PE材料的特征与应用.doc

-一、 燃气用埋地聚乙烯管道系统发展简史本世纪在管道领域发生了一场革命性的进步，即“以塑代钢”。随着高分子材料科学技术的飞跃进步，塑料管材开发利用的深化，生产工艺的不断改进，塑料管道淋漓尽致地展示其卓越性能。在今天，塑料管材已不再被人们误认为是金属管材的“廉价代用品” 。在这场革命中，聚乙烯管道倍受青睐，日益发出夺目的光辉，广泛用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、矿山细颗粒固体输送，以及油田、化工和邮电通讯等领域，特别在燃气输送上得到了普遍的应用。1. 国外聚乙烯燃气管发展简史 发展至今，1933 年英国 ICI 公司首先发现了聚乙烯PE。 聚乙烯已是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。第二次世界大战时期，由于铜与钢材的短缺，国外开始研究在燃气输配等领域使用塑料管。燃气输配用塑料管的材料按应用的起始年代分别为：醋酸-丁酸纤维素（1949 年美国） ，硬聚氯乙烯（1950 年原西国），耐冲击聚氯乙烯（1952 年美国），环氧玻璃钢（1955 年美国），聚乙烯（1956 年美国），涤纶（1963 年意大利）和尼龙（1969 年澳大利亚） 。随着时间的推移和对燃气工程运行经验的不断总结，人们逐渐认识到在应用塑料管时应考虑以下几个方面的因素：a.经济性b.接口稳定、严密性c.耐环境应力开裂d.耐腐蚀和耐化学性e.耐老化性f.韧性g.柔软、可挠性h.耐久性i.强度与温度的关系j.长期静液压强度的大小经过顺序淘汰，到 60 年代后期，只剩下聚氯乙烯管和聚乙烯管。聚氯乙烯管虽然强度大，成本低廉，但与聚乙烯相比有如下缺点：a.脆性，易产生断裂现象；b.缺乏可挠性，不能盘卷等；c.接触溶剂的可靠性差等。因此，采用聚氯乙烯管的数量大幅减少，而使用聚乙烯管显著上升。自 1956 年铺设第一条聚 到乙烯燃气管道以来， 70 年代， 在欧洲和北美，聚乙烯管道在燃气领域得到迅速的推广应用。聚乙烯管道在各国燃气管道上的广泛应用已成为管道领域最为引人注目的成就。这一方面是由于聚乙烯材料制作管道具有非常独到的技术经济优势，另一方面是由于聚乙烯管道的原料性能，管材、管件制造工艺， 连接方法，连接机具以及运行中的维修手段等在多年的实践中，已达到完善的配套系统。 时至今日，在燃气领域，无论是对于新铺设或旧管道的修复和更新，聚乙烯管都是主要的选择之一。欧洲的 PE 燃气管道普及率极高，如英国、丹麦等国均超过90，法国 1998 年新敷设燃气管道几乎 100采用聚乙烯管道。早在 1988 年，在慕尼黑召开的国际煤联IGU配气委员会会议，委员们一致认为采用聚乙烯PE埋地燃气管道质量可靠，运行安全，维护简便， 费用经济。这种共识显然是五十年来聚乙烯管道与其它管道反复比较、竞争后达成的。应该指出，这不仅应归功于 PE 管的优良的综合性能，而且缘于 PE 管道的原料性能，管材、管件制造工艺，连接方法，连接机具以及运行中的维修手段等在多年的实践中，不断取得革命性的进步。如对 PE 管道性能影响最大的因素之一的原料，随着聚合工艺的改进，八十年代水平 PE 管材原料与七十年代水平相比较，即取得极大的进步。 经过近半个世纪的不断发展， 时至今日，聚乙烯管道已成为最成熟的塑料管道品种之一。自六十年代初，探索聚乙烯管道用于燃气输送以来，围绕聚乙烯管道系统的各个方面的研究和开发工作就一直未间断，且异常活跃。世界上很多国家聚乙烯树脂制造商、管材制造商、管件及管路附件制造商、管材挤出设备制造商、管道的施工和使用单位（如燃气公司和自来水公司） 、施工机具的制造商、产品认证机构、有关大学和科研机构均以极大的热情投入到这项工作中来。研究开发的广度、深度及速度，是其他类塑料管道所难与比拟的。聚乙烯管道系统的高度成熟突出表现在：（1） 聚乙烯管材级原料不断发展，八十年代末第三代聚乙烯管材树脂（PE100）出现，使大口径管的使用也具有了优势。