國內(nèi)外低熔垂大口徑聚乙烯管材專用料的發(fā)展概況*

李連鵬,王 碩,石俊學(xué),陳光巖,李曉東，宋曉慧，叢港先

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林 132022；3.中國石油吉林石化公司 電石廠，吉林 吉林 132021)

聚乙烯(PE)管材料具有突出的耐化學(xué)腐蝕性、焊接性能好、對輸送介質(zhì)無污染、使用壽命長、制造安裝費用低等特點，被廣泛地應(yīng)用于市政工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及石油化工等領(lǐng)域。

PE管材料開發(fā)至今已經(jīng)有50多年的歷史，按照國際標準ISO9080-2012[1]和ISO12162-2009[2]將PE管材分為PE32、PE40、PE63、PE80、PE100等級別。近些年來，國外各大公司在PE100管材料的基礎(chǔ)上，推出了適合于大口徑管材生產(chǎn)的低熔垂材料，由于其具有優(yōu)異的性能，使得大口徑PE管道在生活給水、海水養(yǎng)殖、海水淡化工程、輸送腐蝕性介質(zhì)或淤漿、應(yīng)用于腐蝕性的土壤環(huán)境以及用于內(nèi)襯法修復(fù)舊管道等領(lǐng)域，具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此市場需求保持持續(xù)穩(wěn)定的增長。

1 低熔垂大口徑PE管材的特點

在大口徑管材擠出過程中，由于管壁厚，冷卻固化的速度慢，熔體會在重力的作用下下垂，造成上面壁厚小，下面壁厚大，即“熔垂效應(yīng)”，使得制得的管壁達不到所要求的公差，不能實現(xiàn)符合要求的對接熔融焊接。通過調(diào)整口模間隙即增加上部間隙、減小下部間隙，雖可以在一定程度上進行補償，但這種補償能起到的效果也很有限。研究結(jié)果表明，高密度聚乙烯(HDPE)管材的抗“熔垂”性能好壞和零切粘度大小有關(guān)，零切粘度越大抗“熔垂”性能越好[3]。而從PE材料結(jié)構(gòu)的角度而言，雙峰相對分子質(zhì)量分布結(jié)構(gòu)設(shè)計是低熔垂材料研究的方向，因為低相對分子質(zhì)量部分決定了材料的加工性能，高相對分子質(zhì)量部分決定了抗熔垂性能，抗“熔垂”性能好的雙峰管材料的重均相對分子質(zhì)量更高，高相對分子質(zhì)量部分的含量更多[4]。因此，為了解決PE管材的熔垂現(xiàn)象，原料供應(yīng)商在PE100管材專用料的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化雙峰聚合工藝條件，平衡產(chǎn)品的加工性能和力學(xué)性能的關(guān)系，開發(fā)出低熔垂大口徑PE管材專用料。

2 國外低熔垂大口徑PE管材專用料的發(fā)展概況

在國外，低熔垂大口徑PE管材專用料的生產(chǎn)技術(shù)相對成熟，牌號較多，主要生產(chǎn)商有北歐化工、道達爾石化、英力士等公司。

(1) 北歐化工(Borealis)公司

北歐化工公司采用北星雙峰(Borstar)專利技術(shù)來生產(chǎn)BorSafeTM系列PE管材專用料，開發(fā)的專用料具有優(yōu)良的柔韌性和很好的強度。其中HE3490-LS(黑)、HE3492-LS(橙)和HE3494-LS(藍)具有優(yōu)良的抗熔垂性能，特別適合于大口徑管材的生產(chǎn)，生產(chǎn)的管材口徑最大可達2 000 mm。

(2) 道達爾石化(Total petrochemicals)公司

道達爾石化公司采用雙環(huán)管淤漿工藝生產(chǎn)PE100級管材料，共聚單體均為己烯。其中，該公司開發(fā)的Xsene系列管材中，XLS12B具有很好的抗熔垂性能，適用于大口徑管材的生產(chǎn)。該種原料在實驗室的應(yīng)力流變分析實驗中表現(xiàn)出非常好的抗熔垂性(如圖1所示)，同時在商業(yè)領(lǐng)域拓寬了大口徑厚壁管的生產(chǎn)范圍，可以生產(chǎn)1 600 mm×135 mm的管材，壁厚偏差只有5 mm。

