PE管及其在36 000 DWT多用途船壓載系統(tǒng)中的應(yīng)用

任世貴　肖海忠　郭林麗　王文中

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

船舶輪機(jī)

PE管及其在36 000 DWT多用途船壓載系統(tǒng)中的應(yīng)用

任世貴肖海忠郭林麗王文中

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，越來越多的新材料、新技術(shù)應(yīng)用于船舶。PE管材作為民用工程管道中成熟可靠的產(chǎn)品，其具有重量輕、安裝快捷方便、耐腐蝕、使用安全可靠、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。用于船舶壓載系統(tǒng)，可以有效的減輕船舶空船重量，從而提升船舶性能；提高船舶建造效率，縮短造船周期，為船廠保證按時(shí)交船提供保障；另外其使用壽命長，維護(hù)成本低，從而為船東產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

塑料管；PE管；壓載系統(tǒng)；重量減輕

0　前言

上世紀(jì)在管道領(lǐng)域發(fā)生了一場革命性的進(jìn)步，即“以塑代鋼”。隨著高分子材料科學(xué)技術(shù)的飛躍進(jìn)步，塑料管材開發(fā)利用的深化，生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，塑料管道淋漓盡致地展示其卓越性能。今天，塑料管材已不再被人們誤認(rèn)為是金屬管材的“廉價(jià)代用品”，已廣泛用于液體和氣體輸送、排污、農(nóng)業(yè)灌溉、礦山細(xì)顆粒固體輸送，以及油田、化工和郵電通訊等領(lǐng)域。

壓載系統(tǒng)是船舶重要系統(tǒng)之一，關(guān)系著船舶的安全和正常使用，歷來被船舶設(shè)計(jì)者、制造者和使用者所重視。在壓載系統(tǒng)中采用新型的、輕質(zhì)的、高度成熟的塑料管，如PE管（聚乙烯管）和GRP管（玻璃鋼管），既可以減輕船舶重量，改善船舶性能，又能夠減少安裝、維護(hù)及運(yùn)行成本，延長使用年限，是船舶設(shè)計(jì)者、制造者和使用者較好的選擇。本文僅針對其中一種壓載系統(tǒng)中采用的塑料管——PE管，和傳統(tǒng)鋼管之間進(jìn)行分析對比，說明新材料應(yīng)用的特性，不涉及其他塑料管之間的比較及其在其他系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1　PE材質(zhì)介紹

聚乙烯，簡稱PE，是乙烯經(jīng)化學(xué)聚合而成的一種熱塑性樹脂。1933年英國ICI公司首先發(fā)現(xiàn)了聚乙烯（PE）。發(fā)展至今，聚乙烯已是由多種工藝方法生產(chǎn)的、具有多種結(jié)構(gòu)、特性和多種用途的系列品種樹脂，已占世界合成樹脂產(chǎn)量的三分之一，居第一位。

聚乙烯無臭，無毒，手感似蠟，具有優(yōu)良的耐低溫性能（最低使用溫度可達(dá)-70℃～-100℃），化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕（不耐具有氧化性質(zhì)的酸），常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，但由于其為線性分子可緩慢溶于某些有機(jī)溶劑，且不發(fā)生溶脹，電絕緣性能優(yōu)良；但PE對于環(huán)境應(yīng)力（化學(xué)與機(jī)械作用）敏感，耐熱老化性差［1］。

聚乙烯屬于短鏈的烷烴惰性聚合物，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。在常溫下耐酸、堿、鹽類水溶液的腐蝕，但不耐強(qiáng)氧化劑如發(fā)煙硫酸、濃硝酸和鉻酸等。聚乙烯在60℃以下不溶于一般溶劑；溫度超過60℃后，可少量溶于甲苯、乙酸戊酯、三氯乙烯、松節(jié)油、礦物油及石蠟等。由于PE分子中含有少量雙鍵和醚鍵，日曬、雨淋都會(huì)引起老化，需要加入抗氧劑和光穩(wěn)定劑。

2　PE管介紹

PE管的生產(chǎn)在生產(chǎn)線上進(jìn)行。目前國內(nèi)幾個(gè)主要生產(chǎn)廠家都選用進(jìn)口生產(chǎn)線，基本上實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，能夠自動(dòng)上料、自動(dòng)計(jì)量進(jìn)料、自動(dòng)切割和卷曲，產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，生產(chǎn)效率明顯提高。

