PE管道在工业领域的应用及质量控制

亚大集团公司 王志伟 孙铁庄 吴源

摘要：近年来，PE管道材料和产品质量有了长足进步，在燃气和给水领域得到广泛应用，利用高质量PE管的优异性能及耐化学性，还可开拓其它市场领域，如市政中水输送、酸性废水输送、废水处理管道等。本文讨论了聚乙烯管道在工业应用的特性及要求，非标准口径聚乙烯管道的生产技术及控制要点，分析工业领域应用聚乙烯管道的相关要求、特点及质量控制重要性。

关键词：PE管道； 工业应用； 工艺改进； 产品质量控制

1 工业领域用塑料管材的一般要求

用于输送工业流体介质的塑料管道，由于具有独特的塑料材料分子结构，使其在工业领域的使用中相对金属材料显示出无可比拟的优越性。热塑性塑料的分子链是以较强的链间(次价)力结合在一起的，而不是以交联体系中特有的化学键结合在一起。因此，热塑性塑料分子链的分离不涉及主价键的破坏，溶剂和塑料的相互作用与溶剂同低分子量有机物质的相互作用并没有本质的差别。

塑料吸收或解吸流体介质的过程有时间依赖性，受它的溶解度和扩散系数所支配，有些材料到达平衡的时间长得惊人，因此，ISO 4433系列标准《热塑性塑料管材—耐液体化学物质—分类》中规定根据由测试材料制成的标准试样（用于拉伸试验的类型）取自于管材，试样完全浸泡到将要试验的液体化学物质中，经过一定的浸泡周期，依据于随时间变化的试样质量变化、拉伸性能变化（弹性模量、屈服和断裂强度，屈服和断裂伸长率）来衡量塑料管道材料在无应力情况下对某种流体介质的耐化学性能。

在承受应力情况下，一些液体（例如润湿剂）可能会使样品开裂，而在无应力时并不会影响样品性质。通过ISO 4433－1《热塑性塑料管材—耐液体化学物质—分类 第1部分：浸泡试验方法》的方法获得的结果推断表示如下：“S”：耐浸蚀；“L”：有限的耐浸蚀 ，“NS”：不耐浸蚀。如何根据工业流体介质种类、温度、压力、浓度等条件，正确选择塑料管道材料，是正确进行工业用塑料管道系统设计的第一步，ISO/TR 10358《塑料管材和管件 塑料管材和管件 耐化学性综合分类表》中提供了管材和管件在无压力、无应力条件下耐化学性的初步分类结果，可作参考。

输送工业流体介质的热塑性塑料管材的管壁可能会同时发生几种现象：一方面，管壁吸收液体和/或从管壁中析出可溶解组分；另一方面，化学反应也会使管材的特性发生很大的变化。管材的内应力和外应力（例如温度、压力、壁厚等）所造成的现象是不同的。因此，要设计使用塑料管道输送工业介质，了解塑料材料对某种化学介质的相互作用，尤为重要。塑料管材标准化结构设计和强度设计是塑料管道制造和使用的前提，其根本任务就是在规定的工况条件下，为了保证若干年使用寿命，要正确选用塑料管道的原料和级别、管道的结构尺寸，运行设计等内容。

2 工业领域用聚乙烯（PE100）管材的要求

2.1 设计要求

对于聚乙烯管材应用于工业领域，在设计计算中可根据管道材料、设计温度、设计使用年限从图1中的表中查出聚乙烯对应的最小要求静液压强度预测值的置信下限σ_LPL值。若需更精确的值可根据公式计算得出。设计应力等于最小要求静液压强度预测值的置信下限σ_LPL除以总体使用（设计）系数C。也称为安全系数法。

式中： σ_S－设计应力 （MPa）；

σ_LPL －管道材料静液压强度预测值的置信下限 （MPa）；

C－总体使用 (设计)系数；总体使用(设计)系数C即相当于金属管道设计中的安全系数，应按公式C=C_M*C_A来确定。C_M 为管道材料的设计系数，C_A为管道应用的设计系数。

图1 PE100 管材材料最小要求静液压强度曲线

ISO 12162给出的聚乙烯管道材料的设计系数C_M值为1.25。

图1中：在10-80℃的范围内，图中最小要求静液压强度值计算公式：

管道应用的设计系数C_A是一个大于1的值，应该在充分考虑到流体工况、安装环境及流体的化学性能等因素后，由设计人员根据管道各种工况综合考虑后确定，确保管道设计有可靠的安全性。根据经验和实际使用情况一般在1.3-4之间选取。用于低压、常温、低浓度的酸、碱、盐可在1.3-1.5之间选取。对于非常温或腐蚀性较强的介质应选取较高的应用系数以保证必要的安全裕度。若工况较为复杂或有一定危险性时，应慎重，不能只用简单的安全系数法来进行管道设计，为安全起见，应通过试验方法（ISO 4433）来取得所用管道材料的基础应力σ_B 。