時間/s

(3) 英力士(INEOS)聚烯烴公司

英力士聚烯烴公司采用InnoveneTMS雙環(huán)管淤漿聚合工藝來生產(chǎn)ELTEX系列HDPE管材專用料， 產(chǎn)品種類較多，其中壓力管道樹脂是該套工藝最具有特色的產(chǎn)品，具有優(yōu)秀的耐蠕變破壞、耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴展性能，同時具有優(yōu)異的加工性能。英力士聚烯烴公司主要大口

徑管材專用料有TUB121N3000(黑)和TUB124N2025(藍)2種。

(4) 沙特基礎(chǔ)工業(yè)(Sabic)公司

沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司在德國Gelsenkirchen市的HDPE裝置采用雙峰淤漿聚合工藝技術(shù)，使用自行開發(fā)的催化劑，生產(chǎn)低熔垂大口徑管材專用料SABICVestolen A RELY 5924R，該產(chǎn)品可以擠出生產(chǎn)DN2000mm或者壁厚達到100 mm的管材料。

(5) 美國陶氏化學(xué)(DOW)公司

美國陶氏化學(xué)公司采用UNIPOLTMII聚合工藝，采用2個氣相流化床反應(yīng)器串聯(lián)，來生產(chǎn)雙峰PE管材料CONTINUUMTMDGDA-2492BK，該產(chǎn)品具有杰出的耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴展性能，熔體強度高，適用于大口徑工業(yè)管材的生產(chǎn)。

此外，利安德巴塞爾(LyondellBasell)工業(yè)公司開發(fā)的CRP100 XL Black和韓國三星道達爾石化公司開發(fā)的P110A也可用來生產(chǎn)低熔垂大口徑PE管材。

表1列出了國外公司低熔垂大口徑PE管材專用料的性能指標。

表1 國外低熔垂大口徑PE管材專用料的性能指標

3 國內(nèi)低熔垂大口徑PE管材專用料的發(fā)展概況

近些年來，國內(nèi)各石化公司為了提高企業(yè)的市場競爭力，加大了科技創(chuàng)新力度，引進先進的催化劑體系和對現(xiàn)有聚合工藝技術(shù)進行優(yōu)化研究，開發(fā)了低熔垂大口徑PE管材專用料，實現(xiàn)了PE管材產(chǎn)品的差別化和高端化。

2012年和2013年，大慶石化公司和獨山子石化公司先后在UNIPOL全密度PE裝置上，利用進口的PRODIGY BMC-200催化劑，1-己烯為共聚單體，通過控制相對分子質(zhì)量分布和共聚單體的組成，開發(fā)了單反應(yīng)器雙峰低熔垂大口徑PE管材專用料UHXP-4808。2013年5月，吉林石化公司利用赫斯特淤漿聚合裝置，在雙峰PE100級管材料JHMGC100S的工藝基礎(chǔ)上進行了工藝優(yōu)化，成功開發(fā)了低熔垂大口徑PE管材專用料，同時完成了產(chǎn)品的加工應(yīng)用實驗，產(chǎn)品質(zhì)量得到了用戶的認可[5]。2014年，獨山子石化公司利用5萬t/a HDPE混配料生產(chǎn)線，開發(fā)了低熔垂大口徑管材混配料UHXP-4808B，其主要物性指標和應(yīng)用性能通過獨山子石化公司研究院的性能評價。

4 國內(nèi)外低熔垂大口徑PE管材的應(yīng)用情況

國內(nèi)外塑料管的應(yīng)用都是從較小直徑起步，逐步向較大直徑(DN800 mm以上)發(fā)展。由于塑料管是“環(huán)境友好”的綠色建材，和傳統(tǒng)管道比較可以顯著減少碳排放，出于對環(huán)境報告的重視，近些年來國內(nèi)外大口徑塑料管出現(xiàn)了良好的發(fā)展趨勢。

