高温内压环境下聚乙烯燃气管道老化性能评价研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.10.013

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (10): 84-89.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.10.013

高温内压环境下聚乙烯燃气管道老化性能评价研究

王志刚¹(), 杨波¹(), 曾辰², 李智¹, 邓健怡¹

^1.广州特种承压设备检测研究院，广州 510663
^2.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 411105

收稿日期:2022-06-25 出版日期:2022-10-26 发布日期:2022-10-27
通讯作者: 杨波（1983—），高级工程师，研究方向为聚乙烯管道失效分析及寿命预测研究，boycs@126.com
E-mail:orinwang8851@163.com;boycs@126.com
作者简介:王志刚（1989—），工程师，研究方向为特种设备检验检测，orinwang8851@163.com
基金资助:
广东省省级科技计划项目(2021B1111600002);广州市科技计划项目(202102080653);国家市场监督管理总局科技项目(2021YJ020)

Aging evaluation of polyethylene gas pipes under high temperature and inner pressure environment

WANG Zhigang¹(), YANG Bo¹(), ZENG Chen², LI Zhi¹, DENG Jianyi¹

^1.Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510663，China
^2.College of Civil Engineering and Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China

Received:2022-06-25 Online:2022-10-26 Published:2022-10-27
Contact: YANG Bo E-mail:orinwang8851@163.com;boycs@126.com

摘要/Abstract

摘要：

将一批聚乙烯燃气管道试样置于80 ℃、1.1 MPa水浴环境下进行老化试验，老化时间分别为0、165、500、1 000 h，并通过差示扫描量热法（DSC）、热失重分析（TG）、傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）和拉伸试验分别测试各老化试样对应的氧化诱导时间（等温OIT）、热分解温度（T_s）、官能团组成和断裂伸长率（ε），模拟分析高温内压环境下聚乙烯管道的老化性能变化规律。DSC、TG和拉伸试验结果显示，随着老化时间增加，聚乙烯管道的等温OIT、T_s和ε都逐渐降低，老化程度逐渐增加，并且管内壁的老化速率明显大于外壁；FTIR结果显示，随着老化时间增加，聚乙烯管材料的官能团谱图中1 720 cm^-1和3 400 cm^-1处分别出现了C=O和O—H的振荡峰，进一步证实了聚乙烯管材料分子链中引入了氧化反应产物。

关键词: 聚乙烯管, 老化性能, 氧化诱导时间, 热分解温度, 官能团, 断裂伸长率

Abstract:

The polyethylene gas pipe samples were aged in a water bath at 80 ºC and 1.1 MPa for 0， 165， 500， and 1 000 h. The isothermal oxidation induction time （OIT）， thermal decomposition temperature （T_s）， functional group composition， and elongation at break （ε） of each aged specimens were investigated using DSC， TG， FTIR， and tensile measurement. The change rule in the aging performance law of polyethylene gas pipes was analyzed under high temperature and inner pressure environment. The results indicated that the polyethylene gas pipes presented a gradual decrease in isothermal OIT， T_s， and ε with an increase in aging degree. The aging rate of the inner wall was significantly higher than that of the outer wall. FTIR analysis results indicated that there were two characteristic absorption peaks at 1 720 cm^-1 and 3 400 cm^-1 corresponding to C=O and O—H vibration， respectively， in the functional group diagram of polyethylene pipe material with an increase in aging time. This further confirmed the introduction of oxidation reaction products into the molecular chain of polyethylene pipes.

Key words: polyethylene, aging performance, oxidation induction time, thermal decomposition temperature, functional group, elongation at break

中图分类号:

TQ325.1⁺2

王志刚, 杨波, 曾辰, 李智, 邓健怡. 高温内压环境下聚乙烯燃气管道老化性能评价研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(10): 84-89.

WANG Zhigang, YANG Bo, ZENG Chen, LI Zhi, DENG Jianyi. Aging evaluation of polyethylene gas pipes under high temperature and inner pressure environment[J]. China Plastics, 2022, 36(10): 84-89.

