強(qiáng)化聚乙烯(PE100)管道在船舶上的應(yīng)用

萬會(huì)發(fā)，張海波(浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316021)

強(qiáng)化聚乙烯(PE100)管道在船舶上的應(yīng)用

萬會(huì)發(fā)，張海波
(浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316021)

根據(jù)《船上使用塑料管道指南》《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》等規(guī)范，通過對(duì)PE100管道的材料性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，針對(duì)PE100管道的應(yīng)用范圍、安裝方法、設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行舉例，與傳統(tǒng)的船用管材進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比，并有針對(duì)性的提出注意事項(xiàng)和改進(jìn)措施。

強(qiáng)化聚乙烯材料；節(jié)能減排；船舶行業(yè)

上世紀(jì)40年代以來，隨著石油深加工技術(shù)日趨完善，強(qiáng)化聚乙烯材料(PE100)迅速發(fā)展成一種新型工程材料，實(shí)踐證明，強(qiáng)化聚乙烯管材在船上應(yīng)用是可行的，比金屬管材在船上應(yīng)用有著許多顯著優(yōu)勢。

1 材料及方法

1.1聚乙烯管材的性能指標(biāo)

聚乙烯是最結(jié)構(gòu)簡單的高分子，也是應(yīng)用最廣泛的高分子材料。它是由重復(fù)的-CH2-單元連接而成的。聚乙烯是通過乙烯( CH2=CH2 )的加成聚合而成的。

PE材料是由聚乙烯合成的高分子材料, 依據(jù)最小要求強(qiáng)度MRS(Minimum Required Strength)，按照國際上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)：PE32級(jí)、PE40級(jí)、PE63級(jí)、PE80級(jí)和PE100。PE100指的是MRS達(dá)到10 MPa的聚乙烯材料，本文論述的就是強(qiáng)度最高的PE100強(qiáng)化聚乙烯管材(以下簡稱PE100)，通過實(shí)驗(yàn)，測定PE100各項(xiàng)性能指標(biāo)(見表1)。

表1 在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下PE100管材各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)

1.2船用聚乙烯管材應(yīng)用范圍

由于PE100管材具有如上諸多優(yōu)越性能，可以滿足IMO第A口753(18)決議——《船上使用塑料管道指南》《材料與焊接規(guī)范》《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》非金屬材料第二篇規(guī)定，《給水用聚乙烯(PE)管材》(ISO4427)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。國內(nèi)外一些船舶制造企業(yè)已使用了各種規(guī)格的PE100管材應(yīng)用于船舶管路的各個(gè)方面，為方便設(shè)計(jì)人員參考，現(xiàn)將這些規(guī)定綜合列表(見表2)。

表2 PE100管材適用范圍

1.3PE100管材在船上安裝方法

1.3.1 安裝余量確定

所有的固體都會(huì)熱脹冷縮，PE100管材也是如此。一根PE100管材原始長度L,隨著溫度的變化(溫差Δt)，管材會(huì)相應(yīng)的膨脹或縮短(ΔL),這是我們安裝中必須考慮的問題，由溫差引起的縱向變形量可按下式計(jì)算：

ΔL=αLΔt，

式中：α為PE100管的線膨脹系數(shù)可取值0.20×10-4℃-1；L為管道縱向自由段的長度,m；Δt為管壁中心處施工安裝與運(yùn)行使用中的最大溫度差,℃。

如大氣溫度取32 ℃，露天甲板當(dāng)量溫度58 ℃，PE100管材管長度L取100 m，代入公式得：

ΔL=αLΔt=0.20×10-4×100×103×(58-

32)=52 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，所以安裝過程中必須考慮52 mm的安裝余量。

1.3.2 安裝方法

PE100管道連接主要有2種方法：熱熔連接和電熔連接。目前主管道主要采用熱熔連接。熱熔連接原理是將2根PE管道的配合面緊貼在加熱工具上來加熱其平整的端面直至熔融，移走加熱工具后，將2個(gè)熔融的端面緊靠在一起，在壓力的作用下保持到接頭冷卻，使之成為一個(gè)整體(如圖1所示)。熱熔連接施工準(zhǔn)備工作如下：①管材固定，將與管材規(guī)格一致的卡瓦裝入機(jī)架，準(zhǔn)備足夠的支撐物，保證待熔接管材可與機(jī)架中心線處于同一高度，并能方便移動(dòng)；②端面刨平，將端面刨平，清理干凈；③端面熱熔，設(shè)定加熱板溫度200～230 ℃；④熔接冷卻，等待熔接好的管材冷卻。

圖1 PE100管材應(yīng)用現(xiàn)場

1.4PE100管材在船上應(yīng)用的設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

依據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2012)和《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2011)等規(guī)范，以浙江建造的82 000 t環(huán)保型散貨船為例：該船主尺度，總長Loa, 229.00 m；垂線間長Lpp, 223.50 m；型寬B，32.26 m；型深D，20.20 m。

1.4.1 艙底水總管內(nèi)徑

206.91 mm。

則實(shí)船需采用艙底水總管標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑為250 mm的PE100管道。