大口徑厚壁PE管材主要應(yīng)用于污水排放、海水淡化廠的海水輸送、工業(yè)冷卻水供給、飲用水輸配等領(lǐng)域。在生產(chǎn)大口徑厚壁PE管材時，隨著最大工作壓力的增大，管材的壁厚也逐漸增加，如表2所示，因此在選用原料時，一般采用低熔垂PE管材專用料，使生產(chǎn)的管材壁厚均勻。

在國外，大口徑PE厚壁管材的擠出生產(chǎn)線、配套焊接設(shè)備和施工方案都比較完善，應(yīng)用案例也比較多。比如，西班牙Pescanova漁場集團子公司Acuinova公司在葡萄牙北部Mira擴建項目，采用5 300 m的大口徑(DN2 000 mm×76.9 mm)管材，將海水輸送到養(yǎng)魚場的魚池中，采用的原料為道達爾石化XLS 12B。博祿公司中東聚合裝置安裝了一個DN1 600 mm長25 km的PE100海水冷卻管道，采用的原料為北歐化工的HE3490LS。

表2 管材壁厚比(SDR)、最大運行壓力(MAOP)和管道壁厚關(guān)系

1) DN800指管道公稱外徑為800 mm，其它依此類推。

在國內(nèi)，由于PE管道和傳統(tǒng)的球墨鑄鐵相比，具有衛(wèi)生、抗腐蝕和鋪設(shè)方便快捷的優(yōu)勢，同時符合國家的“節(jié)能減排”方針，因此低熔垂大口徑PE管材在我國的應(yīng)用也逐年增多，用于中水管道和飲用水的輸送、排海管道等領(lǐng)域。比如，在河北曹妃甸產(chǎn)業(yè)園鋪設(shè)了長度6 718 m，DN1 000 mm口徑的PE100級給水管道，作為工業(yè)水廠主輸水管線。北京市排水集團中水公司在亮馬橋中水管道的鋪設(shè)過程中，采用DN1 200 mm、壁厚達到70 mm的管材。

5 發(fā)展建議

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進以及國家加大對農(nóng)業(yè)、水利、城市管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，將為塑料管道發(fā)展帶來新的發(fā)展機遇。與國外管材原料生產(chǎn)企業(yè)相比，國內(nèi)石化企業(yè)還存在著一定的差距和不足，建議在以下方面開展工作。

(1) 開發(fā)高性能高附加值的PE管材專用料。近些年來，雖然國內(nèi)石化企業(yè)加大了科研力度，能夠生產(chǎn)PE100級管材專用料的廠家增多，但是和國外企業(yè)相比，在燃氣管材、低熔垂大口徑管材以及PE100-RC抗劃痕管材等方面，還有著很大的差距，需要加大企業(yè)創(chuàng)新力度，開發(fā)高性能高附加值的管材專用料，提高企業(yè)的市場競爭力。

(2) 建立完善的技術(shù)服務(wù)體系，提高技術(shù)支持水平。國內(nèi)各大石化企業(yè)應(yīng)當建立生產(chǎn)-銷售-科研-技術(shù)服務(wù)一體化的工作模式，組建高水平的技術(shù)服務(wù)隊伍，從材料的鑒別、管材的加工和施工質(zhì)量等方面入手，為客戶提供強有力的技術(shù)支持。

參 考 文 獻：

[1] 國際標準化組織.ISO 9080：2012 Plastics piping and ducting systems-Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation[S].瑞士：國際標準化組織，C2012.

[2] 國際標準化組織.ISO 12162：2009 Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applications-Classification,designation and design coefficient[S].瑞士：國際標準化組織，C2009.

[3] DesLauriers P J,McDaniel M P,Rohlfing,et al.A comparative study of multimodal vs bimodal polyethylene pipe resins for PE-100 applications[J].Polymer Engineering and Science,2005,45(9):1203-1213.

[4] 沈繼紅.用固體核磁技術(shù)分析PE100管材料的抗熔垂性[J].合成樹脂及塑料,2007,24(4):12-15.

[5] 畢家林,李連鵬,胡建洪，等.國內(nèi)外PE100級管材專用料的發(fā)展和應(yīng)用概況[J].彈性體,2014,24(2):73-79.