亞大集團公司 王志偉 孫鐵莊 吳源

摘要：近年來，PE管道材料和產(chǎn)品質(zhì)量有了長足進步，在燃氣和給水領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，利用高質(zhì)量PE管的優(yōu)異性能及耐化學性，還可開拓其它市場領(lǐng)域，如市政中水輸送、酸性廢水輸送、廢水處理管道等。本文討論了聚乙烯管道在工業(yè)應(yīng)用的特性及要求，非標準口徑聚乙烯管道的生產(chǎn)技術(shù)及控制要點，分析工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用聚乙烯管道的相關(guān)要求、特點及質(zhì)量控制重要性。

關(guān)鍵詞：PE管道； 工業(yè)應(yīng)用； 工藝改進； 產(chǎn)品質(zhì)量控制

1 工業(yè)領(lǐng)域用塑料管材的一般要求

用于輸送工業(yè)流體介質(zhì)的塑料管道，由于具有獨特的塑料材料分子結(jié)構(gòu)，使其在工業(yè)領(lǐng)域的使用中相對金屬材料顯示出無可比擬的優(yōu)越性。熱塑性塑料的分子鏈是以較強的鏈間(次價)力結(jié)合在一起的，而不是以交聯(lián)體系中特有的化學鍵結(jié)合在一起。因此，熱塑性塑料分子鏈的分離不涉及主價鍵的破壞，溶劑和塑料的相互作用與溶劑同低分子量有機物質(zhì)的相互作用并沒有本質(zhì)的差別。

塑料吸收或解吸流體介質(zhì)的過程有時間依賴性，受它的溶解度和擴散系數(shù)所支配，有些材料到達平衡的時間長得驚人，因此，ISO 4433系列標準《熱塑性塑料管材—耐液體化學物質(zhì)—分類》中規(guī)定根據(jù)由測試材料制成的標準試樣（用于拉伸試驗的類型）取自于管材，試樣完全浸泡到將要試驗的液體化學物質(zhì)中，經(jīng)過一定的浸泡周期，依據(jù)于隨時間變化的試樣質(zhì)量變化、拉伸性能變化（彈性模量、屈服和斷裂強度，屈服和斷裂伸長率）來衡量塑料管道材料在無應(yīng)力情況下對某種流體介質(zhì)的耐化學性能。

在承受應(yīng)力情況下，一些液體（例如潤濕劑）可能會使樣品開裂，而在無應(yīng)力時并不會影響樣品性質(zhì)。通過ISO 4433－1《熱塑性塑料管材—耐液體化學物質(zhì)—分類 第1部分：浸泡試驗方法》的方法獲得的結(jié)果推斷表示如下：“S”：耐浸蝕；“L”：有限的耐浸蝕 ，“NS”：不耐浸蝕。如何根據(jù)工業(yè)流體介質(zhì)種類、溫度、壓力、濃度等條件，正確選擇塑料管道材料，是正確進行工業(yè)用塑料管道系統(tǒng)設(shè)計的第一步，ISO/TR 10358《塑料管材和管件 塑料管材和管件 耐化學性綜合分類表》中提供了管材和管件在無壓力、無應(yīng)力條件下耐化學性的初步分類結(jié)果，可作參考。

輸送工業(yè)流體介質(zhì)的熱塑性塑料管材的管壁可能會同時發(fā)生幾種現(xiàn)象：一方面，管壁吸收液體和/或從管壁中析出可溶解組分；另一方面，化學反應(yīng)也會使管材的特性發(fā)生很大的變化。管材的內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力（例如溫度、壓力、壁厚等）所造成的現(xiàn)象是不同的。因此，要設(shè)計使用塑料管道輸送工業(yè)介質(zhì)，了解塑料材料對某種化學介質(zhì)的相互作用，尤為重要。塑料管材標準化結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計是塑料管道制造和使用的前提，其根本任務(wù)就是在規(guī)定的工況條件下，為了保證若干年使用壽命，要正確選用塑料管道的原料和級別、管道的結(jié)構(gòu)尺寸，運行設(shè)計等內(nèi)容。