（2） 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，从而在设计上保证了长期使用性能及使用的安全性。（3）高度成熟的制造设备和挤出工艺。（4）与管材同步发展，多品种配套的管件。（5）管道连接、施工和维护的成熟技术与设备。（6）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。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。2. 国内聚乙烯燃气管发展简史我国是从 80 年代初期开始聚乙烯燃气管的研究工作最早使用聚乙烯管输送城镇燃气是 1982年在上海。为使聚乙烯燃气管研究工作受到重视并顺利进行，国家科委 1987 年把“聚乙烯燃气管专用料研制和加工应用技术开发” 列为国家“七五”科技攻关项目，从专用原料管材、管件加工工程应用标准规范制定进行系统研究，取得丰硕成果。1995 年，国家技术监督局、建设部分别颁发了 PE 燃气管材、管件的国家标准和工程技术的行业规程。目前，PE 燃气管正在国内迅速推广使用。在 PE 燃气管推动下，国内已基本掌握 PE 工程管道的生产与使用技术，引进了相当数量的国际一流生产线，形成了相当规模的生产能力。这对聚乙烯燃气管的发展奠定了坚实有力的基础。99 年国内聚乙烯燃气管材产量已近 1 万吨，并以 20的年增长率向前发展。二、 聚乙烯燃气管原料特性及其发展聚乙烯管习惯上按照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/cm3），中密度聚乙烯（MDPE）管（密度为 0.930-0.940g/cm3）和高密度聚乙烯（HDPE）管（密度为 0.940-0.965g/cm3） 。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（MRS）对管材及其原料进行分类和命名。长期静液压强度是指连续施加在该聚乙烯树脂制管管壁上 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。聚乙烯管的工程设计概念与金属管不同，对于金属管的设计，广泛的使用环境温度下的屈服强度系数。而聚乙烯管与金属管不同，它受持续应力及温度变化的影响，因此聚乙烯管的设计应力应根据长期强度来决定，即通过绘制恒温下应力与破坏时间的曲线来确定。根据聚乙烯管的长期静液压强度（MRS） ，国际上将聚乙烯管材料分为 PE32、PE40、PE63、PE80 和 PE100 五个等级。目前国际上使用量最大的管材树脂的 MRS值为 8.0MPaPE80 级，而 MRS 值为 10MPaPE100 级的管材树脂的已开发成功，这种树脂采用双峰分布、己烯共聚技术，在提高长期静液压强度的同时，也提高了耐慢速裂纹增长和耐快速开裂扩展性能，并具有良好的加工性，为提高管网输送压力、增大管道口径、扩大管道应用范围创造了条件。目前 PE100 的管材使用量，特别是在大口径管材上的用量，正在迅速上升。表 1 列出了目前欧洲 PE100 级聚乙烯燃气管道实际使用压力。表 1. 欧洲 PE100 级聚乙烯燃气管道实际使用压力国家 英国 比利时 法国 荷兰 西班牙 尺寸比SDR 11 17.6 17.6 11 11 使用压力Mpa 0.70.5 0.4 0.8 0.7目前国外正在尝试将 SDR11 的聚乙烯燃气管的使用压力提高到 1.0Mpa。三、 聚乙烯燃气管材的特点聚乙烯燃气管道具有许多卓越的特性，如耐低温，韧性好，刚柔相济。因而在一些特殊用途中更是大显身手，因为在这些领域中，传统材料管子，不是不适用，就是费用大，而且还不能保证管道的安全使用。如钢管、铸铁管最大的问题是在使用期内，普遍发生的腐蚀和接头泄漏。聚乙烯管则具有明显的优点，圆满地解决了传统管道的腐蚀和接头泄漏两大难题。如作为室外线路管敷设在腐蚀性的土壤中，地震地区、山地和沼泽地区；作为承插管插入旧管道中修复、更新旧管道。由于与众不同的施工特点，往往为用户带来巨大的经济效益。