2.2 性能要求

PE80和PE100材料具有高质量优异性能、优良的耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展性能，多年来在燃气和给水上的应用优势，也由于其具有的耐化学性、耐腐蚀性，也具有在工业领域应用的材料基础优势。对于输送工业介质用塑料管道，使用的混配料也应具有混配料的级别证明，材料应按照ISO 9080进行分级评定，按照ISO 1167进行压力试验。不同级别聚乙烯管道材料的最小要求静液压强度曲线及相关要求也不同，可参阅ISO 15494。PE80和PE100的力学性能典型值参见表1。

表1 PE80和PE100力学性能的典型值

2.3 耐化学/腐蚀性

在工业应用领域，管道输送的流体介质名目繁多、成分复杂。对于腐蚀性介质，当没有成熟的使用经验时，一定要通过试验确定材料对流体介质的耐化学腐蚀系数f_CR ，再用试验外推方法得到该腐蚀介质在设计条件下管道材料的基础应力σ_B 。ISO 8584中介绍了试验方法及确定工业承压用热塑性塑料管材的耐化学系数和基础。

a.σ_LPL是管道材料与设计温度和设计使用年限有关的强度值，但未考虑流体介质腐蚀对管道材料强度的影响。通常该值是以水为试验介质取得的；

b.σ_B是已经考虑了管道材料输送介质的性质，并与设计温度和使用年限有关的强度值。

以上所述σ_LPL和σ_B均为管道材料在某使用条件下要求的最小强度值，是在实验室条件下得出的结果，因塑料管材与金属管材对温度的敏感性有较大差异，因此往往与实际应用环境有所差别。设计人员应注意到这一点。所以应用时需适当考虑环境影响的安全裕度。

聚乙烯是无极性的饱和脂肪烃长链聚合物，这就决定了它对水和各种化学试剂的惰性。常温下除极少数溶剂外，几乎不溶于一般的有机试剂，但脂肪烃、芳香烃、卤代烃与PE长时间作用时，能使其溶胀。当温度超过60℃时，有可能被苯、甲苯、醋酸戊酯、松节油、石油醚、矿物油和石蜡逐渐溶解。PE可溶于四氢化萘和十氢化萘之中。其溶解度与结晶度、相对分子质量有关，随着结晶度与相对分子量的增加而降低。常温下PE能耐稀硫酸、硝酸及浓度较大的盐酸、磷酸、氢氟酸、甲酸、乙酸、氨和胺及各种碱、盐溶液，但不耐强氧化性酸，如浓硫酸、硝酸、铬酸和硫酸的混合溶液等。当温度高时，约90-100℃的硫酸、硝酸能迅速破坏聚乙烯结构。因此在考虑压力管的化学抵抗性时，应着重考虑连接的类型、温度和导致管子最终破坏的机械载荷因素。在敷设管道时，要避开有此类物质的场所。

关于聚乙烯(PE)管道对于化学介质的耐浸蚀性参见ISO/TR10358：1993标准，该标准确立了在一系列温度范围内对于特定流体的耐化学浸蚀性分级。可按照标准表中给出的不同材料在不同温度、不同浓度下的耐化学浸蚀性分级数据来确定其是否可以应用。必要情况下按照ISO 4433系列标准或其他相关国际标准的耐化学性试验方法进行评价。

2.4 温度要求

各种管道材料的使用温度范围与原材料品质和使用寿命有关系。通常情况下，PE100推荐的使用温度范围为-2～60℃。使用温度范围一般只在低压下适用于水和其它类似液体，在较高压力下，温度上限有所降低，取决于流体性质和预期使用寿命的组合。

3 大口径聚乙烯及非标准管材的生产工艺和控制要点

大口径聚乙烯管材挤出线在中国的应用越来越广泛，有十余家企业拥有超过800mm的大口径挤出线，设备、原材料、高水平挤出工这三个要素是大口径聚乙烯管材生产最为重要的环节。可靠和冗余的烘料输料系统、高效稳定的挤出和牵引设备、足够的真空冷却定型部分、以良好挤出加工性能的原材料和拥有良好挤出素质和丰富经验的挤出工，可以在大口径管材生产质量、成本和效益方面取得最大的优势。生产非标准薄壁管材，需要制定严格的生产工艺和控制方式。图2为两张管材挤出照片示例。

