聚乙烯供水管道的发展

发布时间：2021-12-25

　　1 聚乙烯压力管道的历史与现状

　　1.1 聚乙烯管道的发展

　　1933年英国 ICI 公司首先发现了聚乙烯。 发展至今，聚乙烯已是一个由多种工艺方法生产的、具有多种结构和特性及多种用途的系列品种树脂，已占世界合成树脂产量的三分之一，居第一位。 聚乙烯( PE)管材级树脂通过挤出机连续挤出成型，可高效率生产出聚乙烯管材。 目前聚乙烯管材已成为在 PVC-U 之后，世界上消费量第二大的塑料管道品种，广泛用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、矿山砂浆输送等工程及油田、化工及邮电通讯等领域。 聚乙烯管品种多样，依据管壁结构，可分为实壁管和结构壁管( 如波纹管) ;根据材料的改性及复合情况，有特种用途改性聚乙烯管、交联聚乙烯管和铝塑复合管( 主要用作建筑物内冷热水管) 、钢塑复合管( 主要用于油田和供热等领域) 等，还有分子量在150万以上的超高分子量聚乙烯管;根据运行的压力状态，可分为压力管和非压力管，压力管是聚乙烯管的主要用途。

　　聚乙烯管习惯上按照聚乙烯树脂的密度分为低密度及线型低密度聚乙烯( LDPE 及 LLDPE) 管( 密度为0.900～0.930g/cm 3 ) 、中密度聚乙烯( MDPE)管 ( 密度为0.930～0.940g/cm 3 ) 和高密度聚乙烯( HDPE) 管( 密度为0.940～0.965g/cm 3 ) 。 由于材料的不断进步，根据发展阶段和性能的不同，产生了材料的等级分化，密度不能反映聚乙烯作为管材的本质性能，因此目前国际上根据聚乙烯管的长期静液压强度对管材及其原料进行分类和命名，现有 PE 32、PE 40、PE 63、PE 80和 PE 100五个等级。 目前，输送燃气应采用 PE80和 PE100等级的中或高密度聚乙烯管，用量最大的是 PE 80等级的中或高密度聚乙烯管;给水通常采用 PE 63、PE 80和 PE 100等级的中或高密度聚乙烯管，用量最大的是 PE80等级的中或高密度聚乙烯管;PE 32和 PE 40等级的低密度聚乙烯管或线型低密度聚乙烯管通常用于灌溉。根据用途不同，聚乙烯管道可着有不同的颜色。 典型的为水管蓝色，燃气管黄色，或黑管上加有相应颜色的条带。

　　1.2 聚乙烯管的主要优点

　　(1) 耐腐蚀。 聚乙烯为惰性材料，除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀。无电化学腐蚀，不需要防腐层。

　　(2) 熔接接头不泄漏。 聚乙烯管道主要采用熔接连接( 热熔连接或电熔连接) ，本质上保证接口材质、结构与管体本身的同一性，实现了接头与管材的一体化。 试验证实，其接口的抗拉强度及爆破强度均高于管材本体，可有效地抵抗内压力产生的环向应力及轴向的拉伸应力。因此与橡胶圈类接头或其他机械接头相比，不存在因接头扭曲造成泄漏的危险。

　　(3) 对地下运动和端荷载的有效抵抗。 熔接接头耐端荷载，不会发生接头泄漏。同时，聚乙烯的应力松弛特性可有效地通过形变而消耗应力，因而，其实际承受的轴向应力水平远比理论计算值为低。聚乙烯管道系统具有足够的端荷载抵抗能力，因此在接合处和弯曲处，不需要进行费用昂贵的锚定。 聚乙烯管是一种高韧性的管材，其断裂伸长率一般超过500%，对管基不均匀沉降的适应能力非常强。

　　聚乙烯管的这些特点使其成为抵御地震的最为优良的管道。这一点已被证实，在1995年日本的神户地震中，聚乙烯燃气管和供水管是唯一幸免的管道系统。 正因为如此，日本震后大力推广聚乙烯管在供水及燃气领域的使用。

　　(4) 聚乙烯管道系统挠性的巨大技术经济价值。聚乙烯的挠性是一个重要的性质，它极大地提高了该材料对于管线工程的价值。良好的挠性使聚乙烯管可以盘卷，以较长的长度进行供应，避免了大量的接头和管件。 同时，挠性和重量轻及具有优良的耐刮痕能力，使之可采用多种可减轻对环境和社会生活的影响且费用经济的安装方法，如免开挖施工技术。 免开挖施工技术是指利用各种岩土钻掘的技术手段，在地表不开沟( 槽) 的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的施工技术。多种免开挖施工技术非常适宜采用聚乙烯管材，如铺设新管线的水平定向钻进和导向钻进法，原位更换旧管线的胀管法及修复旧管线的穿插更新内衬法及各种改进的内衬法( 折叠变形法、热拔法和冷轧法) 。

