罗锋 单蕾 王国丽

中国石油规划总院 

 

管道防腐层材料的抗压性能决定了其抵御碎石等损伤及耐深根植物根系穿刺，保证涂层体系完整性的能力。我国早先的石油沥青防腐管道就有因芦苇根系穿透局部防腐层而发生严重腐蚀的案例[1，2]。3PE热收缩带是目前应用最广泛的长输管道外防腐补口材料[3]，一般采用“环氧底漆-热熔胶-辐射交联聚乙烯”的三层结构[4]。目前，在管道施工和运行过程中，各种外力对3PE防腐层及补口材料的顶压现象仍广泛存在，但3PE热收缩带材料抗压性能的相关评价及研究很少。

本文选用几种常见的国内外不同厂家的热收缩带补口材料，改进现有的压痕硬度测定方法，进行收缩带的压痕性能试验。以压深比（压痕深度/原始厚度）为指标评价热收缩带产品的抗压性能，并分析了热熔胶、压强、温度三个因素对热收缩带材料压深比的影响。

1 试验部分

1.1 仪器设备

QYF-A型防腐层压痕硬度仪，配备砝码和百分表，可产生5 MPa和10 MPa两种压强，百分表精确至0.01 mm，用于读取压痕深度。601超级恒温水浴，试验时配合压痕硬度仪使用。设备由中国石油集团工程技术研究院提供（见图 1）。

  

图1 压痕试验仪器

1.2 试样制备

为了保证试验结果的全面性，试验中选取不同密度、不同厂家的3PE热收缩带补口材料，分基材和带胶两种情况制备试样。其中基材试样是将收缩带基材辐射交联聚乙烯直接附着在钢片上；带胶试样是将基材结合配套热熔胶，经烘烤加热黏结在钢片上制得，胶层厚度应满足《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》（GB/T 23257-2009）相关要求，即≥1.0 mm。具体试样种类及编号见，试样实物见图2。

 

表1 测试样品对照表

  

 

图2 压痕试样

1.3 压痕试验

试样分基材和带胶2种制备并记录原始厚度，分别置于不同压强和温度下进行压痕硬度试验。试验中，每隔24 h读取压痕深度并记录，直至压痕深度稳定不变。最后，计算每组试样的压深比，作为材料的抗压性能指标进行分析。

压强值参考GB/T 23257-2009中压痕硬度测定方法，选取10 MPa和5 MPa两种载荷作用于试样上；鉴于高分子材料的物理力学性能随温度变化较为明显，本研究分别在常温（23 ℃）和高温（50 ℃）条件下进行测试，常温是大部分管道的运行温度，50℃系接近天然气管道压缩机出口处温度。此外，为了更好地模拟防腐层材料较长时间承受顶压的情况，试验时间延长至360 h。

2 试验结果与讨论

2.1 产品抗压性能评价

图3为5种基材试样在10 MPa压强作用下试验得到的压深比。可以看出，在10 MPa压强作用下，选定的热收缩带产品受压后均有不同程度的减薄。其中23 ℃试验条件下，稳定压深比范围3.69 %～6.90 %；50 ℃条件下，受顶压后材料减薄幅度明显增大，所有材料的压深比均达到9.00 %以上，最高接近14.00 %，但各种材料的压深比最终趋于稳定在各自的定值附近，不再随时间变化。

同时，减薄幅度与收缩带基材材质（PE密度见表1）关系不大，这可能是热收缩带PE基材接受辐射交联后，结构性能发生改变所致[5]。

 

 

图3 10 MPa下基材收缩带压痕试验结果

图4列出了10 MPa下带胶热收缩带的最终压深比范围。在10 MPa、23℃条件下，带胶热收缩带的压深比范围在4.11 %～6.98 %之间，与基材收缩带的压深比（3.69 %～6.90%）十分接近，且减薄变化达到稳定持续时间也大致相同；在10 MPa、50 ℃条件下，带胶的热收缩带压深比范围在10.00 %～13.00 %之间，与相同试验条件下，基材热收缩带的压深比也十分接近。

从整体上看，带胶收缩带压深比范围与图3中基材收缩带的基本一致，且减薄幅度与收缩带基材原始材质（PE密度）的关系不大。

图4 10 MPa下带胶收缩带压痕试验结果

如图 5所示，在5 MPa、23 ℃试验条件下，热收缩带受压后材料减薄幅度明显小于10 MPa相同温度条件下材料受压后的减薄幅度，其最大压深比仅为3.20 %。这说明在试样与试验温度相同的情况下，压强由10 MPa减小至5 MPa，压深比明显减小。

