淺談對我國塑料管材研究與發(fā)展

黃紹恒

摘要：塑料管因安全、環(huán)保而廣泛應(yīng)用于建筑給排水、城鎮(zhèn)給排水以及燃?xì)夤艿阮I(lǐng)域。2013—2017年，全球塑料管材的需求量將以年均8.5%的速率增加，而亞洲需求量的年均增長率為9.7%[1]。塑料管能夠穩(wěn)定增長的基礎(chǔ)是技術(shù)發(fā)展快，不斷有新材料，新技術(shù)，和新應(yīng)用出現(xiàn)。本文綜述了建筑給排水、城鄉(xiāng)給水管、燃?xì)庥盟?、工業(yè)用管等領(lǐng)域中常用管材的種類、應(yīng)用及新型管材的研究進(jìn)展，并對其特性及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。對比分析了塑料管材與傳統(tǒng)管材的性能，并論述了目前塑料管材在應(yīng)用上存在的問題。

一、建筑給排水領(lǐng)域

1、各種塑料管材的特點(diǎn)及其研究進(jìn)展

1.1、UPVC與PVC管材UPVC管材的化學(xué)穩(wěn)定性好、耐化學(xué)藥品腐蝕性強(qiáng)。UPVC管內(nèi)壁光滑、安全衛(wèi)生、水流阻力??；但UPVC管在低溫條件下較脆，在溫度較高時易變軟，因此不適合做熱水管，也不適用于寒冷地區(qū)。與其他管材相比，UPVC管材具有較高的模量、強(qiáng)度和硬度，即使在不增強(qiáng)的情況下也能滿足普通有壓液體的輸送要求；UPVC管的耐化學(xué)藥品腐蝕性強(qiáng)、耐老化、使用壽命長、安裝維修方便、外形美觀、成本較低。UPVC管材的彎曲應(yīng)力和彎曲模量較高，承受外部荷載的性能較好，因此在相同的使用條件下用料最少。

1.2、PPR管材PPR的化學(xué)穩(wěn)定性好，耐化學(xué)藥品腐蝕性強(qiáng)， 力學(xué)性能優(yōu)異。PPR管內(nèi)壁光滑，阻力小，不易積垢，質(zhì)輕，運(yùn)輸、維修方便。PPR管分為熱水管和冷水管，加熱到一定溫度時，同材質(zhì)的管與管件在幾秒鐘內(nèi)就可以完全融為一體，解決了管道連接處漏水的問題。PPR管的最高使用溫度為95℃，長期使用溫度為70℃，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.21W/（m？℃），約為鋼管的1/200，保溫性能良好；但PPR管的膨脹系數(shù)是鋼管的12倍，長期使用會因熱脹冷縮而使管體變形。2015年6月，中國石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司生產(chǎn)的管材專用PPR T4401在國家化學(xué)建筑材料測試中心通過了PPR 100級認(rèn)證。PPR T4401的熔體流動速率為0.5 g/10min，具有優(yōu)異的加工流動性和剛韌平衡性，并且具備典型的無規(guī)共聚物序列結(jié)構(gòu)[6]。

二、城鄉(xiāng)給水領(lǐng)域：

近十幾年國際上不斷在探索提高聚氯乙烯管道系統(tǒng)的性能和拓寬聚氯乙烯管道系統(tǒng)的應(yīng)用，取得了顯著的成果。主要的方向是：

1.1、通過改性提高韌性，開發(fā)抗沖擊抗開裂性能好同時保持高強(qiáng)度的改性聚氯乙烯管道系統(tǒng)，通常稱為PVC-M（或PVC-A，PVC-HI）。PVC-M在不少國家已經(jīng)大量生產(chǎn)，廣泛地應(yīng)用于城鄉(xiāng)和建筑給水，礦山用管道等，英國，澳大利亞，南非都制定了國家標(biāo)準(zhǔn)[Z1]。PVC-M完全克服了PVC-U的脆性，韌性得到非常顯著的改善，同時保持和PVC-U接近的強(qiáng)度。因此可以采用較高的設(shè)計(jì)應(yīng)力具有節(jié)省材料（30%）和增加通徑的優(yōu)點(diǎn)，符合節(jié)約資源的大方向。日本近年十分重視管道抗地震性能的試驗(yàn)研究。和歐洲不同，日本開發(fā)的改性聚氯乙烯管道系統(tǒng)主要目標(biāo)在提高抗地震性能。

1.2、通過管材加工過程中的雙向拉伸，使分子取向，形成具有高強(qiáng)度、高韌性、抗沖擊、抗疲勞，性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通PVC-U的新型PVC管材。通常稱為PVC-O（或BO-PVC）。PVC-O已經(jīng)在英國、法國、荷蘭、葡萄牙、美國、澳大利亞、南非和日本等國家應(yīng)用多年。美國、澳大利亞等國已經(jīng)發(fā)布了PVC-O的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)組織也已在去年發(fā)布PVC-O標(biāo)準(zhǔn)（ISO 16422：2006）。

1.3、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，如：通過改性提高韌度使PVC管材可以彎曲，可以折疊，甚至可以對接熔焊。在北美聚氯乙烯管道已經(jīng)進(jìn)入非開挖鋪設(shè)和修復(fù)市場。在南非等應(yīng)用于礦山深井等惡劣環(huán)境中水和壓縮空氣的輸送管道。