3.1 大口径及非标准管材的生产设备及工艺控制

聚乙烯管材生产线包括挤出机、模头、真空定径装置、定径模具、冷却装置、牵引机、切割机、收集装置等部分。对于管材挤出而言，以高速生产高品质管材为发展方向。为保证高质量挤出产品，要求高扭矩可以保证高挤出量；合理的螺杆直径可以达到理想的混炼效果，以保证稳定的高挤出量；优化设计的聚乙烯管模头（篮式模头和螺旋模头）可以通过改善熔体质量来提高管材的质量和生产效率；设计或选择与聚乙烯相适应的螺杆结构和尺寸等。我们目前没有对挤出机主机部件做改进，而是综合考虑了熔体温度、扭矩、背压等各方面因素，通过对无法满足大口径及高速生产的设备及零件进行改进，考虑牵引机的选型，要求的牵引力大小、切割机锯台的进退方式等。

a. 在系统供料方面，选用集中供料的方式，增加取料的灵活性，增加烘料、输料的冗余系统，以防系统出现故障时，启用冗余系统烘料和输料，减小对挤出生产的影响。

b. 真空定型装置及冷却装置是管材定型的重要设备，利用真空负压的作用使管材在较高温度下保持标准的形状，并同时进行喷淋冷却，其优劣直接影响生产的稳定性和管材内外表面的质量；真空定型装置要达到在生产条件要求下的稳定真空度、稳定的水温水位控制系统、长期的防腐蚀性能、能提供一定的冷却能力。对于高速挤出管材及大口径管材生产，在真空定型装置之后的冷却装置（喷淋箱）是必不可少的，应达到强力喷淋（提供一定环绕管材的均匀冷却能力），能满足管材足够的冷却长度，使管材通过牵引机后不会破坏圆度，要有稳定的水温水位控制系统。

为达到大口径管材的挤出要求，我们改造增加了真空定径箱，同时增加喷淋箱的长度（5×6m），增大了水泵的功率，相应地扩大了管路的尺寸。改进真空箱和喷淋箱内的喷头，沿管材圆周均布，使水流以相当高的速度冲击到管材外壁上，阻止了界面暖水层的形成，增大了冷却强度并使热量沿管材圆周传递均匀。在每个真空箱和每个喷淋箱的入口端增加喷头的数量，增强冷却效果，采用间隔冷却方式，即喷淋槽间留有1-2m的距离，使管材内壁的热量向外扩散，管壁外层升温而内层降温。通过此方式，可显著减少内应力，同时增强冷却效果。见图3。

c. 牵引机驱动：我们在调试试制DN1000 SDR17的管材时，发现其牵引机变化比较大，通过与设备供应商的沟通，修改了电机驱动器的相关参数，保证了牵引机加、减速的平稳，同时更新了程序，将牵引机牵引速度的精度提高，保证了计算米重的平稳。

d. 切割机选型：一定要求设备供应商在出厂之前对其进行试切割，多次反复测试切割机的软启动以测试切割机的强度等技术细节问题，以确保切割的顺利进行。

e. 挤出系统报警设备：考虑到整条挤出线长度和高度，操作者不易观察到主挤出机前的报警部分，将其报警分别并联至牵引机上方，这样只要挤出机前方有报警，操作者后方便可立即发现并处理。

3.2 原材料

大口径聚乙烯管材的生产对原材料的要求尤为严格。因为管材口径大，在运输、安装、使用和维修中都会有后续需要解决的问题，选择的原材料必须得到保证。要求有良好的加工挤出性能、抗熔垂性能以及稳定如一的原材料性能始终能保证挤出产品性能的合格和稳定。

3.3 挤出工艺控制和管理

大口径聚乙烯管材挤出需要加强工艺控制和管理。每次生产之前，召开挤出会议并由技术人员与生产班长、技术工艺员一起确定模间距的大小、加工温度、生产中的细节问题等，负责挤出的准备、调试和经验的总结。在生产设备维护方面，技术与生产合作小组要对设备进行了水平调整并固定位置；对气路、水路进行检查改进，保证设备运行的可靠性和稳定性；要求操作者完善对生产过程中的记录，方便接班人员操作；工艺人员要时刻关注生产参数和设备的正常运转并对出现的问题采取措施，保证生产顺利进行；质检人员要加强产品的抽检频次，对生产数据记录在线检查，对出现曲线异常的时间段生产的管材进行隔离和确认。图4为测试人员对DN1200 SDR21管材焊接试验及产品静液压试验。

