羅鋒 單蕾 王國麗

中國石油規(guī)劃總院 

 

管道防腐層材料的抗壓性能決定了其抵御碎石等損傷及耐深根植物根系穿刺，保證涂層體系完整性的能力。我國早先的石油瀝青防腐管道就有因蘆葦根系穿透局部防腐層而發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的案例[1，2]。3PE熱收縮帶是目前應(yīng)用最廣泛的長輸管道外防腐補(bǔ)口材料[3]，一般采用“環(huán)氧底漆-熱熔膠-輻射交聯(lián)聚乙烯”的三層結(jié)構(gòu)[4]。目前，在管道施工和運(yùn)行過程中，各種外力對3PE防腐層及補(bǔ)口材料的頂壓現(xiàn)象仍廣泛存在，但3PE熱收縮帶材料抗壓性能的相關(guān)評價(jià)及研究很少。

本文選用幾種常見的國內(nèi)外不同廠家的熱收縮帶補(bǔ)口材料，改進(jìn)現(xiàn)有的壓痕硬度測定方法，進(jìn)行收縮帶的壓痕性能試驗(yàn)。以壓深比（壓痕深度/原始厚度）為指標(biāo)評價(jià)熱收縮帶產(chǎn)品的抗壓性能，并分析了熱熔膠、壓強(qiáng)、溫度三個(gè)因素對熱收縮帶材料壓深比的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備

QYF-A型防腐層壓痕硬度儀，配備砝碼和百分表，可產(chǎn)生5 MPa和10 MPa兩種壓強(qiáng)，百分表精確至0.01 mm，用于讀取壓痕深度。601超級恒溫水浴，試驗(yàn)時(shí)配合壓痕硬度儀使用。設(shè)備由中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院提供（見圖 1）。

  

圖1 壓痕試驗(yàn)儀器

1.2 試樣制備

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的全面性，試驗(yàn)中選取不同密度、不同廠家的3PE熱收縮帶補(bǔ)口材料，分基材和帶膠兩種情況制備試樣。其中基材試樣是將收縮帶基材輻射交聯(lián)聚乙烯直接附著在鋼片上；帶膠試樣是將基材結(jié)合配套熱熔膠，經(jīng)烘烤加熱黏結(jié)在鋼片上制得，膠層厚度應(yīng)滿足《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》（GB/T 23257-2009）相關(guān)要求，即≥1.0 mm。具體試樣種類及編號見，試樣實(shí)物見圖2。

 

表1 測試樣品對照表

  

 

圖2 壓痕試樣

1.3 壓痕試驗(yàn)

試樣分基材和帶膠2種制備并記錄原始厚度，分別置于不同壓強(qiáng)和溫度下進(jìn)行壓痕硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)中，每隔24 h讀取壓痕深度并記錄，直至壓痕深度穩(wěn)定不變。最后，計(jì)算每組試樣的壓深比，作為材料的抗壓性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

壓強(qiáng)值參考GB/T 23257-2009中壓痕硬度測定方法，選取10 MPa和5 MPa兩種載荷作用于試樣上；鑒于高分子材料的物理力學(xué)性能隨溫度變化較為明顯，本研究分別在常溫（23 ℃）和高溫（50 ℃）條件下進(jìn)行測試，常溫是大部分管道的運(yùn)行溫度，50℃系接近天然氣管道壓縮機(jī)出口處溫度。此外，為了更好地模擬防腐層材料較長時(shí)間承受頂壓的情況，試驗(yàn)時(shí)間延長至360 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品抗壓性能評價(jià)

圖3為5種基材試樣在10 MPa壓強(qiáng)作用下試驗(yàn)得到的壓深比。可以看出，在10 MPa壓強(qiáng)作用下，選定的熱收縮帶產(chǎn)品受壓后均有不同程度的減薄。其中23 ℃試驗(yàn)條件下，穩(wěn)定壓深比范圍3.69 %～6.90 %；50 ℃條件下，受頂壓后材料減薄幅度明顯增大，所有材料的壓深比均達(dá)到9.00 %以上，最高接近14.00 %，但各種材料的壓深比最終趨于穩(wěn)定在各自的定值附近，不再隨時(shí)間變化。

同時(shí)，減薄幅度與收縮帶基材材質(zhì)（PE密度見表1）關(guān)系不大，這可能是熱收縮帶PE基材接受輻射交聯(lián)后，結(jié)構(gòu)性能發(fā)生改變所致[5]。

 

 

圖3 10 MPa下基材收縮帶壓痕試驗(yàn)結(jié)果

圖4列出了10 MPa下帶膠熱收縮帶的最終壓深比范圍。在10 MPa、23℃條件下，帶膠熱收縮帶的壓深比范圍在4.11 %～6.98 %之間，與基材收縮帶的壓深比（3.69 %～6.90%）十分接近，且減薄變化達(dá)到穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間也大致相同；在10 MPa、50 ℃條件下，帶膠的熱收縮帶壓深比范圍在10.00 %～13.00 %之間，與相同試驗(yàn)條件下，基材熱收縮帶的壓深比也十分接近。

從整體上看，帶膠收縮帶壓深比范圍與圖3中基材收縮帶的基本一致，且減薄幅度與收縮帶基材原始材質(zhì)（PE密度）的關(guān)系不大。

圖4 10 MPa下帶膠收縮帶壓痕試驗(yàn)結(jié)果

如圖 5所示，在5 MPa、23 ℃試驗(yàn)條件下，熱收縮帶受壓后材料減薄幅度明顯小于10 MPa相同溫度條件下材料受壓后的減薄幅度，其最大壓深比僅為3.20 %。這說明在試樣與試驗(yàn)溫度相同的情況下，壓強(qiáng)由10 MPa減小至5 MPa，壓深比明顯減小。