2 工業(yè)領(lǐng)域用聚乙烯（PE100）管材的要求

2.1 設(shè)計要求

對于聚乙烯管材應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在設(shè)計計算中可根據(jù)管道材料、設(shè)計溫度、設(shè)計使用年限從圖1中的表中查出聚乙烯對應(yīng)的最小要求靜液壓強度預(yù)測值的置信下限σ_LPL值。若需更精確的值可根據(jù)公式計算得出。設(shè)計應(yīng)力等于最小要求靜液壓強度預(yù)測值的置信下限σ_LPL除以總體使用（設(shè)計）系數(shù)C。也稱為安全系數(shù)法。

式中： σ_S－設(shè)計應(yīng)力 （MPa）；

σ_LPL －管道材料靜液壓強度預(yù)測值的置信下限 （MPa）；

C－總體使用 (設(shè)計)系數(shù)；總體使用(設(shè)計)系數(shù)C即相當于金屬管道設(shè)計中的安全系數(shù)，應(yīng)按公式C=C_M*C_A來確定。C_M 為管道材料的設(shè)計系數(shù)，C_A為管道應(yīng)用的設(shè)計系數(shù)。

圖1 PE100 管材材料最小要求靜液壓強度曲線

ISO 12162給出的聚乙烯管道材料的設(shè)計系數(shù)C_M值為1.25。

圖1中：在10-80℃的范圍內(nèi)，圖中最小要求靜液壓強度值計算公式：

管道應(yīng)用的設(shè)計系數(shù)C_A是一個大于1的值，應(yīng)該在充分考慮到流體工況、安裝環(huán)境及流體的化學性能等因素后，由設(shè)計人員根據(jù)管道各種工況綜合考慮后確定，確保管道設(shè)計有可靠的安全性。根據(jù)經(jīng)驗和實際使用情況一般在1.3-4之間選取。用于低壓、常溫、低濃度的酸、堿、鹽可在1.3-1.5之間選取。對于非常溫或腐蝕性較強的介質(zhì)應(yīng)選取較高的應(yīng)用系數(shù)以保證必要的安全裕度。若工況較為復(fù)雜或有一定危險性時，應(yīng)慎重，不能只用簡單的安全系數(shù)法來進行管道設(shè)計，為安全起見，應(yīng)通過試驗方法（ISO 4433）來取得所用管道材料的基礎(chǔ)應(yīng)力σ_B 。

2.2 性能要求

PE80和PE100材料具有高質(zhì)量優(yōu)異性能、優(yōu)良的耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴展性能，多年來在燃氣和給水上的應(yīng)用優(yōu)勢，也由于其具有的耐化學性、耐腐蝕性，也具有在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的材料基礎(chǔ)優(yōu)勢。對于輸送工業(yè)介質(zhì)用塑料管道，使用的混配料也應(yīng)具有混配料的級別證明，材料應(yīng)按照ISO 9080進行分級評定，按照ISO 1167進行壓力試驗。不同級別聚乙烯管道材料的最小要求靜液壓強度曲線及相關(guān)要求也不同，可參閱ISO 15494。PE80和PE100的力學性能典型值參見表1。

表1 PE80和PE100力學性能的典型值

2.3 耐化學/腐蝕性

在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，管道輸送的流體介質(zhì)名目繁多、成分復(fù)雜。對于腐蝕性介質(zhì)，當沒有成熟的使用經(jīng)驗時，一定要通過試驗確定材料對流體介質(zhì)的耐化學腐蝕系數(shù)f_CR ，再用試驗外推方法得到該腐蝕介質(zhì)在設(shè)計條件下管道材料的基礎(chǔ)應(yīng)力σ_B 。ISO 8584中介紹了試驗方法及確定工業(yè)承壓用熱塑性塑料管材的耐化學系數(shù)和基礎(chǔ)。

