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1、1开发大直径增强塑料压力管的探索 张玉川 吴念2015-10摘要大、中直径中、低压力管是个大市场, 但是至今热塑性塑料管的份额还很小。原因是性能有差距，用材料太费并且连接不方便。国内外都在探索开发大直径增强塑料压力管，新出现的增强材料-连续纤维热塑性塑料增强带 CFRT，给塑料管业带来了新机遇。国内探索开发的大直径连续玻纤带增强聚乙烯管 CGF-PE 已经有试验产品。本文介绍笔者对国内开发 CGF-PE 管的市场定位、结构设计、力学分析、性能要求、工艺设备、质量控制等方面的建议，并讨论 CGF-PE 管的竞争优势、缺点和进一步改进的可能性。大、中直径中、低压力管是个用量很大，要求很高的重要市场
2、。主要是输水管道，包括水利工程中的长途输水管道，市政工程中的引水，给水管道，有压排水管道，工业、矿山、海水淡化和石油天然气开采中的各种输水、输浆管道等。大部分直径在 800-2000mm 范围，工作压力在 0.4-1.6MPa 范围。大部分埋地铺设，小部分地面铺设。这个市场是国内外热塑性塑料管道业都在努力争取的，但是至今热塑性塑料管在这个市场是份额还很小。中国塑料管高速发展二十多年，在很多领域内已经被广泛应用。然而在大、中直径中、低压力管市场上至今应用有限。虽然我国早已有生产直径 1600mm HDPE 实壁管的能力，也有大直径 HDPE 压力管工程的实绩报道，但是我国大、中直径中、低压力管市
3、场仍然是传统管道的天下，主要是球墨铸铁管、焊接钢管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)和玻璃纤维增强塑料夹砂管(RPMP)四类。我国塑料管业目前通用产品严重供过于求，迫切需要通过技术创新开拓新市场。建议塑料管业深入分析研究塑料管至今难以进入大、中直径中、低压力管市场的原因，积极探索突破的方案，争取为塑料管业打开更广阔的发展空间。1 目前的塑料管难以进入大中直径中低压力管市场的原因1-1 塑料实壁管不能完全满足管道性能要求：1-1-1 聚氯乙烯 PVC 管道：因为聚氯乙烯树脂流动性差难以制造很大直径实壁管，全球大量使用的硬聚氯乙烯 PVC-U 压力管直径在 800mm 以下。目前国外生产的 PVC-
4、U 管道最大直径 1200mm(美国和加拿大 )。生产的 PVC-O 管道最大直径 800mm(西班牙)。国内生产的 PVC-U 压力管最大直径不到 800mm。最近美国 JM Eagle 公司在我国建立了“泉恩高科技管业”，产品有直径 800-1200 mm(压力 0.63-0.8MPa )的2PVC-U 管，有报道已经开始进入 1200mm 以下直径中、低压力管市场。1-1-2 高密度聚乙烯 HDPE 管道：因为聚乙烯树脂流动性好可以制造很大直径实壁管，国外报道生产的 HDPE管道最大直径达到 2500mm。国内报道生产的 HDPE 管道最大直径 1600mm。但是由于 HDPE 的强度比
5、较低，需要较大的壁厚，大直径 HDPE 管只能应用于承受压力低的领域。下表是采用性能最好的混配料 PE100 制造的聚乙烯实壁管在不同直径不同压力下要求的壁厚 en：dn 800 dn 1000 dn 1200 dn 1600 dn 2000PN 0.4 SDR41 19.5 24.4 29.3 39.0 48.8PN 0.6 SDR26 30.6 38.2 46.2 61.5 76.9PN 0.8 SDR21 38.1 47.7 57.1 76.2 95.2PN 1.0 SDR17 47.4 59.3 67.9 94.1 117.6PN 1.6 SDR11 72.7 90.9 109.1 1
