氟橡胶热缩套管极寒地区会开裂吗？静置不裂不等于受力不裂

　　在极寒地区静置不动的话，氟橡胶热缩套管一般不会出现自行破裂的情况——它有脆化温度的数据来支持这一说法;但是低温使得分子链段冻结、回弹性大大降低，在此情况下如果受到弯曲、冲击、振动或者安装应力等作用时，裂纹就会从壁厚最薄的地方、弯折内侧褶皱底部或者端部切口这些应力集中点开始。静置不裂检验的是“无外力时链段冻结是否足以自持”，受力不裂检验的是“冻结后的材料还有多少变形余量去分散应力”，两者的含义是完全不一样的东西。

　　把“冷冲击不开裂”当作“极寒受力不开裂”，就省略了哪一层呢?

　　在产品的数据表中经常会出现这样一行的内容，“冷冲击-55℃/4h不开裂”，可以达到AS23053/13、IEC 60684-3-233等标准要求。看到这句话的时候很容易得出“极寒没有问题”的结论。但是这一组数据是用来检测管道在低温环境中的静置或者受到规定的冲击载荷之后是否有明显的裂缝的，它所回答的问题是“材料在冻结状态下去承受一次标准化的冲击而不会马上破裂”。它也不回答另外一个问题：一根已经被收缩抱紧在基材上的一根管道，在低温的情况下被线束振动带动而不断发生微弯，并且在安装过程中留下的残余应力也会不断地对其进行牵扯，或者是当该管道处在弯曲部位的时候就会受到一个集中的力的作用时，裂纹是否是从一个几何上的薄弱环节开始蔓延。静止不动不会开裂的试样、受力后也不会开裂的安装件都处在两种不同的力学状态中。前者不存在外加约束或者动态载荷的影响，而后者则同时存在收缩残余应力、基材热收缩差所引起的界面剪切力，以及由于振动或者弯曲产生的周期性应力。低温使材料变形后的剩余空间变小了之后，这层叠加在一起的应力就是造成裂不裂的那个原因。

　　答案：低温受力开裂的判据，并不是“温度是否低于某一个值”，而是在于“冻结之后的材料是否有足够的空间来分散应力”。

　　氟橡胶热缩套管在极寒地区出现开裂现象，并且按照一定的顺序进行：当温度降低到Tg以下的时候，分子链段微布朗运动就被冻结了，此时材料会由高弹态进入到玻璃态中去，在宏观上就会表现出硬度增加、回弹性减小等特性。断裂伸长率大幅度降低。在这样的状态下，材料仍然能够承受一定的静置以及缓慢施加的负载，因为链段虽然被“冻结”了，但是分子链之间相互缠绕、交织在一起形成的网络还没有受到外界力量的影响而发生形变，所以不会出现断裂的情况。问题在于“逼它变形”的方法上：快速地弯曲、冲击、振动等，或者是安装过程中就已经存在的弯折预损伤、端部切口毛刺、壁厚不均等问题，在冻结后的基体中会形成局部应力集中。在玻璃态下，氟橡胶不能像常温高弹态一样通过链段重排把应力分散到更大的体积里，当应力集中到某个点上，并且超过了材料目前的断裂强度时，裂纹就会从这个点开始。

　　判断一根管道是否会因为受到外力而破裂，需要依次考虑三个问题，并不是首先查看温度数据。第一种是受力的方式。缓慢的静态压缩、快速的动态弯曲对于同一条低温管道所造成的危害是不一样的。静置的时候链段会冻结，但是它本身并不会产生裂纹;弯曲的时候外侧受到拉伸力，而内侧则承受压力，在这个过程中，拉应变主要集中在弯折外侧最薄的地方上，而压应变则是在内侧褶皱底部产生应力集中，在低温的情况下，材料不能够通过弹性变形来消除这些应变，裂纹会首先在外侧变薄发白的地方开始，然后在内侧褶底处开始。第二、几何和安装问题。端部切口是低温下最容易被忽视的裂纹起始点：切口边缘的毛刺、微缺口，在常温下会被弹性变形所掩盖，而在低温下这些缺口就会变得非常敏感，一个小缺口就有可能成为断裂源。壁厚不均、花纹凹槽、双壁管端部胶层与管壁的界面都属于低温应力集中可能的位置。第三、残余应力的累加。热缩管收缩之后，在管壁内部会留下一些残余应力，在常温下这些应力会被材料本身的弹性变形所吸收，而在低温的情况下，由于材料变得比较坚硬，并且失去了回弹的能力，所以这些残余应力就无法得到缓解了，当内外部负载叠加在一起的时候，就会产生一种附加的力矩，局部的实际应力要比外加负载的标称值大很多。因此，“受力不裂”完整的判定条件为：在目前的低温条件下，材料在受到的作用力方式、几何缺陷以及残余应力这三种因素叠加之后，是否还能够保持足够的塑性变形能力以防止局部应力超过材料的屈服强度。静置测试仅仅检验了该材料“在没有缺陷、没有残余应力、没有动态载荷的情况下不会断裂”的一小部分内容。

