交联聚乙烯内衬管浸泡后环拉伸测试

0 引言

热塑性塑料增强 (RTP) 管材大部分是三层结构, 内层是耐腐蚀、耐磨损的聚乙烯等塑料管材, 中层是增强的缠绕层 (缠绕的材料有高强度合成纤维, 玻璃纤维, 碳纤维和细金属丝多种) , 外层是保护用的聚乙烯层。为了提高聚乙烯层的物理、机械性能, 耐应力开裂性和耐热性, 往往采用交联的办法加以改性得到PEX[1,2,3]。PEX在油田环境介质中的性能会随着时间的推移和介质的流动而发生变化, 这些变化的评判可以借助很多手段, 其中之一就是环拉伸测试。

环向拉伸方法的提出, 最早是应用于核反应堆中, 为了评价管的环向性能而建立的一种力学性能测试方法[4]。为了研究应用于VVER核反应堆的未经照射的Zr-l Nb镀层管的力学性能, 阿贡国立实验室进行了Zr-l Nb镀层试样的环向拉伸实验 (Ring Stretch Tensile Tests) [5,6]。在S.Arsene和J.Bai进行的环向拉伸基础上, 进行了一定的改进。环向拉伸主导思想是在拉伸过程中始终保持管材试样的弧形形状。在传统管材轴向拉伸基础上, 设计了带有标距的管材环形拉伸试样, 通过弧形嵌块的设计, 使得在拉伸过程中标距段尽量保持原始曲率, 不发生展平, 试验夹具是三嵌块环向拉伸装置 (见图1) 。现在, 在环向拉伸主导思想不变的前提下, 对装置进行了改进 (图1b) 。

1 试验

1.1 试验材料和设备

PEXa (交联度67%~85%) , 电子天平, 鼓风干燥机, 超声清洗仪和美国Cortest镍基合金制备的容积2升的静-动态高温高压釜

1.2 前期辅助试验

拉伸试验前期主要是辅助试验, 高温高压釜浸泡试验。笔者用将近8周的时间做了前期的浸泡。每个试样到预设的龄期后进行测试。

浸泡液的制备:

A、蒸馏水:p H=7.0~7.5 (中性)

B、取浓盐酸21.29m L, 加水至2500m L, 配制0.1mol·L-1的盐酸

C、煤油 (上海哈斯太润滑油有限公司)

在高温高压釜中进行三次试验蒸馏水, 介质分别为:蒸馏水, 盐酸, 煤油.p H=7.0~7.5, 实验条件如表。试验温度45℃, 保护气体N2, 压力10MPa, 试验时间1000h。每组样品做完浸泡后进行换拉伸试验。

1.3 试验仪器及装置

试验设备为SHT4106微机控制伺服万能试验机, 配有电脑控制程序和数据处理软件, 试验数据可从软件中直接读出。测试过程使用拉力盘。将浸泡前后的试样装在拉力盘上。均匀、连续地对试样施加载荷 (加载速度1mm/min) , 直到失效点, 失效点为拉力最大点, 从软件上读取, 并做好相应的记录。

2 结果和分析

2.1 拉伸强度的表征和计算

拉伸强度的表征和评价方法与钢材的拉伸表征类似, 可以通过拉力值或强度值来表示, 其中力值可以直接从试验仪器所连接的电脑上读出, 而强度则需要将力值除以截面积,

式中:R为拉伸强度;F为破断力 (本文采用在拉伸过程加载力的失效点处的拉力) , 给出了失效点的解释。;b为管环宽度;t为管环壁厚。

对于常规的拉伸试样, 受力和变形方向在同一条垂直线上, 往往失效部位都是变形量最大的位置, 以变形最大处的伸长率作为试样的伸长率, 这往往是便于观察试样在拉伸过程和拉伸以后表面的视觉变化, 变形量最大的部分表面上看会出现云纹斑的图案, 这主要是由于加载应力使得交联聚乙烯链段的排列和伸缩发生变化所致。本文重点不放在伸长率上, 所以没有测量其变形的伸长率, 只是记录失效时的拉伸强度。