　　(5) 良好的快速裂纹传递抵抗能力。 管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时，裂纹以几百米/秒的速度迅速增长，瞬间造成几十米甚至上千米管道破坏的大事故。早在50年代，美国输气钢管曾发生几起快速开裂事故。聚氯乙烯气管和水管均曾发生过快速开裂事故。实际使用中尚未发现聚乙烯燃气管的快速开裂。 快速开裂是一种偶发事故，但其后果是灾难性的。因而近十年来，国际上对塑料管道，特别对聚乙烯燃气管的快速裂纹传递进行了大量卓有成效的研究工作。结果表明，在常用的塑料材料中，聚乙烯的快速裂纹传递抵抗能力名列前茅。 如 PVC-U 的动态断裂韧 性 K D 为 1.8MNm -3/2，PP-r 的 K D 为 1.6 MNm -3/2，而 PE80的 K D 则为2.9MNm -3/2，PE100 的 K D 为3.8MNm -3/2 。 温度越低，管径和壁厚越大，工作压力越高，塑料管道快速开裂的危险性越大。 因此，聚乙烯管道，特别是 PE 100管更适宜做大口径管。

　　(6) 使用寿命长。 聚乙烯管道系统的安全使用寿命为50年以上。 这已为国际标准和国外的一些先进标准所确认。

　　1.3 聚乙烯管道成熟的表现

　　(1) 如前所述，聚乙烯管在燃气输送领域取得了巨大的成功，并将在给水等压力管领域获得成功。 1988年，在慕尼黑召开的国际煤联( IGU ) 配气委员会会议一致认为，采用聚乙烯为原料的埋地燃气管道，质量可靠，运行安全，维护简便，费用经济。这种共识显然是对聚乙烯燃气管技术成熟性的最好总结。聚乙烯管道系统的成熟技术在给水领域找到了更大的舞台。聚乙烯管给水，无论是在欧美或亚洲的日本、韩国，都得到了比较好的发展。

　　(2) 聚乙烯管材级原料不断发展，80年代末第三代聚乙烯管材树脂( PE 100) 出现，使聚乙烯大口径管的使用也具有了优势。

　　(3) 严谨而科学的管道设计理念。 对聚乙烯管材料长期使用性能的评价形成了系统科学的标准评价方法，即对管材树脂最低要求的静液压强度( MRS)的测量。 所谓 MRS 是指连续施加在管壁上50年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力。该值是管材结构设计的基础。从而在设计上保证了长期使用性能及使用的安全性。

　　(4) 高度成熟的制造设备和挤出工艺。

　　(5) 与管材同步发展，多品种配套的管件。

　　(6) 管道连接、施工和维护的成熟技术与设备。

　　(7) 丰富的研究成果、大量成功的工程实践和系统完备的标准体系。丰富的研究成果和大量成功的工程实践是形成系统完备的标准体系的基础和前提。从原料到工程施工，从产品要求到质量的控制方法，聚乙烯管道系统均具有完备的 ISO 标准。 标准的高水平和系统化，标志了聚乙烯管道发展的高度成熟。

　　1.4 国内聚乙烯管道的开发应用

　　聚乙烯管道系统的高度成熟为我国快捷、安全、经济地推广聚乙烯管道奠定了良好的基础。

　　我国自70年代初即开始生产聚乙烯管。 据有关资料，我国1996年生产聚乙烯管近18万吨，仅次于聚氯乙烯管的24万吨。 但应该指出的是，在1996年以前，除了聚乙烯燃气管的探索性应用外，几乎所有的聚乙烯管都与先进国家当时聚乙烯管的发展有着相当大的距离。 主要表现有二：一是所使用的聚乙烯原料存在很大的问题，制管原料绝大部分是通用牌号树脂，而不是管材级树脂，如常用的有5000S，6098 等，即使有少量使用管材级树脂的，材料也未经过静液压强度试验的评定;二是管道的连接方法不正规，在生产工艺及设备，产品结构与标准等方面也存在较大的差异，最终体现在管材使用性能及使用寿命上与国外先进水准的聚乙烯管差距很大，安全性无保证，用途也几乎全部集中在农村改水、农田喷灌等领域。

　　打破这种落后局面，并使我国聚乙烯管道可以与国际先进水准接轨的契机是聚乙烯燃气管道在我国的推广应用。 1982年由上海煤气公司首先开始了聚乙烯燃气管道的试验工作，1987年哈尔滨煤气工程指挥部引进加拿大技术开始铺设聚乙烯燃气管。鉴于国外使用聚乙烯燃气管的成功经验，国家科委将 “HDPE 燃气管道专用料研制和加工应用技术开发” 列为国家“七五”重点科技攻关项目，对聚乙烯燃气管道进行了较为全面的研究。 1995年，国家技术监督局、建设部分别颁发了聚乙烯燃气管材、管件的国家标准和工程技术的行业规程。