a.σ_LPL是管道材料與設(shè)計溫度和設(shè)計使用年限有關(guān)的強度值，但未考慮流體介質(zhì)腐蝕對管道材料強度的影響。通常該值是以水為試驗介質(zhì)取得的；

b.σ_B是已經(jīng)考慮了管道材料輸送介質(zhì)的性質(zhì)，并與設(shè)計溫度和使用年限有關(guān)的強度值。

以上所述σ_LPL和σ_B均為管道材料在某使用條件下要求的最小強度值，是在實驗室條件下得出的結(jié)果，因塑料管材與金屬管材對溫度的敏感性有較大差異，因此往往與實際應(yīng)用環(huán)境有所差別。設(shè)計人員應(yīng)注意到這一點。所以應(yīng)用時需適當考慮環(huán)境影響的安全裕度。

聚乙烯是無極性的飽和脂肪烴長鏈聚合物，這就決定了它對水和各種化學試劑的惰性。常溫下除極少數(shù)溶劑外，幾乎不溶于一般的有機試劑，但脂肪烴、芳香烴、鹵代烴與PE長時間作用時，能使其溶脹。當溫度超過60℃時，有可能被苯、甲苯、醋酸戊酯、松節(jié)油、石油醚、礦物油和石蠟逐漸溶解。PE可溶于四氫化萘和十氫化萘之中。其溶解度與結(jié)晶度、相對分子質(zhì)量有關(guān)，隨著結(jié)晶度與相對分子量的增加而降低。常溫下PE能耐稀硫酸、硝酸及濃度較大的鹽酸、磷酸、氫氟酸、甲酸、乙酸、氨和胺及各種堿、鹽溶液，但不耐強氧化性酸，如濃硫酸、硝酸、鉻酸和硫酸的混合溶液等。當溫度高時，約90-100℃的硫酸、硝酸能迅速破壞聚乙烯結(jié)構(gòu)。因此在考慮壓力管的化學抵抗性時，應(yīng)著重考慮連接的類型、溫度和導(dǎo)致管子最終破壞的機械載荷因素。在敷設(shè)管道時，要避開有此類物質(zhì)的場所。

關(guān)于聚乙烯(PE)管道對于化學介質(zhì)的耐浸蝕性參見ISO/TR10358：1993標準，該標準確立了在一系列溫度范圍內(nèi)對于特定流體的耐化學浸蝕性分級。可按照標準表中給出的不同材料在不同溫度、不同濃度下的耐化學浸蝕性分級數(shù)據(jù)來確定其是否可以應(yīng)用。必要情況下按照ISO 4433系列標準或其他相關(guān)國際標準的耐化學性試驗方法進行評價。

2.4 溫度要求

各種管道材料的使用溫度范圍與原材料品質(zhì)和使用壽命有關(guān)系。通常情況下，PE100推薦的使用溫度范圍為-2～60℃。使用溫度范圍一般只在低壓下適用于水和其它類似液體，在較高壓力下，溫度上限有所降低，取決于流體性質(zhì)和預(yù)期使用壽命的組合。

3 大口徑聚乙烯及非標準管材的生產(chǎn)工藝和控制要點

大口徑聚乙烯管材擠出線在中國的應(yīng)用越來越廣泛，有十余家企業(yè)擁有超過800mm的大口徑擠出線，設(shè)備、原材料、高水平擠出工這三個要素是大口徑聚乙烯管材生產(chǎn)最為重要的環(huán)節(jié)。可靠和冗余的烘料輸料系統(tǒng)、高效穩(wěn)定的擠出和牽引設(shè)備、足夠的真空冷卻定型部分、以良好擠出加工性能的原材料和擁有良好擠出素質(zhì)和豐富經(jīng)驗的擠出工，可以在大口徑管材生產(chǎn)質(zhì)量、成本和效益方面取得最大的優(yōu)勢。生產(chǎn)非標準薄壁管材，需要制定嚴格的生產(chǎn)工藝和控制方式。圖2為兩張管材擠出照片示例。

