高强工程塑料管道断裂特性研究进展

　　中国塑料bookmark0高强工程塑料管道断裂特性研究进展齐芳娟\霍立兴\张玉风\阳代君\余计俊2，赵海深2（1.天津大学材料科学与工程学院，天津300072；亚大塑料制品有限公司，河北涿州072761）此基础上，讨论了我国在该类材料断裂特性方面的研究与国际水平的差距，并对我国目前应尽快开展的工作提出了相应的建议。

　　基金碟M自然1科学资！（50媪CiShing线系统失效4.由魏些事故的/发生。使多相关高强工程塑料管道是目前管道工业发展的重要方向，与传统的金属管道相比，高强工程塑料管道具有质轻、比强度大、比刚度高、耐磨、耐蚀、绝缘与复合能力强等特点。目前在发达的欧美国家高强工程塑料管道在煤气以及天然气管道输送系统中已经得到广泛的应用。例如，在美国高密度聚乙烯煤气管道的普及率已经达到100%英国和丹麦为92%比利时、法国、德国分别为77 %、68%、65%1.另外，由于具有耐磨性、耐蚀性好和压力损失低等特点，高强工程塑料管道固体输送管近年来也得到较快的发展。欧美一些国家在工程中用来输送河泥、泥菜，在矿山工业中用来输送矿渣等。

　　我国于60年代开始研制生产和应用聚氯乙烯工程塑料管道，近20a来在引进技术装备的基础上，塑料管道开发、生产与应用有了较大发展，但主要停留在低压、小直径薄壁管道水平上。但是，随着工业发展，在引入高强工程塑料管道同时，聚乙烯、聚丙烯高强工程塑料管道亦在开发和生产，其应用前景更是无限的，燃气用埋地聚乙烯管道从“七五”开始被列为国家重点攻关项目，建设部充分肯定了聚乙烯管道在应用中的特性，认为是最有应用前景的新材料，因而推动了高强工程塑料管道在我国的发展应用。

　　工程塑料管道的连接主要采用焊接技术。目前聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯均已采用焊接连接制造。同时，随着工程塑料管道焊接技术的发展，焊接管道也从最初的低压管道向中高压管道扩宽。目前在欧洲被焊接的塑料管道承载压力已达到中压A级水平以上。为了生产应用的安全性、焊接接头的可靠性，工作中管道本身的力学和断裂行为的研究越来越受到有关人员的重视。近年来高强工程塑料管道已应用到易燃易爆的石油化工制造工业中，一旦引发破坏，其后果将是难以想象的。目前欧美国家依据工程要求，正在研究和建立高强工程塑料管道的安全评定方法和标准，以欧洲共同体而言，已先后召开过国际会议研究高强工程塑料管道评定的理论方法和技术，取得很多成果，这在一定程度上又推动了高强工程塑料管道的应用发展。

　　我国高强工程塑料管道焊接及应用尚处于起步阶段，尤其在其安全评定的研究上尚处于空白。为了适应高强工程塑料管道技术发展，急待针对我国国情开展和建立我们的有关高强工程塑料管道安全评定体系工作。

　　1国外高强塑料管道断裂特性的研究焊接结构的破坏一般是由两个步骤组成，即在焊接结构的缺陷处，例如焊接冷热裂纹、安装冷热裂纹、咬肉、未焊透等缺陷处首先产生一裂纹，然后在一定的条件下，该裂纹以极快的速度扩展，部分或全部地贯穿结构从而使结构破坏13.与金属焊接结构的破坏情况类似，高强塑料管道的失效也由上述相类似的两个步骤组成，即由于塑料管道本身组织的不均匀性或是由于焊接而造成的焊接接头组织的不均均性，在内压或外力的作用下，会使得裂纹开裂并沿厚度方向扩展，一旦裂纹失稳，则会使裂纹沿长度方向快速扩展，从而造成管道失效。例如，匈牙利于1985年10月发生一起典型的PE管道系统脆性裂纹快速扩展事故，裂纹在几秒内沿管线长度方向扩展了700余米；在比利时PVC输入管线也曾发生了裂纹扩展40余米的事故，使得管技术人员和科研人员对高强工程塑料管道裂纹产生和快速扩展的问题开展了大量的研究工作。

　　1.1抗开裂特性的研究较早采用断裂力学方法对高强塑料材料进行抗开裂性能研究的是英国帝国大学的j.g.williams.基于断裂力学早期的研究成果，WILLIAMS教授对断裂力学在聚合物材料中的应用作了详细的研究。着重用断裂力学的概念来描述各种工程中常用的聚合物材料的特性。由于断裂力学研究的前提是被研究材料均含有裂纹或非均质，其扩展会导致失效。因此，由于所用，主要用于模拟管材在实际使用状态下的快速开裂现象。通过试验得到管材的临界压力Pc.当管内气体压力高于Pc时，管材发生快速开裂裂纹增长，而当气体压力i低于Pc，时，裂纹将自行止裂。

　　英国管道工业以BritishGas的全尺寸试验装置的结果力，因而从根本上杜绝了英国塑料燃气管道发生快速给管道生产厂家发放许可证，规定管道允许的运行压开裂的危险。

　　埋在砂石中冷却槽裂纹产生区f击缸全尺寸试验装置简图）管道试验由于全尺寸实验的周期较长，成本很高，因此，英国帝国理工学院开发了一套小规模稳态（SmallScale SteadState，简称S4）试验装置。该装置与BritishGas全尺寸试验装置有许多类似之处，几乎重现了全尺寸试验的所有现象，但所得到的临界压力比全尺寸的临界压力低，约为后者的1/3.经有关人员分析，这种现象可能与材料的非线弹性特点、S4试验装置使用了缓冲片、全尺寸试验时管道上有回填土等因素有关。S4试验已经有ISO标准草案。

　　2我国研究现状由于我国塑料管道应用起步较晚，于60年代才开始开发应用，而且一直停留在小管径低压水平上，因此关于其断裂特性的研究几乎接近空白只是近几年随着工程塑料管道应用领域的迅猛发展，关于其断裂特性的研究才引起了相关工程技术人员以及科研人员的注意，主要表现在以下几个方面。燃气管道的快速开裂问题进行了初步的探讨，提出了在我国对塑料管道材料进行快速开裂研究的必要性和迫切性。

　　清华大学工程力学系对裂纹快速扩展和稳定扩展问题进行了大量的研究。中国塑料1996（0）1.建设部国家化学建材推广应用“九五”计划和2010年发展规划纲要。1997.霍立兴。焊接结构的断裂行为及评定。北京：机械工业出版社。

　　陆光炯。聚乙烯燃气管道的应用与发展。山东胜利股份有限公司学术论文。

　　董孝理。塑料压力管道快速开裂危险性和制止措施。新型建筑材料，1997，（5）。

　　庄茁，O‘DONOGHUEPE.能量平衡结合有限元数值计算分析天然气管道裂纹稳定扩展问题。工程力学，1997，14（2）59―67.齐芳娟，霍立兴，等。焊接技术2001，（2）。

　　齐芳娟，霍立兴，等。工程塑料应用，2001，（4）。