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郭思敏, 等: 受火损伤后聚乙烯管道合乎使用评定方法与进展


            波测试和渗透测试等方法检查所有可能产 生的损                             聚乙烯管开始蠕变, 扩张到某一时刻时, 管道最薄弱
            伤, 结合有限元法计算超标偏移量对蒸馏塔安全的                            部位隆起, 并很快发生破坏的过程是韧性破坏                     [ ２７ ] .
            影响, 分析结果显示这一超标缺陷对蒸馏塔的安全                            脆性破坏通常是聚乙烯管在较小内压作用下产生的
            运行不会有显著影响, 蒸馏塔可以继续服役                   [ １４ ] .    微小裂纹经历慢速裂纹增长或者快速裂纹扩展的阶
                 从以上两个案例可以看到, API５７９ 评定方法                      段导致材料发生的破坏.
            的基本流程如下: 首先收集评定所需的数据, 包括火                              无论是韧性失效还是慢速裂纹增长, 其本质都
            灾的详细记录, 设备的加工、 维护、 操作历史等; 然后                       是由于屈服, 只是屈服的机理不一样.韧性破坏是
            根据热暴露温度划分不同等级的热暴露区域, 对受                            典型的剪切屈服.相同初始内压情况下, 聚乙烯管
            火程度进行分级, 对不同的热暴露区域制定相应的                            的韧性破坏寿命取决于材料的屈服强度.慢速裂纹
            检查方案; 最后进行三级评定.此外, 还需对有时间                          增长通常认为是, 聚乙烯管材料由于杂质或本身存
            相关性的失效模式进行模拟试验来评定剩余寿命,                             在的缺陷使其在受到外力使用时于缺陷位置产生应
            并且采取必要的补救措施来降低火灾发生的可能性                             力集中, 当此应力超过聚乙烯的屈服强度时, 材料便
            以及火灾引起失效的概率.                                       会在局部产生银纹, 随着时间的推移, 银纹尖端形成
                 目前, API５７９ 被认为是评定受火损伤管道和                      了新的银纹, 导致裂纹不断向前扩展, 即慢速裂纹
                                                               增长  [ ２８Ｇ２９ ] .
            设备的有效工具, 并且已经有不少成功的工程实践
                                                                   正常服役时通常认为化学劣化对聚乙烯材料寿
            案例.但还未见有将 API５７９ 用于评定高分子材料
                                                               命产生很小的影响        [ ３０ ] .火灾发生时, 处于火场周边
            受火损伤的案例. API５７９ 的第 １１ 章虽然是专门
                                                               的高分子材料由于温度升高, 其高分子链运动加剧,
            针对受火损伤设备的安全评定进行介绍, 但该标准
                                                               一旦超过化学键的离解能, 就会引起高分子链的热
            从热暴露区的划分、 评价技术到案例介绍都侧重于
                                                               降解或基团脱落, 出现由于聚合物材料因化学劣化
            金属材料的受火损伤评定, 缺乏对非金属材料的评
                                                               而发生失效的情况.聚乙烯材料作为半结晶性高分
            价方法.目前我国也没有火灾后非金属管道检测规
                                                               子, 在高温下非定型区分子运动剧烈, 结晶区中结晶
            程, 材料受热损伤或受火损伤的研究对象主要集中
                                                               不完善的小晶体也会在一定温度下熔融重结晶, 温
            在建筑混凝土材料和高温下运行的设备如锅炉高温
                                                               度通过对结晶度的影响而使得聚乙烯材料的力学性
            换热器、 再热器管、 核电 反 应 堆 容 器 等           [ １５Ｇ１９ ] .而 高
                                                               能发生变化.另外, 高温还会导致聚乙烯中原有的
            分子材料的失效模式和机理与金属材料的有很大的
                                                               添加剂在老化过程中发生降解, 或与基体材料的相
            不同, 因此不能照搬金属材料的评定方法, 需要针对
                                                               容性变差.高温带来的热能还会加速聚乙烯材料的
            不同的高分子材料展开具体的分析, 根据高分子材
                                                               热氧化, 消耗抗氧剂.聚乙烯材料对氧化作用的敏
            料的老化机制对其进行安全评定.
                                                               感性相比于其他高分子材料的要差一些, 通常需要
                 国内一些学者也提出了高分子材料受热损伤的
                                                               添加的稳定剂量也较少, 导致聚乙烯材料受热加速
            评估方法, 但至今尚未形成完整的评价 体 系                   [ ２０Ｇ２４ ] .
                                                               氧化时, 抗氧剂的消耗会更快            [ ３１ ] .当抗氧剂被消耗
            为此, 笔者将针对高分子材料在火灾后的受损和受
                                                               完之后, 材料将发生氧化反应, 氧化反应的结果是材
            热老化程度以及剩余寿命等提出评定方法.
                                                               料的交联或断链, 这会对聚乙烯材料的力学性能产
            ３  受火聚乙烯管道的常见失效模式                                  生显著影响.所以热老化初期, 为抑制氧化, 材料中
                                                               的抗氧剂被消耗, 内部填料的降解, 可能造成材料内
                 高分子材料在使用中受光、 热和氧的作用, 容易                       部的应力集中, 老化中后期是聚合物的降解、 断链与
            导致老化和物理力学性能变差, 结构受到破坏, 从而                          氧化, 这一系列变化将导致聚乙烯材料整体性能的
            使其使用寿命下降         [ ２５ ] .火灾中, 高分子的受火损伤             劣化, 影响材料的服役寿命.
            可以类比为受热辐照的加速老化.聚乙烯管受到的
            主要载荷形式是内压, 在内压载荷作用下, 聚乙烯管                         ４  受火损伤聚乙烯管道的评定方法与表征
            主要存在 ３ 种失效模式, 分别是韧性破坏、 脆性破坏                           手段
            和聚乙烯管整体材料劣化导致的脆性失效                      [ ２６ ] .聚      由于热老化温度与时间的不同会使得高分子材
            乙烯管道在火场中受热辐射时, 管内流体物理性能                            料的损伤和老化程度有所不同, 对于高分子材料受
            在高温下发生改变, 管道内压升高, 较高内压作用下                          热后的安全评定可先参照 API５７９ 对受火带进行划
                                                                                                        ２ ３ ７
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