如美国资料报导，聚乙烯管安装费用低于钢管道安装费用 50，而穿插法又比聚乙烯管直接埋地法节约 30-40。聚乙烯管的主要优点体现在：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。 ，本质上保证接口材质、结2.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）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.高韧性。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。也是一种抗震性能优良的管道。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 PE 管在燃气领域的使用。4.聚乙烯管具有优良的挠性。聚乙烯的挠性是一个重要的性质，它极大地增强了该材料对于管线工程的价值。聚乙烯的挠性使聚乙烯管可以进行盘卷，并以较长的长度供应，不需要各种连接管件。用于不开槽施工，聚乙烯管道的走向容易依照施工方法的要求进行改变；聚乙烯材料的挠性，使其可在施工前改变管材的形状，插入旧管后恢复原来的大小和尺寸。5. 聚乙烯管道具有良好的抵抗刮痕能力。采用不开槽施工技术，无论是铺设新管或旧管道的修复或更新，刮痕是无法避免的。刮痕造成材料的应力集中，引发管道的破坏。管材抵抗刮痕的能力，与管材的慢速裂纹增长SCG行为关系密切，研究证明，PE80 等级的聚乙烯管具有较好的抵抗 SCG 的能力和耐刮痕能力。PE100 聚乙烯管材料则具有更加出色的抵抗刮痕能力。6. 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m/秒的速度迅速增长，瞬间造成几十 m 甚至上千 m 管道破坏的大事故。快速开裂是一种偶发事故，但其后果是灾难性的。早在五十年代，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。因而近 10 年来，国际上对塑料管道， 特别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，在常用的塑料管材中，聚乙烯抵抗裂纹快速传递的能力名列前茅。如 UPVC 的动态断裂韧性 KD 为 1.8MNm-3/2，PP-R 的 KD 为 1.6MNm-3/2，而 PE80 的 KD 则为2.9MNm-3/2，PE100 的 KD 则高达 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 PE100 管更适宜做大口径管。目前，国外的聚乙烯燃气管材标准（ISO4437-1997 和 EN1555）已将耐快速开裂扩展（RCP）列入标准之中。7. 聚乙烯管道使用寿命长，可达 50 年以上，这是国外根据聚乙烯管材环向抗拉强度的长期静水压设计基础值HDB确定的，已被国际标准确认。此外，聚乙烯管道重量轻也是一重要因素。四、 聚乙烯燃气管道系统的设计 、聚乙烯燃气管道强度计算（一）做为工程管道，应有两个重要的指标，即长期使用性能及使用的安全性。当代聚乙烯管道的生产者完全可以提供真正称之为工程塑料的管材和管件，是缘于两个极为有力的后盾。一个是原材料供应者的高度先进技术的支持；一个是科学而严谨的设计思想。在当代高分子材料科学技术进步支持下，聚乙烯管材树脂的合成技术和性能不断取得进展，管材长期使用性能 如日益提高， 1989 年分子量分布呈双峰型的 PE100 级管材树脂的出现，将聚乙烯管材料推到了一个崭新的高度。同时，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 是指连续施加在该聚 该值是管材结乙烯树脂制管管壁上 50 年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力。构设计的基础。