1.4.2 裝貨處所艙底水支管內(nèi)徑

109.31 mm,

式中：La為最長貨艙長,29.04 m。

則實(shí)船需采用艙底水支管標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑為125 mm的PE100管道。

1.4.3 壓載水總管內(nèi)徑

式中：Q為壓載泵流量,450 m3/h；V為壓載泵流量,3 m/s。

則實(shí)船需采用壓載水總管標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑為125 mm的PE100管道。

經(jīng)過實(shí)船驗(yàn)證，各個(gè)管路都能滿足正常的的工作需要。

2 PE100管路的優(yōu)劣比較

2.1強(qiáng)化聚乙烯管道的優(yōu)勢

PE100管材與傳統(tǒng)的管材相比較，具有明顯的優(yōu)勢。

1)較低的綜合工程造價(jià)。PE100管材價(jià)格低于無縫鋼管，與傳統(tǒng)的無縫鋼管相比安裝生產(chǎn)率可提高10%，管道費(fèi)用可減少15%，施工費(fèi)用可節(jié)約30%。 PE100管道大大節(jié)省了安裝勞動(dòng)力費(fèi)用和設(shè)備材料投資，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用并延長了使用壽命，具有較低的工程造價(jià)。

2)較輕的重量，較長的使用壽命。PE100管道材料的密度僅為鋼的1/8，設(shè)計(jì)使用壽命均為50年，與船舶的壽命相當(dāng)，一般船舶的鋼管，通常在船舶的平均使用壽命中，要更換2～3次，因此其投資總額實(shí)際上是原投資的2～3倍，若加上勞務(wù)費(fèi)、停工損失費(fèi)等，其總投資是原投資額度的5倍以上。

3)安裝施工簡單方便快捷。PE100管道采用熱熔承插，熱熔對(duì)焊，法蘭連接等靈活多變的鋼塑連接方式和電熔承插方式，操作簡單，連接安全可靠，大大方便了船舶系統(tǒng)管道的安裝。

4)縮短造船工期。PE100管道在搬運(yùn)、切割和焊接時(shí)所需人工僅為鋼管所需人工的幾分之一，免去了鋼管焊接打磨，鍍鋅等工序；新造船舶采用PE100管道，可當(dāng)場加工拼接焊接一次完成，安裝極其簡單快捷，大大縮短了造船周期。舊船改造或修船也同樣能縮短其工期，節(jié)約成本。

5)清潔環(huán)保，綠色無污染。PE100管道材質(zhì)衛(wèi)生無毒，用來輸送飲用水，不結(jié)垢，不滋生細(xì)菌和霉菌，還能抵抗海洋微生物及藻類的腐蝕。

2.2發(fā)展滯后的原因

雖然PE100管道擁有眾多的優(yōu)勢，但是由于我國聚乙烯工業(yè)起步較遲，雖經(jīng)國家大力倡導(dǎo)發(fā)展，但到目前為止，PE100管材在船舶上的應(yīng)用仍不夠廣泛，其原因是多方面的，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)。

1)PE100管道品種較少，配套不全，型號(hào)、規(guī)格及使用要求還沒有完全適應(yīng)復(fù)雜多變的船舶管路，可供選擇范圍有限。

2)設(shè)計(jì)施工部門對(duì)新材料存有疑慮，怕冒風(fēng)險(xiǎn)，寧用傳統(tǒng)材料。

3)二次加工的工具和設(shè)備沒能夠及時(shí)跟上，給推廣工作增加了難度。

4)缺乏穩(wěn)定的專業(yè)施工隊(duì)伍，缺乏專業(yè)培訓(xùn)，工人們往往沿用鋼(銅)管的加工和施工工藝，造成加工和施工質(zhì)量不高，降低了人們對(duì)PE100管道應(yīng)用的信心。

5)PE100管材的使用在各船舶規(guī)范中還沒有明確規(guī)定，沒有得到各大船級(jí)社的承認(rèn)，且其耐高溫性能還需提高，對(duì)船舶消防要求比較高，這些都是目前急需解決的問題。

3 結(jié)束語

PE100管材在船舶上的應(yīng)用，仍有大量問題需要解決，但是瑕不掩瑜， PE100管材作為一種新型材料，在船舶管路系統(tǒng)中擁有眾多優(yōu)勢，所以在今后的船舶設(shè)計(jì)建造過程中，我們可以根據(jù)不同的要求嘗試將其應(yīng)用到相應(yīng)的管路中。

According toTheuseofplasticpipingonboardguide，Steelshipsintotheclassificationandconstructionand other norms,an example is given for PE100 with its application range,installation method and design applications based on experimental analysis to the material properties of PE100 pipe.Compared with the traditional marine pipe,some improving measures and precautions are proposed accordingly.

reinforced polyethylene materials;energy saving and emission reduction;shipping industry

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.011

漁船高效節(jié)能型螺旋槳設(shè)計(jì)與示范(浙海漁計(jì)[2012]111號(hào))

萬會(huì)發(fā)(1985-)，男，山東泰安人，助理工程師，大專，研究方向?yàn)闈O船節(jié)能減排。

2015-06-02