2.2 与不同浸泡液浸泡后, 拉伸强度随浸泡时间变化的测试

无论是非晶态高聚物还是晶态高聚物, 其溶解过程都必须经历两个阶段:溶胀和溶解。根据聚合物溶解过程的热、力学分析而知, 只有当高聚物与溶剂的溶度参数 (接近或相等时, 溶解过程才能进行, 这就很容易理解图1和图2中所示, 在水介质中拉伸性能变化较小, 这主要是由于水介质溶解度参数 (δH2O=23.5) 和有机物的溶解度参数 (一般为10左右) 差别大, 对交联聚乙烯的溶胀, 溶解等相互作用较差, 而在煤油中则正好相反, 其相似相溶, 使得交联聚乙烯的破坏加剧, 因而表现在浸泡后力学性能测试上拉伸强度较小[4,5]。以下是相关试验数据。

通过原始试验数据, 可以得到三种浸泡环境对比原始样的拉伸强度变化图 (图2) .同时引入强度保留率判断材料强度的变化, 令材料的强度保留率为η, 可以得到

式中:σt为浸泡后的拉伸强度;σ0为材料原始拉伸强度。上述实验中, 三种浸泡液浸泡后的强度保留率

(ηHCl, 10h表示试样在HCl环境浸泡10h后强度保留率, 其它类似) 通过图表 (图2) 可以看出, 三种浸泡环境在10h, 100h, 1000h浸泡后的拉伸强度变化。拉伸强度明显和浸泡液以及浸泡龄期有关。

试验数据表明拉伸强度都随对试样浸泡时间的延长而减小。这主要是交联聚乙烯在煤油中的溶胀溶解所致。交联聚乙烯溶解性能的大小与其结晶度有密切关系。结晶度高, 结晶区内大分子排列紧密。浸泡液首先交联聚乙烯的非结晶区, 产生溶胀。如果结晶度不高, 溶胀会破坏结晶, 促使结晶区向非结晶区转化, 而后溶解[6]。同一浸泡时间, 在三种浸泡环境中, 煤油对拉伸强度的影响最大, 这和我们上面进行的理论分析是完全一致的。通过数据, 看以看出, 前期的拉伸强度变化稍大些, 其斜率的绝对值大于后段时期拉伸强度对时间的斜率的绝对值。而且数据是非线性变化的, 具有交联结构的高聚物, 由于交联聚乙烯三维交联网的存在, 吸收浸泡液到一定程度可能就达到溶胀平衡。

3 结语

(1) 提出了采用拉伸强度指标来评定管环拉伸性能的方法可有效适用于不同浸泡介质和不同浸泡时间的交联聚乙烯管, 试验结果稳定可靠。拉伸强度可以用R=F/ (2bt) 来计算, 其中b为管环的宽度, t为管环壁厚。

(2) 水介质浸泡对交联聚乙烯的拉伸强度影响最小, 而煤油的影响最大。随着浸泡时间的增加, 交联聚乙烯的拉伸强度减小。

摘要：管环拉伸试验是国内外常用的测试石油管道材料性能的工艺试验方法之一。文章通过对H+水溶液, 煤油和水介质浸泡前后的交联聚乙烯 (PEXa) 管环拉伸试验测试探讨了浸泡介质对管环拉伸后强度的影响, 为油气田集气输运中PEXa作为复合管内衬的介质适应性给予评价。

关键词：交联聚乙烯管,管环拉伸,浸泡

参考文献

[1] 黄琳, 孙晶, 非金属复合管在油气长输管道工程中应用的可行性石油科技论坛[J].2013年06期:23-25.

[2] 张月华, 热塑性塑料管材的性能及使用[J]齐齐哈尔大学学报2006, (06) :107.

[3] 袁银海.浅谈PE管在人工煤气输配系统中的应用[J].煤气与热力, 1993, (6) :28-31.

[4] 张玉川, 王德禧.增强热塑性塑料 (RTP) 复合管材的发展[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.