3.1 大口徑及非標準管材的生產(chǎn)設(shè)備及工藝控制

聚乙烯管材生產(chǎn)線包括擠出機、模頭、真空定徑裝置、定徑模具、冷卻裝置、牽引機、切割機、收集裝置等部分。對于管材擠出而言，以高速生產(chǎn)高品質(zhì)管材為發(fā)展方向。為保證高質(zhì)量擠出產(chǎn)品，要求高扭矩可以保證高擠出量；合理的螺桿直徑可以達到理想的混煉效果，以保證穩(wěn)定的高擠出量；優(yōu)化設(shè)計的聚乙烯管模頭（籃式模頭和螺旋模頭）可以通過改善熔體質(zhì)量來提高管材的質(zhì)量和生產(chǎn)效率；設(shè)計或選擇與聚乙烯相適應(yīng)的螺桿結(jié)構(gòu)和尺寸等。我們目前沒有對擠出機主機部件做改進，而是綜合考慮了熔體溫度、扭矩、背壓等各方面因素，通過對無法滿足大口徑及高速生產(chǎn)的設(shè)備及零件進行改進，考慮牽引機的選型，要求的牽引力大小、切割機鋸臺的進退方式等。

a. 在系統(tǒng)供料方面，選用集中供料的方式，增加取料的靈活性，增加烘料、輸料的冗余系統(tǒng)，以防系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，啟用冗余系統(tǒng)烘料和輸料，減小對擠出生產(chǎn)的影響。

b. 真空定型裝置及冷卻裝置是管材定型的重要設(shè)備，利用真空負壓的作用使管材在較高溫度下保持標準的形狀，并同時進行噴淋冷卻，其優(yōu)劣直接影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和管材內(nèi)外表面的質(zhì)量；真空定型裝置要達到在生產(chǎn)條件要求下的穩(wěn)定真空度、穩(wěn)定的水溫水位控制系統(tǒng)、長期的防腐蝕性能、能提供一定的冷卻能力。對于高速擠出管材及大口徑管材生產(chǎn)，在真空定型裝置之后的冷卻裝置（噴淋箱）是必不可少的，應(yīng)達到強力噴淋（提供一定環(huán)繞管材的均勻冷卻能力），能滿足管材足夠的冷卻長度，使管材通過牽引機后不會破壞圓度，要有穩(wěn)定的水溫水位控制系統(tǒng)。

為達到大口徑管材的擠出要求，我們改造增加了真空定徑箱，同時增加噴淋箱的長度（5×6m），增大了水泵的功率，相應(yīng)地擴大了管路的尺寸。改進真空箱和噴淋箱內(nèi)的噴頭，沿管材圓周均布，使水流以相當高的速度沖擊到管材外壁上，阻止了界面暖水層的形成，增大了冷卻強度并使熱量沿管材圓周傳遞均勻。在每個真空箱和每個噴淋箱的入口端增加噴頭的數(shù)量，增強冷卻效果，采用間隔冷卻方式，即噴淋槽間留有1-2m的距離，使管材內(nèi)壁的熱量向外擴散，管壁外層升溫而內(nèi)層降溫。通過此方式，可顯著減少內(nèi)應(yīng)力，同時增強冷卻效果。見圖3。

c. 牽引機驅(qū)動：我們在調(diào)試試制DN1000 SDR17的管材時，發(fā)現(xiàn)其牽引機變化比較大，通過與設(shè)備供應(yīng)商的溝通，修改了電機驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)，保證了牽引機加、減速的平穩(wěn)，同時更新了程序，將牽引機牽引速度的精度提高，保證了計算米重的平穩(wěn)。

d. 切割機選型：一定要求設(shè)備供應(yīng)商在出廠之前對其進行試切割，多次反復(fù)測試切割機的軟啟動以測試切割機的強度等技術(shù)細節(jié)問題，以確保切割的順利進行。

e. 擠出系統(tǒng)報警設(shè)備：考慮到整條擠出線長度和高度，操作者不易觀察到主擠出機前的報警部分，將其報警分別并聯(lián)至牽引機上方，這樣只要擠出機前方有報警，操作者后方便可立即發(fā)現(xiàn)并處理。

