工業(yè)裝置用塑料管材的選材設(shè)計(jì)

王興龍 中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101

塑料管材以重量輕、耐腐蝕、流體阻力小、安裝方便、使用年限長等顯著的優(yōu)勢，在建筑、給排水、市政、工業(yè)裝置等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。而且塑料管材相比金屬管道，價(jià)格低廉、原料易得、生產(chǎn)周期短，這都極大促進(jìn)了塑料管材的推廣應(yīng)用。

本文介紹工業(yè)裝置常用的熱塑性塑料管材的選材設(shè)計(jì)，材質(zhì)有：氯化聚氯乙烯管PVC-C、硬聚氯乙烯管PVC-U、高密度聚乙烯管PE、鋼骨架聚乙烯塑料管Steel framed polyethylene、玻璃鋼襯聚丙烯FRP/PP、玻璃鋼襯聚氯乙烯FRP/PVC 等。塑料管材的選材設(shè)計(jì)從管材的適用溫度、耐蝕性、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、壓力溫度額定值、閥門材料選擇和其他要點(diǎn)分別介紹。

1 塑料管材適用溫度

塑料管材受限于分子結(jié)構(gòu)和組成，使其不能像金屬管道一樣承受高溫；且不同的塑料，分子式不同、結(jié)構(gòu)也不同，耐受溫度也不一樣。熱塑性塑料在一定的溫度以下，保持高彈性狀態(tài)，才能有效地承壓[1]，而隨著溫度的升高，塑料的彈性狀態(tài)也會逐漸變成黏流態(tài)，而維卡溫度則是指示材料變軟、力學(xué)性能下降的一個(gè)溫度。塑料管材的長期連續(xù)使用溫度則關(guān)系選材設(shè)計(jì)，管線最高設(shè)計(jì)溫度則應(yīng)低于塑料允許的最高長期連續(xù)使用溫度，也應(yīng)遠(yuǎn)低于維卡軟化溫度。溫度過低，塑料會呈現(xiàn)玻璃態(tài)，脆性轉(zhuǎn)變，力學(xué)性能下降。管線最低設(shè)計(jì)溫度還應(yīng)高于塑料管材允許的最低長期連續(xù)使用溫度。塑料管材長期連續(xù)使用推薦溫度見表1。

表1 塑料管材長期連續(xù)使用推薦溫度

塑料管材設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮氣候環(huán)境對于管材的影響，環(huán)境溫度、溫差、日照時(shí)間等，均會影響管材的選擇和使用年限，特別需注意北方地區(qū)室外的塑料管材，應(yīng)考慮防止結(jié)冰和環(huán)境溫度下的脆性轉(zhuǎn)變。

2 塑料管材耐蝕性

塑料的基本組成是高分子化合物，除了分子鍵合力，還存在分子間作用力等相互作用。塑料管材的耐腐蝕前提是，分子與介質(zhì)不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、物理相溶，而且分子間隙應(yīng)能防止介質(zhì)滲透?；瘜W(xué)反應(yīng)就是塑料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，常見的有官能團(tuán)變化、分子鏈斷裂降解等。物理相溶則由于塑料分子與介質(zhì)可能有相似的官能團(tuán)、分子結(jié)構(gòu)等。

塑料管材耐腐蝕性首先考慮的就是化學(xué)耐蝕性。本文以常見的鹵水、鹽酸、次氯酸鈉、硫酸等常見的腐蝕性介質(zhì)為例，介紹不同溫度、不同濃度的介質(zhì)作用下，相應(yīng)塑料管材下的耐蝕性，見表2。

表2 不同塑料管材的耐化學(xué)侵蝕表[2]

工程上一般推薦化學(xué)侵蝕性S 級以上的塑料用于輸送相應(yīng)介質(zhì)的管材，并且應(yīng)經(jīng)過液壓試驗(yàn)、系統(tǒng)適用性試驗(yàn)等一系列的測試，驗(yàn)證系統(tǒng)安全性。化學(xué)侵蝕性L 級塑料不建議在相應(yīng)介質(zhì)環(huán)境下用于承壓管材。PE 塑料是長鏈的脂肪族化合物，分子結(jié)構(gòu)決定了其對于許多化學(xué)物料的化學(xué)惰性，但對于氧化性強(qiáng)的次氯酸鈉、高濃度硫酸不具有化學(xué)惰性。PVC-U 聚氯乙烯強(qiáng)度比聚乙烯更高，PVC-C是在PVC-U 樹脂基礎(chǔ)上改性得到，聚氯乙烯氯化之后，分子排列不規(guī)則度增加，化學(xué)穩(wěn)定性增加，其對于大多數(shù)酸、堿、鹽類具有化學(xué)惰性。