　　根据：TG和TR10是分别对链段什么时候冻结、冻结之后静置或者受到规定的冲击时是否会破裂进行标定的，两者的直接目的都不是为了预测动态受力寿命

　　第一层根据氟橡胶低温参数所具有的物理意义来确定。氟橡胶的Tg和低温回缩温度TR10比较接近，都表示分子链段开始凝固的温度范围;TR10是由基体Tg来决定的，并且基本上不会受到补强体系、硫化体系以及吸酸体系的影响。通用氟橡胶的Tg大约在-20℃左右，低温配方可以降到-40℃以下，但是Tg并不是一个“开裂开关”：低于Tg的时候，材料会变得比较硬和脆，但是它并不会自己自发地出现裂缝;大于Tg的时候，材料会保持一定的弹性和韧性，但是也不能保证在非常大的应力之下不会破裂。Tg告诉你链段什么时候“冻结”，但是不会告诉你冻结之后，在什么样的力、多快的速度、什么缺口的情况下就会断裂。把Tg或者TR10直接当作“安全温度下限”来使用，这是用一个热转变温度代替了力学判据。

　　第二层根据来自“冷冲击不开裂”和“动态弯曲不裂”的标准体系中各自所承担的任务来划分。根据IEC 60684-2的规定，“低温弯曲”被列为一项独立的测试项目，并且和热冲击、热老化等等一起被列入标准体系中来，因此可以知道，在标准体系里面把“低温下弯曲”作为一个需要单独考核的性能来对待了。而不能用静置或者冷冲击的数据来代替。PVDF的对照数据把这条区别推得更加明显：PVDF热缩管在-55℃静置1小时或者4小时没有出现裂纹现象，但是同一种材料，在-40℃取出来之后直接进行弯曲处理，在弯曲的地方就会突然断裂;它的断裂伸长率，在常温下为300%以上，在低温下则大幅度减小，静置不裂、受力不裂之间差距在数据上可以直观看到。氟橡胶的低温弹性比PVDF好一些，但是这“好一些”的区别在于断裂发生时所处的温度区间以及受到的作用力大小上，并没有消除“静置测试”与“受力工况”之间存在的判断标准差异。

　　第三层根据应力集中和缺口敏感性的低温放大效应来确定。在常温下氟橡胶的弹性网络可以将端部切口、弯折内侧褶皱、壁厚过渡区等几何不连续处的局部应力通过链段重排分散掉;低温使得链段运动被冻结，分散能力减弱，在相同的几何缺陷和相同的外载作用下，产生的局部应力峰值更大。更重要的是残留应力的叠加：收缩之后管壁内部储存的应力，在常温下被弹性变形部分抵消掉，在低温下材料变硬、回弹变慢，这部分残余应力不能通过形变来松弛。振动或者弯曲所引起的应力和之后叠加在一起，在远远小于预期外载的情况下就已经达到了断裂临界点。因此，现场低温开裂一般不会出现在管段的平直自由段上，而是在端部切口、弯折处、固定点等“几何不连续加残余应力”位置上集中出现。

　　延伸：花纹、双壁以及PVDF在低温下的受力情况可以用来校正“静置账”和“受力账”的界限

　　花纹热缩管在极寒受力的情况下，其薄弱点比光壁氟橡胶管更加分散：花纹的凸起部分壁厚较小、热容量也较低，在低温下会先变硬;凹槽部分壁厚较大，散热速度较慢，但是凹槽底面就是应力集中区域。低温弯曲的时候，裂纹并不一定是从最厚的基体中部开始的，而是有可能在花纹边缘和基材之间的过渡区域、或者是油墨层与基材由于热膨胀系数不同所造成的界面剪切处首先出现。因此花纹管的“受力不裂”的判定要考虑到表面几何因素，并不是仅仅依靠基体Tg来判断。双壁热缩管的低温受力问题是从管壁转移到了界面：内层热熔胶在低温下流动性降低、硬化变脆，外层管壁收缩时胶层不能像常温一样通过流动来缓和应力，胶层与管壁之间、胶层和基材之间界面，在温度循环、振动等情况下容易出现脱粘或者开裂的情况。双壁管的“静置不裂”现象可能会把“界面在受力循环之后就已经分离”的情况给掩盖掉。PVDF热缩管的对照组最有说服力：它脆化的温度标称值可以低到-62℃以下，静置耐寒的数据很漂亮，但是-40℃弯曲断裂的实际测试结果直接表明，脆化温度低并不意味着受力不断。PVDF为半结晶硬质材料，在低温下断裂更加“干脆”，预警也较少;氟橡胶由于其弹性基础，在同样的低温条件下可以增加一层缓冲效果，但是这种缓冲的效果是有限的，并且主要集中在常温高弹态还保留多少回弹余量上。两者的共同教训是：把账上“不裂”的情况转到受力账上是不可能做到的;受力账要用弯曲、冲击、振动以及缺口敏感性的术语进行计算。

　　回到氟橡胶热缩套管在极寒地区的情况判断中，可以进行复核的一个顺序是：首先要确定管段在安装之后的实际受力状况——是自由静置、受到约束但是没有动态负载、还是伴随着振动以及周期性的弯曲;再看低温下最容易出现问题的地方——端部切口是否平滑没有裂痕、弯折处外侧有没有开始变白变薄、内侧有没有出现褶皱堆积、固定的部位会不会把管壁压到硬棱边上;再把“可逆硬化”和“不可逆损伤”区分开来——回温之后回弹恢复、没有白痕也没有裂纹，说明在低温时期并没有出现超过限度的受力情况，而硬化本身就是可以逆转的一种物理状态。如果回温之后弯折的地方还有白色的线条，或者端部还留有细微的裂缝，那么低温受到的作用造成的损伤就无法恢复了，更换管道或者加固是解决问题的方向。极寒地区用的氟橡胶管并不是因为怕冷才用的，而是因为在寒冷的时候容易冻裂，在受到外力作用的时候就需要一定的安装空间来避免应力集中和断裂。不是希望材料在玻璃态的时候仍然能够像常温时那样把应力吸收掉。