三、燃?xì)庥霉茴I(lǐng)域

全球能源結(jié)構(gòu)的大趨勢是越來越多越來越多地采用天然氣，聚乙烯燃?xì)夤艿赖氖袌鲎匀徊粩嘣跀U(kuò)大。眾所周知，已經(jīng)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重大作用的‘西氣東送大工程帶動了我國聚乙烯燃?xì)夤艿拇蟀l(fā)展?，F(xiàn)在‘川氣東送大工程又開始了，將推動沿線廣大地區(qū)對天然氣的應(yīng)用，為聚乙烯燃?xì)夤艿篱_辟新的市場空間。

國際上聚乙烯燃?xì)夤艿兰夹g(shù)發(fā)展的一個動向是采用要求更高的標(biāo)準(zhǔn)，有重要變化的聚乙烯燃?xì)夤艿佬聡H標(biāo)準(zhǔn)ISO 4437-2007已經(jīng)批準(zhǔn)即將發(fā)布。我國的標(biāo)準(zhǔn)肯定也要跟上去。

另外一個動向是探索把塑料管應(yīng)用到天然氣的高壓輸送管道。

高壓天然氣塑料輸送管的探索

國內(nèi)外塑料管應(yīng)用于天然氣的輸送管道長期來局限于低壓的輸配管網(wǎng)，壓力不超過1MPa（我國過去的標(biāo)準(zhǔn)是0.4MPa）。近年國外在積極探索把RTP應(yīng)用于天然氣的高壓輸送管道。據(jù)報(bào)道2000年德國就鋪設(shè)了試驗(yàn)線（DN75 PN100長900米）。RTP的優(yōu)勢在抗腐蝕性強(qiáng)和鋪設(shè)便捷（可以長盤管供應(yīng)，采用非開挖鋪設(shè)。）2004年德國給水和燃?xì)鈪f(xié)會DVGW已經(jīng)發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)：‘VP642用于運(yùn)行壓力16bar以上天然氣的纖維增強(qiáng)PE管（RTP）和附帶的連接件。

四、工業(yè)用管領(lǐng)域

1、石油天然氣開采用高壓增強(qiáng)熱塑性塑料管

石油天然氣開采對于國家的重要性是眾所周知的。石油天然氣開采業(yè)需要的大量管道傳統(tǒng)上采用鋼管，但近年越來越多采用非金屬管道。由于石油天然氣資源很多在沙漠，沼澤，海灘和海洋（從淺海到深海）中，耐腐蝕抗高壓又柔韌可曲撓，可以制成很長連續(xù)盤管的增強(qiáng)熱塑性塑料管（RTP）具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在陸地和淺海使用的RTP通常是三層結(jié)構(gòu)。在深海使用的RTP通常由很多層構(gòu)成（除承受內(nèi)壓外還要承受外壓等其他負(fù)載），石油天然氣開采業(yè)統(tǒng)稱其為‘撓性管。對于‘撓性管的設(shè)計(jì)，制造，鋪設(shè)和應(yīng)用國際上進(jìn)行了大量研究試驗(yàn)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前國際上采用的標(biāo)準(zhǔn)是ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO 13628-）和美國石油組織API的規(guī)范和規(guī)程（API 17J，API17B…）。

我國幾大油田也已經(jīng)采用增強(qiáng)熱固性塑料管（玻璃鋼管）和增強(qiáng)熱塑性塑料管（RTP）。

2、礦山管道的開發(fā)

國外在礦山根據(jù)不同需求采用不同材料和結(jié)構(gòu)的塑料管道。例如在礦業(yè)發(fā)達(dá)的南非，在煤礦和金礦成功低大量使用高抗沖擊的聚氯乙烯管道系統(tǒng)（PVC-M和PVC-O），積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。我國是礦業(yè)大國，煤產(chǎn)量近世界的1/3，。目前塑料管已經(jīng)應(yīng)用到煤礦的輸水和排氣（抽瓦斯），但由于缺乏經(jīng)驗(yàn)存在很多問題。例如目前國內(nèi)基本上都采用聚乙烯（抗靜電和阻燃的）的實(shí)壁管（煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 558.1—1996煤礦用聚乙烯管材）。已經(jīng)有企業(yè)在開發(fā)煤礦專用的高抗沖聚氯乙烯管。

3、工業(yè)中的特殊管道

在化學(xué)工業(yè)，電子工業(yè)，電力工業(yè)等各個領(lǐng)域都需要有特殊性能的塑料管道，如化工產(chǎn)品生產(chǎn)中輸送各種強(qiáng)腐蝕的流體管道，電子產(chǎn)品生產(chǎn)中輸送高度純凈水的管道，發(fā)電站輸送強(qiáng)磨損介質(zhì)的管道。國外有一些塑料管道企業(yè)以特殊要求的工業(yè)管道為主業(yè)，可以根據(jù)用戶需求從設(shè)計(jì)到鋪設(shè)施工配套服務(wù)。例如，對于輸送特別危險(xiǎn)的流體，可以設(shè)置雙層管道系統(tǒng)，萬一發(fā)生泄漏只是流到內(nèi)外管之間，并自動報(bào)警，可以確保安全。

五、結(jié)語

隨著材料科技與工藝的進(jìn)步，塑料管材的研究與應(yīng)用得到了高速的發(fā)展，綠色無害化管材成為未來管材發(fā)展的趨勢。但在應(yīng)用過程中必須結(jié)合實(shí)際情況選用合適的管材。

參考文獻(xiàn)：

[1]許慶開.塑料管材在給排水領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用[J].山西建筑，2009，35（10）：168.

[2]劉繼純，張肖楠，王偉曉，等.阻燃抗靜電耐沖擊UPVC管材料的研制[J].合成樹脂及塑料，2010，25（1）：10-12.