 

圖5 5 MPa、23 ℃下帶膠收縮帶壓痕試驗(yàn)結(jié)果

取圖3中10 MPa、23℃和50℃下各5種基材收縮帶穩(wěn)定壓深比的平均值，圖4中10 MPa、23 ℃下5種帶膠收縮帶和50℃下4種帶膠收縮帶穩(wěn)定壓深比的平均值及圖5中5 MPa、23℃下2種帶膠收縮帶穩(wěn)定壓深比的平均值，繪制得到圖6。這些平均值可表示所選取的收縮帶產(chǎn)品在各種試驗(yàn)條件下的壓深比平均情況，可以一定程度上反映目前該類產(chǎn)品的抗壓性能。

圖6 收縮帶壓痕試驗(yàn)平均壓深比

由圖 6可見，基材收縮帶在10 MPa、23 ℃和50 ℃條件下的平均壓深比分別為4.74 %和11.73 %；帶膠收縮帶在10 MPa、23 ℃和50 ℃條件下的平均壓深比分別為5.34 %和11.82 %；帶膠收縮帶在5 MPa、23℃條件下的平均壓深比為2.76%。

2.2 材料抗壓性規(guī)律研究

圖7、圖8分別為長圓常溫?zé)崾湛s帶試樣（1#、1-J#）在各種試驗(yàn)條件下壓深比隨時(shí)間變化曲線及穩(wěn)定壓深比比較情況。

圖7 常溫?zé)崾湛s帶試樣壓深比隨時(shí)間變化曲線

在圖7中，10 MPa、50 ℃試驗(yàn)條件下，1#、1-J#試樣的壓深比曲線基本重疊，表明此時(shí)結(jié)合熱熔膠與否對材料壓深比無影響；壓強(qiáng)不變，溫度降低至23℃試驗(yàn)條件下，兩組試樣壓深比明顯降低；進(jìn)一步降低壓強(qiáng)至5 MPa后，1-J#試樣的壓深比最低，僅為2.00%左右。

 

圖8 長圓常溫收縮帶穩(wěn)定壓深比情況

圖8列出了各種試驗(yàn)條件下每組試樣的穩(wěn)定壓深比。分析試驗(yàn)條件及熱熔膠對壓深比的影響，可知，對于基材收縮帶，相同壓強(qiáng)作用下，溫度升高，收縮帶材料的壓深比由3.69%增至11.69%（增幅126%增幅217%）；對于帶膠收縮帶，相同壓強(qiáng)下，溫度升高，壓深比由5.08%增至11.50%，而在23℃情況下，壓強(qiáng)增大，壓深比由2.19%增至5.08%（增幅132%）。此外，相同試驗(yàn)條件下，是否結(jié)合熱熔膠對收縮帶的壓深比影響不大。圖6所列收縮帶在各種試驗(yàn)條件下得到的平均壓深比，溫度、壓強(qiáng)和熱熔膠對壓深比的影響與圖8得出的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

（1）本文采用改進(jìn)的壓痕試驗(yàn)，以壓深比為性能指標(biāo)，首次對3PE熱收縮帶補(bǔ)口材料的宏觀抗壓性能進(jìn)行分析評價(jià)，其相關(guān)數(shù)據(jù)具有一定的工程實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

（2）幾種常見熱收縮帶產(chǎn)品抗壓性能整體相對穩(wěn)定，在相同條件下，僅出現(xiàn)小幅的差異。在10 MPa、23 ℃和10 MPa、50 ℃條件下，可推測其壓深比分別為5.00 %和11.75 %；壓強(qiáng)和溫度降低時(shí)，壓深比減小。

（3）經(jīng)過輻射交聯(lián)，熱收縮帶的壓深比與收縮帶基材原始材質(zhì)（PE密度）關(guān)系不大。

（4）在影響收縮帶壓深比的各種外界因素中，溫度的影響最明顯（溫度越高，壓深比明顯增大），壓強(qiáng)的影響次之（壓強(qiáng)增大，壓深比小幅增大），結(jié)合熱熔膠與否幾乎對壓深比不產(chǎn)生影響。

（5）結(jié)論1、2、4僅適用于表1中幾種廠家或來源的熱收縮帶產(chǎn)品，但可以一定程度上反映目前主流熱收縮帶產(chǎn)品的抗壓性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王悅. 埋地輸氣管道腐蝕缺陷分析及修復(fù)對策[J]. 石油工程建設(shè), 2009, 35(3): 41-44.

[2] 王書浩, 孟力沛, 肖銘，等. 秦京輸油管道腐蝕機(jī)理分析及腐蝕檢測[J]. 油氣儲運(yùn),2008,(2)：36-39.

[3] 羅鋒, 王國麗, 竇鵬. 管道熱收縮帶補(bǔ)口失效原因分析及相關(guān)對策研究[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì), 2012, 23(1): 11-14.

[4] 趙吉詩, 侯宇, 趙國星，等. 熱收縮帶補(bǔ)口失效分析及建議[J]. 腐蝕與防護(hù), 2010, 31(10):812-815.

[5] 李樹軍, 劉秀菊, 高永忠. 高能輻射對高性能聚乙烯纖維分子量和力學(xué)性能的影響[J]. 工程塑料應(yīng)用, 1998, (8): 7-9.

作者：羅鋒，女，高級工程師。1988年畢業(yè)于北京化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，長期從事油氣儲運(yùn)項(xiàng)目前期規(guī)劃研究，防腐專業(yè)設(shè)計(jì)和科研等工作。

《管道保護(hù)》2017年第1期（總第32期）