　　目前，聚乙烯燃气管正在国内迅速推广使用，我国已基本掌握正规聚乙烯管道的生产与使用技术，引进了相当数量的国外先进的生产线，培养了人才，形成了相当规模的生产能力。

　　2 城市供水管材使用及发展趋势的探讨

　　1991年在丹麦哥本哈根召开的国际水协代表会议的报告表明，欧美国家水管网的组成从发展趋势看，400mm 口径范围内，以塑料管占多数，超过了 50%。我国1990年统计资料表明，国内城市水管网组成中，以灰铸铁管的比例为最高，占88.56%。 铸铁管的材质差，强度低，爆管几率大，而且腐蚀结垢严重，造成水质劣化，能耗增大等一系列问题。 为此，《国家化学建材推广应用“九五”计划和2010年发展规划纲要》(1997年) 明确提出到2000年，全国新建城市供水管道( 直径400mm 以下管道)30%采用塑料管，村镇供水管道60%采用塑料管。 但应指出的是塑料供水管道的认识不能仅局限在推广时间较早的 PVC-U 管道上。管道应用的决定性因素是其自身的技术经济性。

　　3 聚乙烯管道是城市供水的理想选择

　　3.1 聚乙烯管道良好的技术性能

　　我国《城市供水行业2000年技术进步发展规划》提出主攻方向：提高供水水质，提高供水安全可靠性，降低能耗，降低漏耗和降低药耗。 聚乙烯管材材质无毒，不腐蚀，不结垢，可有效提高管网水质。 聚乙烯管道具有良好的耐水锤压力的能力，与管材一体化的熔接接头及聚乙烯管对地下运动和端荷载的有效抵抗能力大大提高了供水的安全可靠性。聚乙烯管内壁绝对粗糙度 K 不超过0.01mm，而新的钢管、球墨铸铁管 K =0.06mm;金属管道运行20年，K 值将增大5 ～10倍，而聚乙烯管 K 值不随时间变化，水利特性优异，可有效降低供水能耗。 我国城市供水实际漏失率为12%～13%，原因主要是施工中的碰撞对铁管或 PVC 等脆性大的管材造成的暗伤及接头漏失等( 特别是地基沉降引起接口变形时) ，聚乙烯管具有独特的熔融连接方式，韧性高，且试压验收标准严格，可大幅度降低城市水管网的漏失率。因此可以认为聚乙烯管道比较理想地解决了上述主攻问题。

　　3.2 聚乙烯供水管道的经济性

　　聚乙烯管材原料来源广泛，据初步测算，聚乙烯供水管的管材价格在 DN 400以下均具价格优势。 此外，聚乙烯管不需防腐，可节约防腐费用，而且聚乙烯管重量轻，不需使用吊装机械，柔性大，可进行沟上焊接，不需要进行费用昂贵的锚定，因此，施工工程费用明显降低。

　　管材料价格与施工工程费用基本决定了施工工程投资，此外影响管道工程经济性的还有正常运行、维护及保养费用、管道使用时间分析。 根据本文中的一些论述，应该认为聚乙烯管在这些方面是具有优势的。

　　4 聚乙烯供水管道在我国推广使用的条件日趋成熟

　　在聚乙烯管道高度发展的今天，聚乙烯管作为供水管道在我国推广应用的条件已日趋成熟。

　　(1) 聚乙烯燃气管正在国内迅速推广使用，已引起有识之士对聚乙烯管道技术经济性的高度重视;

　　(2) 近十余年来，国内已引进聚乙烯管材生产线二十余条，这些生产线的年生产能力达6万吨以上;

　　(3) 管件已基本配套，聚乙烯两大系列管件热熔对接型管件和电熔连接型管件，目前国内均有比较齐全的产品和一定规模的生产能力;

　　(4) 聚乙烯管道系统连接用的熔接机具，国内也有专业厂家生产;

　　(5) 管材料的开发已引起国内石化行业的重视，今后的发展方向是向国际要求靠拢;

　　(6) 国内近些年引进有相当数量的管材原料、电熔管件及熔接机具，完全可以满足用户的要求，随着我国“入关”的临近，有利于我国直接利用国际上成熟的技术和产品，在较高的水平基础上推动聚乙烯供水管道的发展;

　　(7) 标准规范的制定工作正在进行，1998年国家轻工业局、国家技术质量监督局发布了《给水用聚乙烯管材》国家标准的修订计划，与国际先进水平接轨的《给水用聚乙烯管材》国家标准将于1999年底制定完成，建设部有关单位正在制定《给水用聚乙烯管道工程技术规范》，也将于1999年底制定完成。届时，聚乙烯管道系统的生产、设计、施工安装及维护等均具有国家级的标准依据。

　　综上所述，聚乙烯供水管在我国的发展已具有相当的基础。但也应看到目前聚乙烯供水管的推广尚存在相当多的问题，如对聚乙烯管道的科学认识尚不普及，管件品种与国外先进水平相比仍有较大的差距，国内各企业产品技术水平参差不齐，生产规模较国外同类生产企业偏小，尤其是目前符合国际标准要求的供水管仅有少数几个企业在生产等。但决定一种管道前途的是它的综合技术经济效果，借鉴发达国家的经验，在发展中解决问题，我国管道工业有可能跨跃发展，聚乙烯供水管的成熟应用指日可待。——论文作者：孙 逊