3.2 原材料

大口徑聚乙烯管材的生產(chǎn)對原材料的要求尤為嚴格。因為管材口徑大，在運輸、安裝、使用和維修中都會有后續(xù)需要解決的問題，選擇的原材料必須得到保證。要求有良好的加工擠出性能、抗熔垂性能以及穩(wěn)定如一的原材料性能始終能保證擠出產(chǎn)品性能的合格和穩(wěn)定。

3.3 擠出工藝控制和管理

大口徑聚乙烯管材擠出需要加強工藝控制和管理。每次生產(chǎn)之前，召開擠出會議并由技術(shù)人員與生產(chǎn)班長、技術(shù)工藝員一起確定模間距的大小、加工溫度、生產(chǎn)中的細節(jié)問題等，負責擠出的準備、調(diào)試和經(jīng)驗的總結(jié)。在生產(chǎn)設(shè)備維護方面，技術(shù)與生產(chǎn)合作小組要對設(shè)備進行了水平調(diào)整并固定位置；對氣路、水路進行檢查改進，保證設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性；要求操作者完善對生產(chǎn)過程中的記錄，方便接班人員操作；工藝人員要時刻關(guān)注生產(chǎn)參數(shù)和設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)并對出現(xiàn)的問題采取措施，保證生產(chǎn)順利進行；質(zhì)檢人員要加強產(chǎn)品的抽檢頻次，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄在線檢查，對出現(xiàn)曲線異常的時間段生產(chǎn)的管材進行隔離和確認。圖4為測試人員對DN1200 SDR21管材焊接試驗及產(chǎn)品靜液壓試驗。

通過以上工藝控制及周詳?shù)墓に嚪桨福�在生產(chǎn)OD740^+6.7×67.3^+6.9 管材的過程中，其壁厚嚴格控制在公差下限，最大壁厚與最小壁厚的偏差為1.7mm。在OD1200^+10.8 ×57.2^+5.9 的SDR21管材生產(chǎn)中，其壁厚嚴格控制在公差下限，最大壁厚與最小壁厚偏差為：1.3mm，管材外觀良好，用戶及原材料廠商提供的國外兩個制造商提供的同樣原材料生產(chǎn)管材的壁厚偏差分別為7mm和5.9mm，完全達到了客戶的嚴格要求，良好的壁厚控制技術(shù)節(jié)省了原材料。在非標準管材的生產(chǎn)方面，依據(jù)客戶的要求，設(shè)計相應(yīng)的工裝模具，生產(chǎn)完全滿足客戶要求的高質(zhì)量管材，并可對客戶的施工提出專業(yè)的指導(dǎo)意見。在生產(chǎn)薄壁管材時需考慮牽引力是否會將管材夾扁、切割機是否能正常切割等因素。依據(jù)我們的經(jīng)驗，SDR60以上的管材牽引和切割將會比較困難，要探討如何加強設(shè)備、工藝控制和設(shè)備管理。

亞大公司自2007年投入大口徑管材生產(chǎn)，已經(jīng)累計生產(chǎn)了DN900/SDR41、DN800/SDR17、DN900/SDR26、DN1000/SDR17、DN740×67.3、DN896×18、DN1195×20、DN795×15等一系列規(guī)格管材和非標準薄壁穿插管，如1200mm擠出線的生產(chǎn)能力可達1100kg/h，最大管材生產(chǎn)規(guī)格可OD1200mm，擠出線總裝機功率830KWA。部分管材生產(chǎn)工藝條件與參數(shù)見表2。