 

图5 5 MPa、23 ℃下带胶收缩带压痕试验结果

取图3中10 MPa、23℃和50℃下各5种基材收缩带稳定压深比的平均值，图4中10 MPa、23 ℃下5种带胶收缩带和50℃下4种带胶收缩带稳定压深比的平均值及图5中5 MPa、23℃下2种带胶收缩带稳定压深比的平均值，绘制得到图6。这些平均值可表示所选取的收缩带产品在各种试验条件下的压深比平均情况，可以一定程度上反映目前该类产品的抗压性能。

图6 收缩带压痕试验平均压深比

由图 6可见，基材收缩带在10 MPa、23 ℃和50 ℃条件下的平均压深比分别为4.74 %和11.73 %；带胶收缩带在10 MPa、23 ℃和50 ℃条件下的平均压深比分别为5.34 %和11.82 %；带胶收缩带在5 MPa、23℃条件下的平均压深比为2.76%。

2.2 材料抗压性规律研究

图7、图8分别为长圆常温热收缩带试样（1#、1-J#）在各种试验条件下压深比随时间变化曲线及稳定压深比比较情况。

图7 常温热收缩带试样压深比随时间变化曲线

在图7中，10 MPa、50 ℃试验条件下，1#、1-J#试样的压深比曲线基本重叠，表明此时结合热熔胶与否对材料压深比无影响；压强不变，温度降低至23℃试验条件下，两组试样压深比明显降低；进一步降低压强至5 MPa后，1-J#试样的压深比最低，仅为2.00%左右。

 

图8 长圆常温收缩带稳定压深比情况

图8列出了各种试验条件下每组试样的稳定压深比。分析试验条件及热熔胶对压深比的影响，可知，对于基材收缩带，相同压强作用下，温度升高，收缩带材料的压深比由3.69%增至11.69%（增幅126%增幅217%）；对于带胶收缩带，相同压强下，温度升高，压深比由5.08%增至11.50%，而在23℃情况下，压强增大，压深比由2.19%增至5.08%（增幅132%）。此外，相同试验条件下，是否结合热熔胶对收缩带的压深比影响不大。图6所列收缩带在各种试验条件下得到的平均压深比，温度、压强和热熔胶对压深比的影响与图8得出的结论一致。

3 结论

（1）本文采用改进的压痕试验，以压深比为性能指标，首次对3PE热收缩带补口材料的宏观抗压性能进行分析评价，其相关数据具有一定的工程实践应用价值。

（2）几种常见热收缩带产品抗压性能整体相对稳定，在相同条件下，仅出现小幅的差异。在10 MPa、23 ℃和10 MPa、50 ℃条件下，可推测其压深比分别为5.00 %和11.75 %；压强和温度降低时，压深比减小。

（3）经过辐射交联，热收缩带的压深比与收缩带基材原始材质（PE密度）关系不大。

（4）在影响收缩带压深比的各种外界因素中，温度的影响最明显（温度越高，压深比明显增大），压强的影响次之（压强增大，压深比小幅增大），结合热熔胶与否几乎对压深比不产生影响。

（5）结论1、2、4仅适用于表1中几种厂家或来源的热收缩带产品，但可以一定程度上反映目前主流热收缩带产品的抗压性能。

参考文献：

[1] 王悦. 埋地输气管道腐蚀缺陷分析及修复对策[J]. 石油工程建设, 2009, 35(3): 41-44.

[2] 王书浩, 孟力沛, 肖铭，等. 秦京输油管道腐蚀机理分析及腐蚀检测[J]. 油气储运,2008,(2)：36-39.

[3] 罗锋, 王国丽, 窦鹏. 管道热收缩带补口失效原因分析及相关对策研究[J]. 石油规划设计, 2012, 23(1): 11-14.

[4] 赵吉诗, 侯宇, 赵国星，等. 热收缩带补口失效分析及建议[J]. 腐蚀与防护, 2010, 31(10):812-815.

[5] 李树军, 刘秀菊, 高永忠. 高能辐射对高性能聚乙烯纤维分子量和力学性能的影响[J]. 工程塑料应用, 1998, (8): 7-9.

作者：罗锋，女，高级工程师。1988年毕业于北京化工学院应用化学系，长期从事油气储运项目前期规划研究，防腐专业设计和科研等工作。

《管道保护》2017年第1期（总第32期）