PE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，智能焊机对焊口全方位追踪与质量保障，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市政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：第一阶段从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]；第二阶段自 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；第三阶段：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/T 13663.2-2005、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）长期静液压强度与最小要求强度：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，进而获得最小要求强度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、严重的冲击等极端作用而导致管材沿轴向以极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P_C值大小直接关系到管道系统最大工作压力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（最新）中SCG性能由165h提高至500h,极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，以保障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×e_y,min

    式中  k——压扁系数（对于d_n≤250mm，k=0.8；对于250mm＜d_n≤630mm,k=0.9）;

          e_y,min——最小壁厚。

    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，详细差异对比见表1。

    表1  性能差异对比

性能		单位	GB/T  13663-2000 GB/T 13663.2-2005	EN  12201 （系列）		ISO 4427 （系列）	GB/T 13663系列（最新）
材料	原料	--	混配料 （PE 63：白+黑）	混配料		混配料	混配料
	等级	--	PE63、PE80、PE100	PE80、PE100		PE80、PE100	PE80、PE100
	密度	kg/m3	--	≥930 （混配料）		≥930 （混配料）	≥930 （混配料）
	熔体质量流动速率（MFR）	g/10  min	最大偏差不应超过混配料标称值±25%	0.2～1.4,最大偏差为混配料制造商标称值±20%		0.2～1.4,最大偏差不应超过混配料称值的20%	0.2～1.4,最大偏差不应超过混配料称值的20%
	氧化诱导时间	min	＞20（200℃）	＞20（200℃）		＞20（200℃）	＞20（210℃）
	灰分	%	--	--		--	0.08%（质量分数）
	挥发份 含量	mg/kg	--	≤350		≤350	≤350
	水分含量	mg/kg	--	≤300		≤300	≤300
	炭黑/颜料分散	外观 等级	--	A1,A2,A3或B		A1,A2,A3或B	A1,A2,A3或B
	炭黑颗粒尺寸	nm	--	10 ～ 25		10  ～ 25	10  ～ 25
	耐气体 组分	h	--	≥20		≥20	≥20
	耐候性 (非黑色)	--	（管材性能）	静液压强度80℃，≥1000h，断裂伸长率≥350%；电熔接头剥离强度-脆性破坏百分数，≤33.3%
	耐快速裂纹扩展（RCP）	MPa	--	Pc≥MOP 且PC=3.6 PC,S4+2.6	Pc≥MOP 且PC=3.6 PC,S4+2.6		Pc≥MOP 且PC=3.6 PC,S4+2.6
	耐慢速裂纹增长（切口试验）	h	--	≥500	≥500		≥500
	对接熔接拉伸强度	--	--	韧性-通过；脆性-未通过	韧性-通过；脆性-未通过		韧性-通过；脆性-未通过
	拉伸标称应变	%	--	--	--		≥350
	拉伸屈服应力	MPa	--	--	--		PE80：≥18 PE100：≥21
管材	静液压强度	MPa	PE 100：12.4 (20℃、100h)	PE 100：12.0 (20℃、100h)	PE 100：12.0 (20℃、100h)		PE 100：12.0 (20℃、100h)
	熔体质量流动速率	g/10  min	--	加工前后MFR变化不＞20%	加工前后MFR变化不＞20%		加工前后MFR变化不＞20%
	氧化诱导时间	min	＞20（200℃）	＞20（200℃）	＞20（200℃）		＞20（210℃）
	灰分		--	--	--		≤0.1%
	耐慢速裂纹增长（锥体试验）	--	--	＜10mm/24h	＜10mm/24h		＜10mm/24h
	耐慢速裂纹增长（切口试验）	h	--	≥500	≥500		≥500
	耐候性	--	有	--	--		--
管件	电熔鞍形管件的熔接强度	--	韧性:通过 脆性:未通过	Ld≤50%和 Ad≤25%	Ld≤50%和 Ad≤25%		Ld≤50%和 Ad≤25%
	氧化诱导期	min	＞20（200℃）	＞20（200℃）	＞20（200℃）		＞20（210℃）
	灰分	%	--	--	--		≤0.1（质量分数）