6、45.5 181.8可见直径 800-2000mm 压力 0.4-1.6 的 PE100 实壁管要求壁厚很厚，挤出50mm 以上的聚乙烯管是很困难的，将在设备、机头、原料、操作等方面提出很高的要求。主要原因在塑料的熔垂性(从机头模口挤出的熔融体受到重力影响，会向下流动，影响管壁厚度的均匀分布)。近年来开发了低熔垂 的混配专用料，才开始挤出生产壁厚在 50mm 以上的聚乙烯厚壁管，最厚在 100mm 左右。虽然国外报道挤出生产 HDPE 管的最大直径可达到 2500mm，最大壁厚有超过 100mm 的，但是实际上应用的都是压力低的管道，如引入和排出海水的管道。例如 Borouge 在中东工厂的
7、1600mm 海水管道壁厚是 61.5mm (SDR26)。葡萄牙一渔场用 PIPELIFE 生产的 2000mm 海水管道壁厚是 76.9mm (SDR26)。耐压都在 0.6MPa 以下。1-2 大直径高密度聚乙烯 HDPE 管道连接不方便高密度聚乙烯（HDPE）管道绝大部分采用熔接，对接熔焊或用电熔管件。熔接有许多优点，但是用到大直径 HDPE 管就即不方便又不很可靠了。用电熔管件连接必须保证管件和管材之间的间隙适当并均匀，而且为保证熔接质量还要求管材表面刮去氧化层，这在大直径管材、管件上很难做到。用对接熔焊需要很笨重的焊接设备和严格的焊接工艺。完成大直径管的一个焊接点往往需要几个小时。
8、而且焊接的质量难以检测。虽然近年探索开发了利用超声波，微波技术的多种无损检测技术，至今仍因不够可靠没有被普遍采用。目前市场上市场上大、中直径中、低压力管主要是球墨铸铁管、焊接钢管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、玻璃纤维增强塑料夹砂管(RPMP)等。这些管道多数采用胶圈密封承插连接，尤其是直径较大时。大直径聚乙烯管对接熔焊设备3球墨铸铁管多采用胶圈密封的承插连接(滑入式柔性接口，T 型) ，以及法兰连接、机械压紧承插连接等连接方法，应用最多是承插连接。早期中低压输水钢管习惯采用焊接(高压输油气的钢管必须采用焊接)。通过国内外长期实践中积累的经验教训，近年越来越多采用胶圈密封的承插连接。原因在于
9、野外现场进行焊接往往不容易保证质量。近年我国大量采用 PCCP，据工程界专家分析一方面是因为 PCCP 的性能/价格比有明显优势，另外一方面是因为采用胶圈密封的承插连接，特别是其钢制的承口插口尺寸精密(配合间隙很小) 可以保证良好的密封。玻璃纤维增强塑料夹砂管的连接有胶圈密封的承插连接，承插粘接，法兰连接，对接(现场包糊固化 )等。而大、中直径中、低压力的玻璃钢管大都采用承插连接。各种大、中直径中、低压管道的长期工程实践证明：如果设计合理，配合精度合理，胶圈密封的承插连接可以保证管道密封的长期可靠性，同时具有方便铺设和维护的突出优点。但是，不增强的聚乙烯实壁压力管是采用承插连接的(无压排水用聚
10、乙烯结构壁管可以用)。原因在聚乙烯的蠕变性能，聚乙烯承口插口的蠕变会使胶圈密封件失去必要的压缩。1-3 塑料实壁管用材料太费，价格太高目前国内能够应用于大、中直径中、低压力管只有 HDPE 实壁管。因为强度低所以需要较大的壁厚，造成管材价格高。以下在同样直径和压力要求下粗略比较 HDPE 实壁管和四种传统管材的价格(仅供参考)。可见塑料实壁管的价格明显高于传统管材。直径 1000mm 压力 1MPa 各种管材的价格比较：壁厚 mm 米重 kg/m 每米价格元/m 价格元/kg 比较HDPE 实壁管 SDR17 59.3 163 2804 17.2 1球墨铸铁 K9 级 13.5 336 153
11、6 0.55焊接钢管 1384 0.49PCCP PCCPL 80 700 960 0.34玻璃钢管 1323 0.47注：上表中四种传统管材的每米价格是根据工程专业期刊“特种结构”2011 年 8 月一文玻璃钢夹砂管的性能对比及其在长距离输水工程中的应用 1中提供的管材的单位综合造价比较 。该文中没有 HDPE 实壁管的价格，上表中 2804 元/m 是根据塑协管道委员会 CPPA 发布的 塑料管道产品行业指导价格(2014年第 2 号） 给水用 PE 管材：17200 元/吨，和米重 163 kg/m 计算出来的。总之，停留在不增强塑料实壁管的基础上想打开大、中直径压力管市场是不太可能的。