聚乙烯管材结构设计的 ISO 方程：SDRde/e 公式（1）P 公称压力MPa 设计应力MPaSDR 标准尺寸比de 管公称外径e 管公称规定壁厚管材设计应力的求取：公式（2）设计系数C：保证管道满负载运行时还有一定的安全度。 、我国聚乙烯燃气管道工程技术规程设计系数（二） 对不同种类燃气的设计系数做我国聚乙烯燃气管道工程技术规程是根据 PE80 级管材来考虑，出如下规定：表 2.不同种类燃气的设计系数燃气种类 SDR11 SDR17.6 天然气 4 8 液化石油气（气态） 16 / 不含冷凝液的气态液化石油气 5.33 / 人工煤气 320 / 不含冷凝液的人工煤气 8 /根据以上设计系数，在我国聚乙烯管道输送不同种类燃气的最大允许工作压力如下：表 3.不同种类燃气的最大允许工作压力燃气种类 最大允许工作压力 （Mpa） SDR11 SDR17.6 天然气 0.4 0.2 液化石油气（气态） 0.1/ 不含冷凝液的气态液化石油气 0.3 / 人工煤气 0.005 / 不含冷凝液的人工煤气 0.2 /我国燃气管道的施工技术规程的编制说明中也明确：我国允许使用压力时按工作温度 20，使用寿命 50 年，管道环向应力为 8.0 Mpa（长期静液压强度） ，安全系数不小于 4 等 4 个条件来确定的。在安全性能得到保证的情况下，改变以上条件中的任意一个，最大允许工作压力可以提高，也就是，经过充分论证，设计系数可以调整。五、 聚乙烯管材、管件的生产、型号规格及种类 、聚乙烯管材的生产及型号规格（一）聚乙烯管材的生产在挤出生产线上进行，目前国内几个主要生产厂家都选用进口生产线，基本上实现了全自动控制，能够自动上料、自动计量进料、自动切割和卷曲，产品质量更加稳定，生产效率明显提高。聚乙烯燃气管材国标目前分为 SDR11 和 SDR17.6 两个系列，管材的颜色有两种，一种为黄色管，一种是黑管加黄条。规格从 20mm250mm；目前国内已应用的最大规格到400mm。最新发布的 ISO 标准和欧洲标准已将管材的公称外径扩大到 630 mm。管材的规格及尺寸偏差见下表：表 4 聚乙烯管材的规格尺寸表 单位：mm公称外径 De 壁厚 e 备注 基本尺寸 允许偏差 SDR17.6 SDR11 基本尺寸 允许偏差 基本尺寸允许偏差 20 lt0.30 2.3 0.40 3.0 0.40 25 0.30 2.3 0.40 3.0 0.40 32 0.30 2.3 0.40 3.0 0.40 40 0.40 2.3 0.40 3.7 0.50 50 0.40 2.9 lt0.40 4.6 lt0.60 63 0.40 3.6 0.50 5.8 0.70 75 0.50 4.3 0.60 6.8 0.80 90 0.60 5.2 0.70 8.2 1.00 110 0.60 6.3 0.80 10.0 1.10 125 0.60 7.1 0.90 11.4 1.30 140 0.90 8.0 0.90 12.7 1.40 160 lt1.00 9.1 1.10 14.6 1.60 180 1.00 10.3 1.20 16.4 1.80 200 1.20 11.4 1.30 18.2 2.00 225 1.40 12.8 1.40 20.5 2.20 250 1.50 14.2 1.60 22.7 2.40 315 1.80 17.9 1.90 28.7 3.00 355 2.00 20.2 2.20 32.3 3.40 400 2.20 22.8 2.40 36.4 3.80注：备注栏中带号的为目前国内常用规格 、聚乙烯管件的品种（二）聚乙烯管件根据施工方法、用途的不同，可分为电熔管件和热熔管件。根据生产方式的不同，可分为注塑管件和焊制管件两大类。大部分管件都可以采用注塑模具一次成型，但对于一些壁厚、体积、重量都较大的管件，可采用管材焊制加工的方法制造。采用焊制方法生产的管件一般有三通、四通和弯头，公称尺寸范围随着管材扩大；采用注塑方法生产的热熔管件有法兰、变径、弯头、等径三通、异径三通和端帽；电熔管件也是采用注塑方法生产的，其种类有电熔套筒、电熔变径、电熔弯头、电熔三通、电熔鞍型三通、电熔鞍型分支和端帽等；目前，国内常用的管件规格见下表：表 5.