2.3系统性性能要求的发展

对混配料及制品提出了各项性能要求，但不能割裂开来去理解，应针对各种特性和相关要求，进行全面综合评估。依据标准要求，不仅应符合材料性能，产品（管材、管件）性能，同时还需符合同种/不同种材料的兼容性要求及系统要求，以确保其管道系统性能和使用寿命。GB/T13663.5-2018《给水用聚乙烯（PE）管道系统  第5部分：系统适用性》参考ISO 4427-5增加了系统适用性，对此进行规定，以避免不同材料、施工环境温度对管道系统造成影响。

2.4智能焊机的发展

聚乙烯给水管道的连接方法与传统的钢管和铸铁管不同，需要专用的焊接设备和工具进行焊接，焊口质量的优劣直接关系到管网输配系统的安全和寿命，近年来，焊机从手动焊机、半自动焊机，发展为全自动（电熔、对接）焊机，通过自动化来提升质量，但焊接还会受到人员、设备、工艺、参数、焊口位置等方面的影响，必须用控制焊接全过程的办法来保障焊口质量，现开发的智能焊机利用物联网技术，实现焊机和手机终端无线连接，实现（管材、管件、设备、人员）信息采集、自动焊接、数据上传、焊口位置定位，通过对焊口全方位进行追踪与质量保障。工程管理者可以足不出户就能实时了解工程进展和施工质量，并一劳永逸地解决管网的精准位置，为未来实现智慧管网打基础。       

3 管道快速修复得到广泛应用

近年来，传统的开挖敷设管道施工法因给城市带来不便和市政管理的严格要求已愈来愈受到限制，非开挖施工技术不断发展和普及，同时随着PE100RC材料（高耐慢速裂纹增长、高耐快速裂纹扩展）、包覆管的出现，能更好地满足非开挖技术的要求，尤其在较大口径其他材料的管道修复方面，这些为充分发挥聚乙烯（PE）的优势，为实施不宜开挖路段旧管更新修复创造了机遇和条件。现非开挖敷设地下管道的方法有顶管法、水平定（导）向钻进法、冲击矛法、水平螺旋钻进法、冲击钻进法、小口径顶管施工法等。

4  结语

聚乙烯（PE）给水管道的应用是一个系统工程，通过聚乙烯原料不断发展，严谨而科学的长期使用设计理念，高度成熟的制造设备和挤出工艺，与管材同步发展的多品种配套管件，管道连接和大量成功实践及完备的标准体系，标志了聚乙烯管道发展的高度成熟。对于系统安全而言，材料是根本，产品是基础，施工是保障，运行是关键，只有依据通过准GB/T 50332、GB/T 13663（系列）、CJJ 101等一系列设计、产品、施工标准及相关基础方法标准，提升系统性的管理与更新，才能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。

 

 

参考文献

[1] 王选伦，等；聚乙烯管材专用料的现状及发展展望，工程塑料应用，2003.05

[2] GB/T 13663.1—2017 《给水用聚乙烯（PE）管道系统 第3部分：管件》

[3] GB/T 13663.2—2018 《给水用聚乙烯（PE）管道系统 第3部分：管件》

[4] GB/T 13663.3—2018《给水用聚乙烯（PE）管道系统 第3部分：管件》

[5] ASTM D 3849-07,Standard Test Method forCarbon-Morphological characterization of carbon Black using ElectronMicroscopy[S]

[6] 《城镇燃气聚乙烯（PE）输配系统》第二版，2011年

 

 

作者个人简介

 

李瑜，工程师。亚大集团标准信息化部经理。

长期从事塑料管道开发与应用工作，起草或参与起草10余项国家标准，起草国家标准《埋地排水排污用聚丙烯（PP）结构壁管道系统 第2部分：聚丙烯缠绕结构壁管材》、GB/T 13663.3-2018《给水用聚乙烯（PE）管道系统 第3部分：管件》，参与起草国家标准《埋地排水排污用聚丙烯（PP）结构壁管道系统第1部分：聚丙烯双壁波纹管材》及GB/T 13663.1、GB/T 13663.2、GB/T 13663.5和相关基础方法标准的制定工作。

在聚乙烯、聚丙烯管道方面具有多年研究经验，在专业期刊上发表多篇论文并取得了多项专利。