通常，PE管按照密度分為低密度及線型低密度聚乙烯 （LDPE及LLDPE）管 （密度為0.900～0.930 g/cm3）、中密度聚乙烯 （MDPE）管 （密度為0.930～0.940 g/cm3）和高密度聚乙烯（HDPE）管（密度為0.940～0.965 g/cm3）。

目前，國際上根據(jù)PE管的長期靜液壓強(qiáng)度（MRS）對管材及其原料進(jìn)行分類和命名。長期靜液壓強(qiáng)度是指連續(xù)施加在該聚乙烯樹脂制管管壁上50年時(shí)引起管材破壞時(shí)所計(jì)算的在管壁上的環(huán)向張應(yīng)力，該值是管材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。PE管的工程設(shè)計(jì)概念與金屬管不同，對于金屬管的設(shè)計(jì)，廣泛的使用環(huán)境溫度下的屈服強(qiáng)度系數(shù)。而PE管與金屬管不同，它受持續(xù)應(yīng)力及溫度變化的影響，因此PE管的設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)根據(jù)長期強(qiáng)度來決定，即通過繪制恒溫下應(yīng)力與破壞時(shí)間的曲線來確定。

根據(jù)PE管的長期靜液壓強(qiáng)度（MRS），國際上將聚乙烯管材料分為 PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五個(gè)等級。目前船舶壓載系統(tǒng)中使用MRS值為10 MPa（PE100）的PE管。PE100管采用MRS值為10 MPa（PE100級）的管材樹脂。這種樹脂采用雙峰分布、乙烯共聚技術(shù)，在提高長期靜液壓強(qiáng)度的同時(shí)，也提高了耐慢速裂紋增長和耐快速開裂擴(kuò)展性能，并具有良好的加工性，為提高輸送壓力、增大管道口徑、擴(kuò)大管道應(yīng)用范圍創(chuàng)造了條件［2］。表1為PE100級管道實(shí)際使用壓力。

表1　PE100級管道實(shí)際使用壓力

3　PE管的特點(diǎn)

PE管具有許多卓越的特性，如耐低溫、韌性好，在一些特殊用途中更是大顯身手。因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域中，傳統(tǒng)材料管子，較難適用，且費(fèi)用高昂，有的還不能保證管道的安全使用。如鋼管最大的問題是在使用期內(nèi)，普遍發(fā)生的腐蝕和接頭泄漏。PE管則具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，圓滿地解決了傳統(tǒng)管道的腐蝕和接頭泄漏兩大難題。而且由于與眾不同的施工特點(diǎn)，往往為用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益［3］。PE管的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在：

1）耐腐蝕：聚乙烯為惰性材料，除少數(shù)強(qiáng)氧化劑外，可耐多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕。無電化學(xué)腐蝕，不需要防腐層。對于具有較強(qiáng)腐蝕的海水，其耐腐蝕能力同樣適用。由于具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力，在同條件運(yùn)行狀態(tài)下，PE管流速可達(dá)5 m/s，而鋼管需低于3 m/s。

2）連接方便可靠：對于較大直徑的PE管，主要采用擠壓夾緊式連接，本質(zhì)上保證接口材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與管體本身的同一性，實(shí)現(xiàn)了接頭與管材的一體化。試驗(yàn)證實(shí)，其接口的抗拉強(qiáng)度及爆破強(qiáng)度均高于管材本體，可有效地抵抗內(nèi)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力及軸向的拉伸應(yīng)力。因此與橡膠圈類接頭或其他機(jī)械接頭相比，不存在因接頭扭曲造成泄漏的危險(xiǎn)。

3）高韌性及優(yōu)良的撓性：PE管是一種高韌性的管材，其斷裂伸長率一般超過500%，對管基不均勻變化的適應(yīng)能力非常強(qiáng)。應(yīng)用于壓載系統(tǒng)中，則可有效適應(yīng)船舶船體的變形，增加系統(tǒng)可靠性。

4）良好的抵抗刮痕能力：施工過程中，刮痕是無法避免的。刮痕造成材料的應(yīng)力集中，引發(fā)管道的破壞。試驗(yàn)證明，PE管具有出色的抵抗刮痕能力。

5）良好的快速裂紋傳遞抵抗能力：管道的快速開裂是指在管道偶然發(fā)生開裂時(shí)，裂紋以每秒幾百米的速度迅速擴(kuò)展，瞬間造成幾十米管道破壞的大事故?？焖匍_裂是一種偶發(fā)事故，但其后果是災(zāi)難性的。近10年來，國際上對塑料管道，特別PE管的快速裂紋傳遞進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作。結(jié)果表明，在常用的塑料管材中，PE管抵抗裂紋快速傳遞的能力名列前茅。