常用塑料管材對于流體介質(zhì)的化學(xué)耐侵蝕性可以查詢ISO10358 標(biāo)準(zhǔn)。以常溫下31%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸為例，可以參考30%的耐化學(xué)侵蝕數(shù)據(jù)。詳見表2。PE 管材、鋼骨架聚乙烯管材、PVC-U 和PVC-U 管材在常溫下耐蝕等級為S，可以用于鹽酸環(huán)境，工程上較為常用的是PVC-U 管材和PVC-C 管材。

玻璃鋼襯PVC 和PP 復(fù)合管道是利用內(nèi)層的耐腐蝕性，又利用玻璃鋼強(qiáng)度高、抗疲勞、抗老化性能優(yōu)良，在PVC 或者PP 管外通過纏繞工藝復(fù)合玻璃鋼樹脂外護(hù)層，玻璃鋼層主要起到機(jī)械支撐作用。

3 工業(yè)塑料管材標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)塑料管材的發(fā)展較晚，最早只是應(yīng)用于建筑和市政行業(yè)，相關(guān)工業(yè)塑料管材標(biāo)準(zhǔn)從上世紀(jì)80 年代才開始實(shí)行。塑料管用于工業(yè)流體時(shí)，應(yīng)注意使用的場所和項(xiàng)目類型，建筑用塑料管與工業(yè)用塑料管的樹脂原料并不一致，化學(xué)侵蝕性不一致，結(jié)構(gòu)滲透性不一致，因此，工業(yè)塑料管應(yīng)注意選擇相應(yīng)的管材標(biāo)準(zhǔn)。目前PVC-C、PVC-U、PE、Steel framed polyethylene、FRP/PP、FRP/PVC 等 工業(yè)塑料管材常用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)詳見表3。

表3 工業(yè)塑料管材常用標(biāo)準(zhǔn)

4 壓力溫度額定值

塑料管材的承壓能力除了與材料本身性能有關(guān)系，主要決定于管壁厚，而管壁厚系列則是根據(jù)管材公稱壓力、預(yù)期使用年限等因素確定。塑料管材耐候性差、老化速度較快，這也導(dǎo)致塑料管材壁厚選擇時(shí)，要充分考慮預(yù)期使用年限，年限越長，建議選擇越大的壁厚系列。塑料管材膨脹系數(shù)大，管材性能受溫度等因素的影響大，不同溫度下管材的公稱壓力應(yīng)注意考慮溫度對壓力的折減系數(shù)。

4.1 PVC-U 管材壓力溫度額定值

工業(yè)PVC-U 管材國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T4219.1，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，公稱壓力PN 是輸送20℃水的最大工作壓力，隨著溫度的升高，允許壓力隨之降低，折減系數(shù)見表4。

表4 PVC-U 管材溫度對壓力的折減系數(shù)

參考廠商提供的數(shù)據(jù)，PVC-U 法蘭常溫下允許的壓力為10bar 左右，隨著溫度的升高，允許的壓力也會隨著降低，法蘭的溫度對壓力的折減系數(shù)見表5。工程上PVC-U 法蘭最高允許壓力建議參考表5 的折減系數(shù)進(jìn)行修正。

表5 PVC-U 法蘭溫度對壓力的折減系數(shù)

4.2 PVC-C 管材壓力溫度額定值

工業(yè)PVC-C 管材執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T18998，標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定管材溫度對壓力的折減系數(shù)。工程上PVC-C 管材最高允許的壓力，可借鑒廠商提供的PVC-C 管材溫度對壓力的折減系數(shù)，見表6。管材允許的工作壓力隨著溫度升高逐漸降低。

表6 PVC-C 管材溫度對壓力的折減系數(shù)

PVC-C 法蘭常溫下允許的壓力也是10bar 左右，隨著溫度的升高，允許的壓力也會隨之降低，參考廠商提供的數(shù)據(jù)，法蘭的溫度對壓力的折減系數(shù)見表7。工程上PVC-C 法蘭最高允許壓力建議參考表7 的折減系數(shù)進(jìn)行修正。

表7 PVC-C 法蘭溫度對壓力的折減系數(shù)

4.3 PE 管材壓力溫度額定值

按照GB/T13663 生產(chǎn)的PE 管材，最高溫度不能超過40 ℃，最低工作溫度不低于0 ℃，PE 管材的實(shí)際公稱壓力建議按照溫度對壓力的折減系數(shù)進(jìn)行修正。PE 管材溫度對壓力的折減系數(shù)見表8

表8 PE 管材溫度對壓力的折減系數(shù)