12、不增强塑料实壁管应用于这个领域的机会只在很低压力情况下 (如排海管道)或用作传统管材的防腐衬管。球铁管钢管PCCP玻璃钢管42 国内外开发大中直径中低压塑料压力管的探索全球塑料管业都一直在推动塑料管进入大、中直径中、低压力管市场。以下简要介绍国内外在这方面的探索。2-1 探索提高树脂性能改进工艺设备开发大中直径压力管。全球塑料原材料产业一直在探索提高树脂性能。希望能够生产出强度更高的树脂，让塑料管能够顺利进入大、中直径压力管市场。管道用 HDPE 树脂早期发展中强度等级增长较快，从 PE40、PE63 、PE80到 PE100 仅仅用了 30-40 年。但是近二十多年一直停留在 PE100，盼
13、望已久的 PE125 至今仍然不能进入规模工程应用阶段，HDPE 管的最小要求强度MRS 仍然限制在 10MPa 的水平上。近年低熔垂树脂 PE100 的开发使管壁的厚度可以提高到 100mm 左右，扩大了 HDPE 实壁管的直径和压力范围。国外已经有了制造 DN2500mm 的HDPE 实壁管生产线(Pipelife Norge)，国内也成功为外商制造了 DN2600mm的 HDPE 实壁管生产线（双林）。但是实际上应用于较大直径的都还局限在压力很低的场合。聚氯乙烯管的强度近年也没有增长，硬聚氯乙烯 PVC-U 管的 MRS 仍然在25 MPa，但管材直径增加到了 1200mm。取向聚氯乙烯
14、 PVC-O 管近年有发展，MRS 最高等级到 50 MPa，但是最大直径到 800mm，估计不容易再增大。总之，希望通过塑料树脂强度的提高和实壁管工艺设备的改进让热塑性塑料管打开大、中直径压力管市场的希望不大。2-2 探索大直径钢增强聚乙烯压力管因为长期来国内塑料的原料价格偏高(相对钢材价格和劳务价格)，和国外不同，国内很早在中、低压管道领域采用钢丝增强聚乙烯管。目的主要在减少树脂消耗，降低成本。其中钢丝增强聚乙烯管(CJ/T187)应用最早、最广，主要在中小直径范围。近年最大直径已经达到 1000mm。但是只能采用电熔套连接，直径越大，难度也越大。国内也还有企业在探索开发其他类型的大、中直
15、径钢增强聚乙烯压力管，但至今没有见到较成熟的产品。分析原因是因为钢和聚乙烯不能很好粘合，采用钢丝增强并用粘接树脂作为中介可以实现比较可靠的粘接，但是界面的性能指标非常有限，并且存在使用温度对粘结强度的影响和防腐蚀等问题。估计这个技术瓶颈很难突破。2-3 探索短玻纤增强减少壁厚，采用缠绕熔接成型代替直接挤出德国 KRAH 公司十多年来一直在探索用聚乙烯缠绕熔接成型内衬层+玻纤增强层+的聚乙烯缠绕外保护层的方法制造大、中直径聚乙烯压力管。KRAH 公司开发的玻纤增强聚乙烯(glass fibre reinforced polyethylene)管（被称为 PE-5GF 管）在国外已经进入市场。国内
16、也已经有人在开始试制。PE-GF 管是三层结构，内、外层 PE100，中间层是短玻纤增强聚乙烯，采用缠绕熔接成型。内径可到 4m，因 PE-GF 管厚度比同等压力等级的 PE100管减少近 50%。PE-GF 管可以对接熔焊和承插电熔等优点。这种管材近年已经在比利时、土耳其、哥伦比亚和日本 2等地应用。而且已经已进入 DIN 和ASTM 标准。（DIN SPEC 196743，ASTM F2720/ F 2720M4）。可见其可靠性已经得到肯定。右图是KRAH 公司为澳大利亚生产的 DN4000 1MPa SN8 PE-GF 管。KRAH 公司开发 PE-GF 管的贡献在于表明生产热塑性塑料压力管不一定非要采用传统的直接挤出法，是可能采用缠绕熔接的方法制造的。这就为开发大直径塑料压力管解除了约束，但是 KRAH 公司开发的 PE-GF 管并没有被广泛接受。根据该公司 2013 年报告，至今全球生产 PE-GF 管的 DR 生产线仅 9 条。笔者分析原因是采用短玻纤增强后，增强效果并不高：最高等