6）PE管使用壽命長：可達(dá)50年以上，這是國外根據(jù)PE管材環(huán)向抗拉強(qiáng)度的長期靜水壓設(shè)計(jì)基礎(chǔ)值（HDB）確定的，已被國際標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)。

7）良好的衛(wèi)生性能：PE管生產(chǎn)過程中不添加任何有毒助劑，內(nèi)壁光滑、流量大、不易結(jié)垢、不易滋生細(xì)菌。

8）磨擦阻力小，輸送能力高：PE管內(nèi)壁非常光滑，粗糙度和磨阻力很小。PE管的摩擦系數(shù)為0.008，而鋼管為0.013。由于PE管的摩擦阻力小，可以減小泵的壓頭，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

4　PE管在36 000 DWT多用途船壓載系統(tǒng)中的應(yīng)用

36 000DWT多用途船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院開發(fā)的優(yōu)良船型，先后在兩家船廠建造數(shù)十條。其母型船的壓載系統(tǒng)全部選用鋼管，在后續(xù)船中，貨艙段壓載管路更改為PE100管。

相比于采用鋼管的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，PE管路在27 000 DWT多用途船壓載系統(tǒng)應(yīng)用的可行性和特點(diǎn)分析如下：

1）環(huán)境條件。船舶的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為-20℃～-45℃，而 PE100管的使用溫度為-40℃～60℃。36 000 DWT多用途船PE100管路的安裝空間主要位于雙層底管弄、壓載艙內(nèi)，PE100管滿足這些區(qū)域的溫度、防火及使用要求。而PE100管路由于其耐高溫性較差，對于機(jī)艙等較易失火區(qū)域則不能采用。

2）PE100管和鋼管重量比較。PE100管最重要的優(yōu)點(diǎn)之一就是重量輕。表2和表3為36 000 DWT多用途船采用PE100管和鋼管的管材統(tǒng)計(jì)。

表2　36 000 DWT多用途船壓載系統(tǒng)使用PE100管材統(tǒng)計(jì)

表3　36 000 DWT多用途船壓載系統(tǒng)使用無縫鋼管管材統(tǒng)計(jì)

從對比表可以看出，整個(gè)壓載系統(tǒng)采用PE100管材，管材總重約7 t左右，而鋼管的總重在45 t左右。采用鋼管，僅管材重量比PE100管增加約38 t左右，對重量影響較大。而且由于PE100重量較輕，支撐件等附件的尺寸和數(shù)量均少于鋼管，重量會(huì)進(jìn)一步減少。

3）PE100管和鋼管管路工藝特點(diǎn)比較。鋼管的安裝需要預(yù)制、焊接、打磨、酸洗、鍍鋅、二次組裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，延長了生產(chǎn)周期，增大了生產(chǎn)成本的投入。管路的連接主要通過法蘭連接或是套管連接，增加了工作量和泄露的可能性。

PE100管道管與管主要是通過熱熔對接。熱熔對接是采用熱熔對焊機(jī)（見圖1）來加熱管端，使其熔化，迅速將其貼合，保持有一定的壓力，經(jīng)冷卻達(dá)到熔接的目的。各尺寸的PE100管均可采取熱熔對接方式連接，其接口在承拉和承壓時(shí)都比管材本身具有更高強(qiáng)度。

此外，鋼管需要30～40 m左右設(shè)置膨脹接頭，以抵消鋼管熱膨脹的影響。而PE100則不需要設(shè)置膨脹接頭，從而減小了泄露的可能性。

PE100管道和鋼管及閥門連接時(shí)采用鋼塑過渡接頭連接和鋼塑法蘭連接，見圖2。

圖1　熱熔對焊機(jī)焊接PE100管材

4）管路阻力計(jì)算比較。PE100糙率系數(shù)為0.008，而鋼管為0.013。按照國外試驗(yàn)數(shù)據(jù)，PE100管海水流速可達(dá)5 m/s，鋼管需低于3 m/s。按照該參數(shù)計(jì)算，壓載系統(tǒng)采用PE100管，在規(guī)格上可以比鋼管降低一檔。為此，我們特意用流體計(jì)算軟件計(jì)算鋼管管路和PE100管管路的阻力損失，見圖3～圖4。

