用HDPE的研究開(kāi)發(fā)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

HDPE，7600M；HDPE，7600MO，以7600M為原料制備而成的橙色混配料：均為燕山石化公司生產(chǎn)。進(jìn)口PE100級(jí)橙色燃?xì)夤軐?zhuān)用HDPE（記作GW）。

1.2主要儀器

TP-402-2型熔體流動(dòng)速率儀，日本TesterSangyo公司生產(chǎn)；Z010型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，HIT25P型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，均為德國(guó)Zwick公司生產(chǎn)；5565型電子拉力萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Instron公司生產(chǎn)；AR-160型自動(dòng)比重計(jì)，日本長(zhǎng)島計(jì)量器制作所生產(chǎn)。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

熔體流動(dòng)速率（MFR）按GB/T 3682—2000測(cè)試；密度按GB/T 1033.1—2008測(cè)試；拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試；彎曲性能按ISO 178：2010測(cè)試；簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按ISO 179-1：2010測(cè)試；管材性能按GB 15558.1—2003［3］和ISO 4437：2007［4］測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1基礎(chǔ)性能

從表1看出：3種管材專(zhuān)用HDPE的MFR均較小，僅0.20～0.30 g/10 min，所以需較高的加工溫度。而7600MO與7600M的MFR相當(dāng)，說(shuō)明7600MO保留了原料7600M的加工性能。與GW相比，7600MO的MFR偏小但相差不大。

表1　管材專(zhuān)用HDPE的基礎(chǔ)性能Tab.1 Basic performance of HDPE for pipe

聚合物結(jié)晶度越高，其密度越大，抗張強(qiáng)度越高，但相應(yīng)的沖擊強(qiáng)度會(huì)降低；反之，結(jié)晶度越小，密度越小。這是因?yàn)榻Y(jié)晶度高，分子排列緊密，分子間孔隙小，分子活動(dòng)受阻。表1中，GW的密度較7600MO略大，說(shuō)明7600MO與GW結(jié)晶度相當(dāng)，間接表明7600MO力學(xué)性能與GW相近。

從表1還看出：7600MO的綜合性能較好，拉伸屈服應(yīng)力、拉伸斷裂應(yīng)力、彎曲模量均與GW接近。拉伸屈服應(yīng)力直接影響管材的短期靜液壓性能，較高的拉伸屈服應(yīng)力能保證管材在使用過(guò)程中免遭破壞，延長(zhǎng)管材使用壽命；而較高的彎曲模量使管材能承受埋地環(huán)境和負(fù)荷的需要；優(yōu)異的抗沖擊性能可保障管材在安裝過(guò)程中發(fā)生碰撞時(shí)不會(huì)被損害。

2.2管材性能

2.2.17600MO的分級(jí)

長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度通過(guò)ISO 9080：2003中的外推法獲得。外推過(guò)程是按ISO 9080：2003規(guī)定的溫度和壓力進(jìn)行液壓實(shí)驗(yàn)，然后將各數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸，建立溫度、管材破壞時(shí)間（t）和管內(nèi)靜液壓應(yīng)力（σ）三者間的關(guān)系：σLPL=σ（θ，t，0.975）（θ表示溫度；σLPL指靜液壓強(qiáng)度置信下限，表示為包含θ和t的一個(gè)函數(shù)），然后依據(jù)數(shù)學(xué)模型在σ～t的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上描繪出一簇曲線(xiàn)，曲線(xiàn)直觀地給出了管材在各溫度、σ條件下的靜液壓強(qiáng)度。

2013年，燕山石化公司委托國(guó)際權(quán)威管材料等級(jí)認(rèn)證機(jī)構(gòu)—瑞典Exova實(shí)驗(yàn)室對(duì)7600MO進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。從圖1看出：20 ℃條件下，管材保持50年不破裂時(shí)的靜液壓強(qiáng)度為10.26 MPa，即σLPL（20 ℃，50年，0.975）=10.26 MPa。壓力管材所用原料的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)管材的σLPL為10.00～11.19 MPa，最小要求強(qiáng)度（MRS）=10.00 MPa，HDPE原料即為PE100級(jí)。圖1數(shù)據(jù)說(shuō)明7600MO達(dá)到PE100級(jí)。從圖1可推測(cè)，用7600MO擠制的管材使用壽命達(dá)100年，說(shuō)明用7600MO擠出的管材具有優(yōu)異的長(zhǎng)期使用性能。

圖1　用7600MO擠制的管材的長(zhǎng)期靜液壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Long-term hydrostatic test results of pipe made from7600MO

2.2.2耐候性

用7600MO擠制的管材在瑞典Exova實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了耐候性實(shí)驗(yàn)。從表2看出：用7600MO擠制的管材通過(guò)了耐候性認(rèn)證，滿(mǎn)足ISO 4437：2007的要求。