通过以上工艺控制及周详的工艺方案，在生产OD740^+6.7×67.3^+6.9 管材的过程中，其壁厚严格控制在公差下限，最大壁厚与最小壁厚的偏差为1.7mm。在OD1200^+10.8 ×57.2^+5.9 的SDR21管材生产中，其壁厚严格控制在公差下限，最大壁厚与最小壁厚偏差为：1.3mm，管材外观良好，用户及原材料厂商提供的国外两个制造商提供的同样原材料生产管材的壁厚偏差分别为7mm和5.9mm，完全达到了客户的严格要求，良好的壁厚控制技术节省了原材料。在非标准管材的生产方面，依据客户的要求，设计相应的工装模具，生产完全满足客户要求的高质量管材，并可对客户的施工提出专业的指导意见。在生产薄壁管材时需考虑牵引力是否会将管材夹扁、切割机是否能正常切割等因素。依据我们的经验，SDR60以上的管材牵引和切割将会比较困难，要探讨如何加强设备、工艺控制和设备管理。

亚大公司自2007年投入大口径管材生产，已经累计生产了DN900/SDR41、DN800/SDR17、DN900/SDR26、DN1000/SDR17、DN740×67.3、DN896×18、DN1195×20、DN795×15等一系列规格管材和非标准薄壁穿插管，如1200mm挤出线的生产能力可达1100kg/h，最大管材生产规格可OD1200mm，挤出线总装机功率830KWA。部分管材生产工艺条件与参数见表2。

表2 大口径管材的工艺参数

3 PE100聚乙烯管材在工业领域的应用案例

案例1：工业用水处理及回收利用－中国磷化工厂的重要水循环方案（见图5）

贵州瓮福(集团)有限责任公司是位于中国西南部的国有大型磷化工企业,生产需要消耗大量的水, 同时也会产生大量的酸性废水。鉴于水资源短缺, 迫使政府要求提高该工业的用水效率。贵州瓮福集团开发出“WFS 废水处理技术”, 该技术可以对生产用水进行回收利用，降低整个生产过程的环境污染。需要解决的问题是如何把压力高达80巴的酸性废水输送到水处理厂,这些废水具有极高的腐蚀性, 会快速腐蚀普通的钢铁管道。因此, 钢铁管道需要加装聚乙烯衬管以保护管道不受腐蚀。衬管将利用修补漏水和漏气管道的衬装技术导入钢铁管道。减少工厂的用水量, 减轻工厂运作对环境的污染, 同时将成本降至最低。

上述衬装管道由亚大公司制造。所需管道总长度为41km, 直径为316mm, 管壁厚度为8mm。各段聚乙烯管道首先被对焊在一起, 并把直径缩小10%,然后使用大功率绞盘把聚乙烯管道拉入钢铁管道(324*6.4mm)中, 最大工作压力：10.2MPa。一旦衬管到位即关闭绞盘, 膨胀后的聚乙烯管道就会与钢铁管道的内表面紧密地贴在一起。该过程依赖于聚乙烯的高强度和柔韧性,具有记忆性, 能够恢复并保持其原来的圆形形状。材料的质量是一个非常重要的考量因素。

该项目由中蓝连海设计研究院和美国联合管道公司共同承建,工程进展顺利，2008年完成。该衬管采用了高效的安装方式, 而聚乙烯管道的耐腐蚀性将能保证该系统长年正常运作。该项目所带来的直接优势是每年可节水270万立方米,使工厂的用水效率得到显著提高。据估计, 每年因此节省的总费用将超过700万美元，每年产生环保综合经济效益6000万元。

案例2：太原钢铁集团循环水管道工程（见图6）

太原钢铁（集团）有限公司是以生产板材为主的国有特大型钢铁联合企业，也是我国最大的特殊钢、优质钢生产基地。PE 管道用于污水输送，采用Φ315mm，PE100，SDR11的规格。总长约3km, 设计压力1.0MPa, 运行压力0.6MPa。部分地面以上，介质为炼钢产生的废水废渣等。

案例3：北京中水及再生水工程应用（见图7）

酒仙桥污水处理厂中水回用主管道工程, 施工时间：2010.11—2011.6,管材规格：OD1200mm,SDR17,PE100；管道长度：7000m（亚大为亮马河二标段2300m）设计压力：0.8MPa,工作压力：0.6MPa。

4 结论

在其它大型煤矿采用PE管道输水及排水和排污工程，管道输送煤层气等也均有PE管道应用。根据聚乙烯的有关特性和性能，采用良好的设备以及高超的工艺及控制管理，可以更好的发挥其性能优势，在工业管道领域有更广泛的应用。

参考文献：

[1]（北京）国际塑料管道交流会论文集（2009）.

[2]《工业常用塑料管道设计手册》(2008).