圖2　PE100管通過鋼塑過渡接頭與鋼管連接

圖3　采用鋼管的壓載系統(tǒng)簡圖

當(dāng)采用鋼管，一臺壓載泵為首尖艙注水時(shí)，從管弄進(jìn)口處的A點(diǎn)，到首尖艙C點(diǎn)的壓力損失計(jì)算如下：

A-B管段壓力損失：0.022 0 MPa

B-C管段壓力損失：0.007 9 MPa

管段總壓力損失：0.029 9 MPa

當(dāng)采用PE100管，一臺壓載泵為首尖艙注水時(shí)，從管弄進(jìn)口處的A點(diǎn)，到首尖艙C點(diǎn)的壓力損失計(jì)算如下：

A-B管段壓力損失：0.018 8 MPa

B-C管段壓力損失：0.009 0 MPa

管段總壓力損失：0.027 8 MPa

圖4　采用PE100管的壓載系統(tǒng)簡圖

可見，雖然PE100管相比鋼管規(guī)格減小一檔，但是管路阻力反而比鋼管略小。

5）管路經(jīng)濟(jì)性比較比較。根據(jù)船廠采購數(shù)據(jù)，該船PE100管材的售價(jià)約為32萬元，安裝費(fèi)用約占材料費(fèi)用30%，約10萬元，共計(jì)約42萬元。而采用相同規(guī)格的鋼管，售價(jià)約為29萬元，處理、預(yù)制、加工、安裝費(fèi)用約為1.5萬元/t，約重45 t，即67.5萬元，共計(jì)約96.5萬元。就初始綜合成本來說，PE100管材的費(fèi)用不到鋼管的一半，還節(jié)省了大量的施工時(shí)間。

此外，PE管的設(shè)計(jì)使用壽命為50年，船舶在后續(xù)運(yùn)行過程中無需維護(hù)及保養(yǎng)，從而節(jié)約了成本。鋼管受海水腐蝕較為嚴(yán)重，3年左右就需維護(hù)保養(yǎng)，7～8年就需更換，其維護(hù)及保養(yǎng)的成本較高。

綜上所述，船用PE100管道在減少船舶重量、節(jié)省安裝勞動(dòng)力、保證可靠性方面、減小管路阻力等方面有自己的優(yōu)勢。

5　結(jié)語

船舶領(lǐng)域使用塑料管的時(shí)間不長，采用PE管更少。塑料管路在管路設(shè)計(jì)中有著顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)踐是檢驗(yàn)產(chǎn)品好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)。我們還需要通過不斷積累經(jīng)驗(yàn)，分析船舶營運(yùn)維護(hù)的數(shù)據(jù)，來確定塑料管的應(yīng)用是否可行。

隨著材料技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的新材料、新技術(shù)將應(yīng)用于船舶。作為船舶設(shè)計(jì)者，應(yīng)站在科技的前沿，在保證船舶性能和安全的前提下，合理采用新技術(shù)、新材料。

［1］桂祖彤.聚乙烯樹脂及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］李艷芹，朱博超，等.超高分子量聚乙烯研究進(jìn)展及應(yīng)用領(lǐng)域［J］.廣州化工，2011，36（2）：19-21.

［3］梁前明.PE管材的新發(fā)展及其工程應(yīng)用前景［J］.國外建設(shè)科技，2003，（5）：15-16.

PE Pipe and its Application in Ballast System of 36 000 DWT MPV

Ren Shi-guiXiao Hai-zhongGuo Lin-liWang Wen-zhong

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

With the development of material science，more and more new material and new technology were used in ship building industry.PE pipe was a credible production using for civil engineering pipe which was characteristic with less weight，easy installation，corrosion-resisting and low cost for maintenance.If the PE pipe was applied in ship's ballast system，the weight of the ship could be reduced and the efficiency of ship building could be improved. Thus the construction time could be shortened with improved ship performance.In addition，better economic performance would be achieved since the PE pipe was with long service life and also cheap to maintain.

plastic pipe；PE pipe；ballast system；weight reduce

U674.13+8

A

1001-4624（2015）01-0061-05

2015-05-19；

2015-05-21

任世貴（1983—），男，工程師，從事輪機(jī)設(shè)計(jì)方面工作。肖海忠（1981—），男，工程師，從事輪機(jī)設(shè)計(jì)方面工作。郭林麗（1977—），女，高級工程師，長期從事輪機(jī)設(shè)計(jì)方面工作。王文中（1979—），男，高級工程師，長期從事輪機(jī)設(shè)計(jì)方面工作。