2.2.3RCP性能

RCP是在有壓力的塑料管道中與縱向裂紋快速不穩(wěn)定擴(kuò)展有關(guān)的破壞類(lèi)型［5］。目前，評(píng)價(jià)RCP性能較為成熟的方法有全尺寸實(shí)驗(yàn)和S4實(shí)驗(yàn)。S4實(shí)驗(yàn)是RCP性能的小規(guī)模（小尺寸）穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)［6］。全尺寸實(shí)驗(yàn)臨界壓力≥1.5MOP（MOP為最大工作壓力），S4實(shí)驗(yàn)的臨界壓力（pc，S4）≥MOP/2.4-0.072［3］。對(duì)S4實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將MOP=2MRS/C （SDR-1）［C表示總體使用（設(shè)計(jì)）系數(shù)，SDR為標(biāo)準(zhǔn)尺寸比，即管材公稱(chēng)直徑和公稱(chēng)厚度的比值］代入pc，S4計(jì)算公式得pc，S4≥0.34 MPa。

用7600MO擠制的管材的RCP性能檢測(cè)結(jié)果顯示，pc，S4為0.34 MPa，滿(mǎn)足GB 15558.1—2003中pc，S4≥0.34 MPa的要求，即用7600MO擠制的管材通過(guò)RCP性能測(cè)試。

表2　7600MO耐候性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Resistance to weathering of 7600MO

2.2.4耐慢速裂紋增長(zhǎng)（SCG）

根據(jù)脆性斷裂的裂縫理論，所有實(shí)際存在的制品表面不可能不存在裂縫和缺陷（如表面劃痕、內(nèi)部夾雜、微空等），裂縫尖端處的應(yīng)力集中達(dá)到或超過(guò)某一臨界條件時(shí)，裂縫會(huì)失去穩(wěn)定性而發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂縫貫穿管材壁，管材便遭到破壞。裂縫的增長(zhǎng)速率可能相當(dāng)慢，數(shù)年或者數(shù)十年，稱(chēng)之為SCG［7］。用7600MO擠制的管材在80℃，0.92 MPa條件下的SCG時(shí)間為2 211 h，滿(mǎn)足指標(biāo)（≥165 h）的要求。

2.2.5耐氣體組分性能

取32 mm×3 mm的管材，管材內(nèi)部冷凝液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的正癸烷（純度99%）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的1，3，5-三甲基苯的混合物，狀態(tài)調(diào)節(jié)1 500 h后進(jìn)行80 ℃、環(huán)應(yīng)力為2 MPa的靜液壓實(shí)驗(yàn)，即管材耐氣體組分實(shí)驗(yàn)，ISO 4437：2007要求管材靜液壓實(shí)驗(yàn)超過(guò)20 h無(wú)破壞即滿(mǎn)足要求。

用管材輸送的燃?xì)庵泻斜降确枷銦N化合物，苯溶劑會(huì)滲入管材，出現(xiàn)溶脹，管材物理性能下降。管材強(qiáng)度降低，影響其使用壽命。用7600MO擠制的管材試樣經(jīng)耐氣體組分測(cè)試26 h后完好無(wú)損，通過(guò)了測(cè)試。

3　結(jié)論

a）7600MO綜合性能較好，達(dá)到GW的水平。

b）用7600MO擠制的管材通過(guò)PE100級(jí)定級(jí)認(rèn)證，7600MO滿(mǎn)足PE100級(jí)管材用原料的要求。

c）用7600MO擠制的管材性能符合GB 15558.1 —2003和ISO 4437：2007的要求，通過(guò)RCP，SCG，耐氣體組分性能以及耐候性能測(cè)試。

4　參考文獻(xiàn)

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Study on performance of HDPE for orange pipes of gaseous fuels

Wang Lin，Jing Zhenghong，Wan Xiaoxia
（Beijing Yanshan Petrochemical High-Tech Company Limited，Beijing 102500，China）

Abstract：High density polypropylene（HDPE）7600MO is observed on the basis of performance and compared with imported materials（GW）used for orange pipes of gaseous fuels. The structure and properties of these materials are analyzed as well. The results show that the tensile stress at yield，flexural modulus and tensile stress at break of 7600MO has reached the level of imported GW. The pipe performance of 7600MO passes through the pipes long-term hydrostatic test and meets the requirements of PE100 material grading. It also passes the rapid cracking propagation，slow cracking growth，resistance to gas constituents and resistance to weathering test，in line with the requirements of GB 1558.1—2003 and ISO 4437：2007.

Keywords：high density polypropylene； pipe； PE100 level； performance

作者簡(jiǎn)介：王琳，女，1988年生，助理工程師，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事合成樹(shù)脂加工與應(yīng)用研究工作。聯(lián)系電話(huà)：（010）69343903；E-mail：wanglin03.yssh@sinopec.com。

收稿日期：2015-12-22；修回日期： 2016-03-15。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 325.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-1396（2016）03-0056-03