城镇燃气聚乙烯管道热氧老化规律的试验设计研究

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我国自上世纪80年代开始在城市燃气管道中使用聚乙烯(PE)管道,在90年代中期大量使用,迄今已逾30年。经过长期的试验、研究和推广,聚乙烯管道以其使用寿命长(可达50年)、耐腐蚀、较好的柔韧性(抗震和适应沉降)、重量较轻、连接方便等优势,已经在中低压燃气管网中取代了过去的传统管材如钢管、铸铁管等的地位,成为《城镇燃气设计规范》(GB50028-2006)的首选管材,并在高压燃气管道中也逐步开始应用。聚乙烯管道的使用情况也成为了衡量一个地区燃气技术水平的指标之一,到2005年聚乙烯管道在中低压管网建设的使用比例已经达到50%。然而PE管材毕竟属于一种有机材料,其老化问题不可避免。一旦发生破裂导致爆炸发生,将会造成城镇地区巨大的人身伤害及经济损失。因此,对于PE管材老化规律的研究具有巨大的经济价值及工程价值。到目前为止,国内外对承压燃气聚乙烯管道的老化规律研究还不完善。本文研究对象是我国城镇聚乙烯管道主要使用的PE100及PE80管道材料,基于热氧加速老化方法,在自行搭建的热氧加速老化实验模拟实验平台上开展相关实验研究。主要研究不同老化时间、不同内压对PE100及PE80管道材料的老化规律。拉伸试验研究表明热氧老化PE试件的拉伸力学性能随着老化时间及压力的增加而逐步减弱,在加热温度及压力较低时,管材性能变化较慢,但随着温度及压力的逐步增加,聚乙烯管材稳定性发生明显变化。温度每升高10度,其性能成几何状减弱。并利用动力学曲线直线化法将数据进行拟合分析,分别提出了承压和无压PE管道的热氧老化规律预测模型,数据吻合良好,验证热氧加速老化实验模型的正确性,结果表明,燃气PE管道的拉伸力学性能随着热氧老化温度、压力、时间明显变化,断裂点载荷发生剧烈变化。承压燃气PE管寿命低于无压PE管道寿命,当试验压力0.1MPa时寿命减少9.6%。熔体流动速率(MFR)试验研究表明PE试件性能随着热氧老化的温度、时间的变化而发生明显变化,其性能变化参数作为评判试验管材是否老化的指标之一。并将数据进行整理分析,对比老化前后材料性能变化趋势,可看出压力越大,熔体流动速率越大,温度越高,熔体流动速率越大,验证热氧加速老化实验的正确性。差热分析法(DSC)试验研究表明随着热氧老化PE试件的温度、时间的变化而发生明显变化,其性能变化参数作为评判试验管材是否老化的指标之一。并将数据进行整理分析,对比老化前后材料性能变化趋势,可以看出随着实验压力的增加,温度的增加,材料的氧化诱导期明显缩短,表明稳定性下降,压力及温度对于聚乙烯管材的稳定性成负相关的作用,从而验证热氧加速老化实验的正确性。本文的研究结果可用于指导工程聚乙烯管道的剩余寿命评价及处理。
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