表2 大口徑管材的工藝參數(shù)

3 PE100聚乙烯管材在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用案例

案例1：工業(yè)用水處理及回收利用－中國磷化工廠的重要水循環(huán)方案（見圖5）

貴州甕福(集團)有限責任公司是位于中國西南部的國有大型磷化工企業(yè),生產(chǎn)需要消耗大量的水, 同時也會產(chǎn)生大量的酸性廢水。鑒于水資源短缺, 迫使政府要求提高該工業(yè)的用水效率。貴州甕福集團開發(fā)出“WFS 廢水處理技術(shù)”, 該技術(shù)可以對生產(chǎn)用水進行回收利用，降低整個生產(chǎn)過程的環(huán)境污染。需要解決的問題是如何把壓力高達80巴的酸性廢水輸送到水處理廠,這些廢水具有極高的腐蝕性, 會快速腐蝕普通的鋼鐵管道。因此, 鋼鐵管道需要加裝聚乙烯襯管以保護管道不受腐蝕。襯管將利用修補漏水和漏氣管道的襯裝技術(shù)導(dǎo)入鋼鐵管道。減少工廠的用水量, 減輕工廠運作對環(huán)境的污染, 同時將成本降至最低。

上述襯裝管道由亞大公司制造。所需管道總長度為41km, 直徑為316mm, 管壁厚度為8mm。各段聚乙烯管道首先被對焊在一起, 并把直徑縮小10%,然后使用大功率絞盤把聚乙烯管道拉入鋼鐵管道(324*6.4mm)中, 最大工作壓力：10.2MPa。一旦襯管到位即關(guān)閉絞盤, 膨脹后的聚乙烯管道就會與鋼鐵管道的內(nèi)表面緊密地貼在一起。該過程依賴于聚乙烯的高強度和柔韌性,具有記憶性, 能夠恢復(fù)并保持其原來的圓形形狀。材料的質(zhì)量是一個非常重要的考量因素。

該項目由中藍連海設(shè)計研究院和美國聯(lián)合管道公司共同承建,工程進展順利，2008年完成。該襯管采用了高效的安裝方式, 而聚乙烯管道的耐腐蝕性將能保證該系統(tǒng)長年正常運作。該項目所帶來的直接優(yōu)勢是每年可節(jié)水270萬立方米,使工廠的用水效率得到顯著提高。據(jù)估計, 每年因此節(jié)省的總費用將超過700萬美元，每年產(chǎn)生環(huán)保綜合經(jīng)濟效益6000萬元。

案例2：太原鋼鐵集團循環(huán)水管道工程（見圖6）

太原鋼鐵（集團）有限公司是以生產(chǎn)板材為主的國有特大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，也是我國最大的特殊鋼、優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)基地。PE 管道用于污水輸送，采用Φ315mm，PE100，SDR11的規(guī)格�？傞L約3km, 設(shè)計壓力1.0MPa, 運行壓力0.6MPa。部分地面以上，介質(zhì)為煉鋼產(chǎn)生的廢水廢渣等。

案例3：北京中水及再生水工程應(yīng)用（見圖7）

酒仙橋污水處理廠中水回用主管道工程, 施工時間：2010.11—2011.6,管材規(guī)格：OD1200mm,SDR17,PE100；管道長度：7000m（亞大為亮馬河二標段2300m）設(shè)計壓力：0.8MPa,工作壓力：0.6MPa。

4 結(jié)論

在其它大型煤礦采用PE管道輸水及排水和排污工程，管道輸送煤層氣等也均有PE管道應(yīng)用。根據(jù)聚乙烯的有關(guān)特性和性能，采用良好的設(shè)備以及高超的工藝及控制管理，可以更好的發(fā)揮其性能優(yōu)勢，在工業(yè)管道領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]（北京）國際塑料管道交流會論文集（2009）.

[2]《工業(yè)常用塑料管道設(shè)計手冊》(2008).