图/表 14

图1 聚乙烯材料热氧老化降解原理图

Fig.1 The thermal oxygen aging scheme of PE material

样品编号	牌号	参数	试验参数	老化时间/h
1^#	HD⁃PE100⁃P6006	密度ρ为959 g/cm³ 熔体流动速率为0.22 g /10 min 等温OIT>20 min 炭黑含量为2.25 %	80 ℃、1.1 MPa、水	0
2^#			80 ℃、1.1 MPa、水	165
3^#			80 ℃、1.1 MPa、水	500
4^#			80 ℃、1.1 MPa、水	1 000

表1 老化试验条件

Tab.1 The aging test condition

图2 热氧老化试验系统图及制备的聚乙烯管道试样

Fig.2 The thermal oxygen aging test system diagram and prepared PE pipe samples

图3 聚乙烯管内、外壁试样不同老化时间的DSC曲线

Fig.3 DSC curves of inner and outer wall samples of PE pipe with different aging time

样品编号	老化时间/h	平均等温 $O I T ¯$ /min
样品编号	老化时间/h	管外壁	管内壁
1^#	0	118.05	116.49
2^#	165	109.41	105.57
3^#	500	103.21	100.89
4^#	1 000	101.38	95.58

样品编号	老化时间/h	平均等温 $O I T ¯$ /min
样品编号	老化时间/h	管外壁	管内壁
1^#	0	118.05	116.49
2^#	165	109.41	105.57
3^#	500	103.21	100.89
4^#	1 000	101.38	95.58

表2 聚乙烯管内、外壁试样不同老化时间的平均等温OIT¯结果

Tab. 2 The average isothermal OIT¯ results of inner and outer wall samples of PE pipe with different aging time

表2 聚乙烯管内、外壁试样不同老化时间的平均等温OIT¯结果

Tab. 2 The average isothermal OIT¯ results of inner and outer wall samples of PE pipe with different aging time

图4 聚乙烯管内、外壁试样不同老化时间的OIT变化趋势

Fig.4 OIT change trend of inner and outer wall samples of PE pipe with different aging time

图5 聚乙烯管外壁试样不同老化时间的Ts曲线

Fig.5 Ts curves of outer wall samples of PE pipe with different aging time

样品编号	试验参数	老化时间/h	$T s ¯$ /℃
样品编号	试验参数	老化时间/h	管外壁	管内壁
1^#	80 ℃，1.1 MPa，水	0	479.15	479.10
2^#		165	479.17	479.05
3^#		500	476.00	475.67
4^#		1 000	475.83	473.33

样品编号	试验参数	老化时间/h	$T s ¯$ /℃
样品编号	试验参数	老化时间/h	管外壁	管内壁
1^#	80 ℃，1.1 MPa，水	0	479.15	479.10
2^#		165	479.17	479.05
3^#		500	476.00	475.67
4^#		1 000	475.83	473.33

表3 聚乙烯管内、外壁不同老化时间的平均热分解温度Ts¯结果

Tab.3 The average thermal decomposition temperature Ts¯ results of inner and outer walls of PE pipes with different aging time

表3 聚乙烯管内、外壁不同老化时间的平均热分解温度Ts¯结果

Tab.3 The average thermal decomposition temperature Ts¯ results of inner and outer walls of PE pipes with different aging time

图6 聚乙烯管内、外壁不同老化时间的Ts变化趋势

Fig.6 Ts change trend of inner and outer walls of PE pipe with different aging time

图7 聚乙烯管试样不同老化时间的FTIR谱图

Fig.7 FTIR spectra of PE pipe samples with different aging time

样品编号	老化时间/h	A_{2 900}		A_{1 720}		CI/%
样品编号	老化时间/h	管外壁	管内壁	管外壁	管内壁	管外壁	管内壁
1^#	0	3 683.76	3 611.52	18.35	15.68	0.49	0.43
2^#	165	3 614.86	3 524.69	35.76	42.05	0.99	1.19
3^#	500	3 633.41	4 632.68	54.33	76.98	1.49	1.66
4^#	1 000	3 647.31	3 645.63	82.60	112.56	2.26	3.09

表4 聚乙烯管材内、外壁不同老化时间羰基指数CI结果

Tab.4 The carbonyl index CI results of inner and outer walls of PE pipe with different aging time

图8 聚乙烯管试样不同老化时间的应力⁃应变曲线

Fig.8 The stress⁃strain curves of PE pipe samples with different aging time

样品编号	老化时间/h	断裂伸长率/%	是否合格
1^#	0	596.6	是
2^#	165	559.72	是
3^#	500	551.00	是
4^#	1 000	473.09	是

表5 聚乙烯管试样不同老化时间的断裂伸长率结果

Tab.5 The elongation at break of PE pipe samples with different aging time

图9 聚乙烯管试样不同老化时间的断裂伸长率变化趋势

Fig.9 The elongation at break change trend of PE pipe samples with different aging time

参考文献 7

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高温内压环境下聚乙烯燃气管道老化性能评价研究

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