聚乙烯给水管道系统发展与应用

聚乙烯给水管道系统发展与应用
摘要：
介绍了塑料管道系统发展，分析与管道系统相关的材料、产品，系统适用性等各项技术要求，重大技术修改点以及对管道系统的影响，智能焊机对焊口*追踪与质量**，管道快速修复的广泛应用等，保证与提升整个管道系统质量，进而推动给水用聚乙烯（PE）输配系统的良好发展。
关键词：聚乙烯、性能发展、智能、适用性
 
1 前言
早在20世纪30年代欧洲等发达国家就开始生产应用塑料管道，我国80年代初期开始系统地研究聚乙烯管道在**工程中应用并逐步扩展，虽起步较晚，但随着高分子材料的发展及产品技术性能提高，在我国发展十分迅速，但近年来随着个别问题工程的出现，行业对聚乙烯给水管道产品产生质疑，甚至影响到聚乙烯管道的市场推广及应用，部分领域开始限制塑料管道应用。
本文通过对塑料管道系统研究，分析材料、产品、系统性能、施工等各项要求对管道系统的影响，解决行业内对聚乙烯给水管道系统的问题，提升管道整体运行质量，进而推动给水用聚乙烯（PE）输配系统的良好发展。
2. 聚乙烯给水管道系统发展
2.1材料发展历史
聚乙烯发展可分为三个阶段：**阶段从20世纪50年代到70年代， PE63以下等级的PE材料，仅考虑了50年的承压能力[1]；*二阶段自 20 世纪 80 年代初到 90 年代，PE80级材料，50年寿命期内不出现脆性破坏，通过引入共聚单体来满足高环境应力开裂性能和综合的柔韧性和长期强度性能；*三阶段：自20世纪 90 年代初至今，研制出用双峰共聚工艺生产的PE100 材料，具有较好的耐慢速裂纹增长性能和抗快速裂纹扩展性能。在50年寿命、承压能力、耐快速开裂、耐慢速开裂等方面适时满足了市场的需求，同时降低了管道壁厚，大大推进了聚乙烯管材在给水输配领域的应用，使聚乙烯管材在给水输配系统的应用迈上一个新的台阶。近年来，引入了性能更优异的耐慢速裂纹增长的PE100-RC材料、具有更好的耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展等性能。
2.2材料及产品性能发展
    在混配料生产企业的不断研发创新与市场应用需求的相互作用下，混配料生产企业的产能和规模不断扩大，客观形势要求相关国家标准应随之更新和发展。2017～2018年陆续发布的现行国家标准GB/T 13663.1（总则）、GB/T 13663.2（管材）、GB/T 13663.3（管件）、 GB/T 13663.5（系统适用性）的制定依据ISO 4427（系列:2007已发生较大变化，对各项性能提出了更好要求。欧洲标准EN 1222(系列)也更新为2010年[2,3,4]。对GB/T 13663与GB/T 13663-2000/GB/T13663.2-2005一ISO4427(系列):2007、EN12201(系列):2010中重要性能要求进行分析：
1）增加混配料及相关要求。黑色混配料，即要求其树脂中炭黑含量为2%～2.5%，添加炭黑的目的一是着色，另一方面起到对紫外光的屏蔽，减少对树脂破坏。添加炭黑/颜料分散状态对混配料物理性能有较大影响[5]，分散不好，宏观性能如断裂强度、冲击性能等会大幅度下降，同时规定炭黑粒粒子大小，提高混配料的结晶度，表现在密度、弯曲模量的性能的提高。规定单一材料，而非“白+黑”，挤出机螺杆组合对产品的性能有重要影响，组合太弱炭黑分散不好，组合太强，剪切力过大会损伤分子结构，都会造成混配料力学性能下降。因此，为确保产品质量，要求材料为定级的混配料。
2）长期静液压强度与较小要求强度：材料/管材/管件的长期静液压强度是许用应力、压力等级和壁厚等重要参数的计算依据[1]，通过GB/T 18252（或ISO 9080）即可得到长期静液压强度，进而获得较小要求强度MRS。MRS是连续50年时间施加在聚乙烯管壁上引起管材破坏的环向应力，其试验结果是管材性能的关键指标，也是PE 80、PE 100级材料设计基础，关系到20℃条件下使用50年导致管道破坏的应力。国家标准GB/T 13663.1-2018和ISO 4427-1：2007、EN1222-1均要求给水管用材料为PE 80以上等级混配料，删去GB/T13663—2000中规定的PE 63混配料。
    3）增加了耐快速裂纹扩展性能（RCP）。管材内聚集内压的同时受到低温、严重的冲击等较端作用而导致管材沿轴向以较快的速度裂开的偶然性破坏方式。一般温度越低、管道壁厚越后，发生快速开裂的危险性越大,可见混配料临界压力PC值大小直接关系到管道系统较大工作压力MOP的大小。
    4) 增加耐慢速裂纹增长(SCG)。PE管材的慢速裂纹增长主要由管材的某些高应力点引发，如表面小缺陷、施工中产生的凹痕等。因此，一般PE 80级以上的料通常具有相对较高的耐慢速裂纹增长性能，GB/T 13663（较新）中SCG性能由165h提高至500h,较大提高了材料抵抗慢速裂纹增长的能力。
    5 )耐候性。调整为对原材料性能考核，不再是对管材的性能要求。调整了对曝晒后管材试样的试验项目，标准保留了对性能评价既恰当又灵敏的断裂伸长率和静液压强度，但静液压强度原要求80℃/165h改为80℃/1000h项目。同时不再测定热稳定性，而调整为对不同抗氧体系功效的考量——检测曝晒后管材的电熔熔接性能，以重点判断材料经气候和光老化后的性能状况。耐候性是测定原料及产品抗阳光照射不良影响的能力，由此决定着原料及产品的储存条件及储存期。
    6）增加了压缩复原要求，即压缩复原后管材试样的试验要求，将静液压强度原要求80℃/165h改为20℃/100h和80℃/1000h项目。压缩复原性能是检测管材在现场压扁，修复并恢复自然状态后的性能，以**管材修复后管道性能。压缩复原试验对压扁管材的间距L按下列式计算[6]：
L=2×k×ey,min
    式中  k——压扁系数（对于dn≤250mm，k=0.8；对于250mm＜dn≤630mm,k=0.9）;
          ey,min——较小壁厚。
    7）氧化诱导时间由200℃修改为210℃，提高了耐氧化性能要求。
    8）材料/管材、管件中分别增加了灰分要求，材料≤0.08%（质量分数）、管材/管件≤0.01%（质量分数），以此确保加工前后产品质量。
同时在标准中还修改了熔体质量流动速率、挥发分含量，同时增加了拉伸标称应变、拉伸屈服应力等性能指标，以提高管道整体性能