聚乙烯管件规格型号单位：mm管件名称 规 格 热熔管件 法兰头 32 40 50 63 75 90 110 125 160 200 225 250 315 三通32 40 50 63 75 90 110 125 160 900 弯头 32 40 50 63 75 90 110 125 160 端帽 32 40 5063 75 90 110 125 160 200 225 250 315 变径 40/32，50/32，50/40，63/32，63/40，63/50，75/50，75/63，90/63，110/50，110/63，110/90，125/110，160/90，160/110，200/160，225/160，225/200，250/200，250/225，315/225，315/250 电熔管件 套筒 32 40 50 63 7590 110 125 160 200 225 250 315 三通 32 40 50 63 75 90 110 900 弯头 32 40 50 63 7590 110 修补马鞍 63 75 90 110 125 160 200 225 250 变径 40/32，50/32，50/40，63/32，63/40，63/50，90/63， 110/63，110/90 鞍型三通 63/32，63/40，90/32，90/40，90/63，110/32，110/40，110/63，160/32，160/40，160/63，200，40，200/63，225/40，225/63，250/40，250/63 鞍型分支 125/63，160/63，200/63，200/90，250/63，250/90六、 聚乙烯管材的性能指标及检测 标准来生产，目前我国对聚乙烯燃气管材按 PE80 级原料按照 GB15558.1 燃气用聚乙烯管材管材的性能指标见下表：表 6.聚乙烯燃气管材的性能指标 序号 项目 性能要求 1 长期静液压试验，MPa（20，50年，95） 8.0 2 短期静液压强度，MPa 20 9.0韧性破坏时间（h）gt100 80 4.6脆性破坏时间（h）gt165 4.0破坏时间（h）gt10002） 3 热稳定性，min（200） gt20 4 耐应力开裂，h（80，4.0MPa） 1000 1703） 5 压缩复原，h（80，4.0MPa） gt170 6 纵向回缩率，（110） 3 7 断裂伸长率， gt350 8 耐候性（管材累计接受3.5kMJ/m2 老化能量后） 仍能满足本表第 2、3、7 项性能要求，并保持良好的焊接性能燃气管道作为城市的能源输送系统一旦出现质量问题，会直接影响到居民的正常生活。再者，由于燃气的可燃性、易爆性，如果发生燃气泄露，极易发生爆炸事故。聚乙烯管材取代钢管、铸铁管，作为城市燃气输配管线，同样要求其安全性。要保证产品质量满足标准要求，就必须具有完善的检测手段。而且产品的质量控制从原料进厂检验开始贯穿于整个生产过程，直至产品最终出厂。质量控制主要从以下几个方面进行：1 原料的质量控制原料是生产聚乙烯管材、管件的根本，原料的选择直接影响管道产品的质量。没有好的原料，后续工作再合理，生产技术再先进，也生产不出合格的产品。因此原料的选择及质量控制十分重要。原料在生产前必须按标准要求进行检验，合格以后方可用于生产。聚乙烯原料性能指标见下表：表 7.PE 燃气管材专用料基本技术指标要求序号 项 目Items 技术要求Typical Value 单位Units 1 密度Density 930 kg/m3 2 断裂伸长率Elongation at Break gt500 3 热稳定性（200 ）Oxidation Induction Time （200 ） gt20 min 4 耐环境应力开裂（F50）Environmental Stress crack Resistance 1000 h 5 炭黑