PE 管線法蘭是鋼制法蘭盤與PE 材質(zhì)的翻邊短節(jié)組成的松套法蘭，法蘭盤材質(zhì)可以由用戶確定，法蘭的最高允許壓力也隨著法蘭盤的材質(zhì)變化。

4.4 鋼骨架聚乙烯管材壓力溫度額定值

鋼骨架聚乙烯管材相對于PE 管材的強(qiáng)度更高，承壓能力更強(qiáng)。根據(jù)HG/T3690 的規(guī)定，其最高允許溫度不超過70 ℃，最低工作溫度也不能低于0 ℃。公稱壓力PN 是輸送20 ℃以下水的最大工作壓力，隨著溫度的升高，允許的工作壓力隨之降低，管材的公稱壓力按照折減系數(shù)進(jìn)行修正和折減，詳見表9。

表9 鋼骨架聚乙烯管材溫度對壓力的折減系數(shù)

鋼骨架聚乙烯法蘭是鋼制法蘭盤與鋼骨架翻邊短節(jié)組成的松套法蘭，法蘭盤材質(zhì)可以由用戶確定，法蘭的最高允許壓力也隨著法蘭盤的材質(zhì)變化。

4.5 玻璃鋼襯PVC 和襯PP 復(fù)合管材壓力溫度額定值

玻璃鋼襯PVC 復(fù)合管材在不同溫度下允許的工作壓力與管材的公稱直徑有關(guān)，詳見表10。

表10 玻璃鋼襯PVC 復(fù)合管材允許的工作壓力

玻璃鋼襯PP 復(fù)合管材在不同溫度下允許的工作壓力與管材的公稱直徑有關(guān)，詳見表11。

表11 玻璃鋼襯PP 復(fù)合管材允許的工作壓力

HG/T21579 和HG/T21636 標(biāo)準(zhǔn)明確了玻璃襯PP 和襯PVC 管材的允許工作壓力，除了與溫度有關(guān)，還與管材公稱直徑有很大關(guān)系，這也是許多塑料管材的共性特點(diǎn)，不過其它各塑料管材在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，并沒有區(qū)分不同規(guī)格管材的允許工作壓力。

5 閥門材料選擇

工業(yè)塑料管材用于腐蝕性介質(zhì)時(shí)，閥門主體材質(zhì)可選的主要有耐蝕金屬、塑料、鋼襯塑等。一般耐蝕金屬價(jià)格較高，出于成本控制的考慮，較少采用耐蝕金屬閥門。塑料閥門可選的材質(zhì)主要是PVC-C、PVC-U、PVDF 等材質(zhì)。塑料閥門相對于金屬閥門的顯著優(yōu)點(diǎn)主要是：耐蝕性好、質(zhì)量輕、造價(jià)低等。但塑料閥門行業(yè)產(chǎn)品良莠不齊，塑料閥門存在口徑小、耐溫差、閥門組件滲漏、閥門內(nèi)漏嚴(yán)重、使用年限短等諸多缺點(diǎn)[3]。塑料閥門公稱壓力一般不超過PN10，隨溫度升高，允許壓力降低，折減系數(shù)可以參考相應(yīng)材質(zhì)的法蘭折減系數(shù)。鋼襯塑閥門充分發(fā)揮了鋼制閥體承壓能力高、內(nèi)襯塑料耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前，最常用的閥門內(nèi)襯塑料是F46 聚全氟乙丙烯，這種氟塑料耐蝕性能優(yōu)異，閥門襯F46 在塑料管線上應(yīng)用普遍。

6 其余設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

塑料管材一般電阻率高，是優(yōu)異的靜電非導(dǎo)體，流體介質(zhì)積累的靜電電荷難以導(dǎo)出，時(shí)間一長，靜電積聚到一定程度，會擊穿管壁。如果流體介質(zhì)是易燃易爆類或者周圍管道泄漏了易燃易爆介質(zhì)，極有可能引燃介質(zhì)，造成事故，因此，塑料管材一般不能用于輸送易燃易爆介質(zhì)，而且也不宜在易燃易爆環(huán)境中使用，除非塑料管材做好靜電導(dǎo)出和屏蔽等工作。

塑料管材滲透率較高，不宜用于輸送滲透性強(qiáng)的流體，以避免造成人身傷害事故。

7 結(jié)語

塑料管材以耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性、使用年限長等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。在工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意核查塑料管材的適用性，并充分掌握相關(guān)塑料管材的性能和標(biāo)準(zhǔn)要求，正確進(jìn)行相關(guān)選材設(shè)計(jì)，并對管材應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，做好風(fēng)險(xiǎn)防范措施。