給水用聚乙烯管材性能分析及應(yīng)用

張延峰

摘 要：聚乙烯管材的應(yīng)用現(xiàn)在越來越廣泛，因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，現(xiàn)在供水網(wǎng)絡(luò)中所使用的管材主要為聚乙烯管材，對(duì)于聚乙烯管的性能測定非常重要，決定了其使用情況，通過對(duì)其性能的分析還能有效對(duì)其進(jìn)行研究，進(jìn)一步發(fā)展聚乙烯材料的性能。

關(guān)鍵詞：聚乙烯管 供水 測定

中圖分類號(hào)：TQ325.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（a）-0067-02

聚乙烯管材的性能決定了其使用領(lǐng)域，目前，在燃?xì)?、供水、灌溉等方面都有很好的使用價(jià)值。聚乙烯管柔韌性良好、抗壓性能強(qiáng)，非常適合用于地埋管道，聚乙烯管材本身無毒害，所以能夠使用在供水系統(tǒng)中。該文針對(duì)其性能做了介紹，又給出了聚乙烯管材斷裂伸長率測定不確定分析的方法。

1 聚乙烯管的介紹

1.1 聚乙烯管的性能

聚乙烯管一般分為承壓管和非承壓管，聚乙烯管的主要特點(diǎn)如下。

（1）溫度適用范圍大。聚乙烯管對(duì)溫度的適應(yīng)性非常好，一般的溫度范圍都能使用這種管材，可以承受的最低溫度是-70 ℃，可承受的最高溫度為95 ℃，所以一般情況下都可以使用。

（2）抗壓能力好。聚乙烯管的抗壓性能非常良好，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，爆破壓力超過了5 MPa；當(dāng)溫度為95 ℃時(shí)，爆破壓力超過2 MPa。

（3）無毒。聚乙烯管的材料自身無毒害，在進(jìn)行管材加工的時(shí)候，不添加重金屬成分作為穩(wěn)定劑，所以沒有產(chǎn)生細(xì)菌，也沒有結(jié)垢層的出現(xiàn)，符合國家輸送飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）耐磨性良好。聚乙烯管的耐磨性非常好，在運(yùn)輸顆粒性物料時(shí)，其耐磨性能是鋼管的4倍。

（5）耐腐蝕性。對(duì)于聚乙烯管來說，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，具有良好的耐腐蝕性能，一般情況下，對(duì)酸、堿、鹽及有機(jī)介質(zhì)等各種腐蝕性化學(xué)物質(zhì)都有良好的抵抗性。

（6）焊接性能好。聚乙烯管的質(zhì)量非常小，搬運(yùn)非常便捷。焊接非常容易，簡單易操作，焊接口很少，大大降低了安裝成本，對(duì)安裝人員的專業(yè)性能要求很低，安裝聚乙烯管的工作量只為金屬管的1/2。

（7）良好的可溶性。對(duì)于聚乙烯管材來說，其接口強(qiáng)度非常好，甚至優(yōu)于管材強(qiáng)度，在一般的荷載作用下不會(huì)發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，其柔軟性也非常強(qiáng)大，斷裂伸長率最低為500%。

（8）使用周期長。聚乙烯管在可承受的穩(wěn)定壓力下，一般最低安全使用期限為50年。

1.2 聚乙烯管專用料的等級(jí)劃分

現(xiàn)在我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燃?xì)廨斔途垡蚁┕転镻E80，給水聚乙烯管為PE100。目前，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸送燃?xì)夂徒o水的聚乙烯（PE）管為PE80和PE100等級(jí)。原始的聚乙烯管PE63，在20 ℃的工況條件下，50年的連續(xù)壓力下，管壁承受環(huán)向張應(yīng)力為6.3 MPa，我們常見的PE80和PE100分別為8.0 MPa和10.0 MPa。

1.3 聚乙烯管的生產(chǎn)

在聚乙烯管材研究飛速發(fā)展的現(xiàn)今，到2010年全球聚乙烯管的使用量為500×104 t，燃?xì)夤艿郎系氖褂眠_(dá)到了總量的20%。最先在燃?xì)廨斔蜕鲜褂镁垡蚁┕艿氖敲绹?，因?yàn)樗己玫男阅苤笜?biāo)，使用的推廣非常迅速。在20世紀(jì)80年代，我國的燃?xì)廨斔褪聵I(yè)也開始使用聚乙烯管，經(jīng)過長達(dá)10年的使用測試后，其各項(xiàng)指標(biāo)都非常良好，到2010年我國已經(jīng)有很多優(yōu)秀的生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)線多達(dá)1 500條，具有超過100萬t的生產(chǎn)能力。

2 聚乙烯管斷裂伸長率分析評(píng)定

2.1 實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

沿著聚乙烯塑料管道的縱向進(jìn)行裁切，制取出符合要求的形狀和尺寸試樣。使用拉力試驗(yàn)機(jī)在相應(yīng)條件下測試聚乙烯管材的拉伸性能。

測試儀器及材料：XWW-10A型電子萬能試驗(yàn)機(jī)、鋼卷尺，試驗(yàn)所用材料為同一根聚乙烯管材上裁取。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)過程

在（23±2）℃的溫度環(huán)境條件下，把測試樣品靜置24 h調(diào)節(jié)試樣狀態(tài)，保持外界環(huán)境條件不變，先把聚乙烯管材試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)上，試樣的軸線要與拉伸應(yīng)力在一條直線上，調(diào)節(jié)松緊程度達(dá)到最佳狀態(tài)，把引伸計(jì)調(diào)整在管材試樣的標(biāo)線上，按照預(yù)先選擇好的速度開始管材測試，對(duì)管材試樣的斷裂時(shí)間做記錄。

2.2 數(shù)學(xué)模型

式中：E為被測試樣的斷裂伸長率；L1為被測試樣斷裂時(shí)的標(biāo)線長度；L0為被測試樣標(biāo)線的原始長度。

2.3 不確定度的來源

（1）重復(fù)測量所引入的不確定度分量u1（b）。

（2）電子引伸計(jì)的計(jì)量性所引入的不確定度分量u2（b）。

（3）量具的計(jì)量性所引入的不確定度分量u2（b）。

（4）量具的分辨率所引入的不確定度分量u2（b）。

（5）數(shù)值修約所引入的不確定度分量u3（b）。

（6）環(huán)境條件變化所引入的不確定度分量u4（b）。

通過對(duì)每一種來源的不確定度進(jìn)行分析，得出最終的結(jié)論。

斷裂伸長率是聚乙烯管材料用來做給水管道一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，是一項(xiàng)破壞性檢測，測定其物理性能，因?yàn)闄z驗(yàn)費(fèi)用較高，工作量相對(duì)較大，無法對(duì)每一批次生產(chǎn)的管材進(jìn)行檢測，所以對(duì)聚乙烯管材的伸長率檢測采用這種不確定評(píng)定非?？茖W(xué)合理，具有很好的實(shí)踐性。

3 對(duì)聚乙烯管質(zhì)量的管理

對(duì)所有的塑料制品來說，其性能很大程度上取決于其生產(chǎn)的工藝方法。在合理的原料配比下，工藝生產(chǎn)過程出現(xiàn)問題，最后產(chǎn)品的性能會(huì)受到很大的影響。例如：不同種類助劑的均勻混合、對(duì)配料擠出溫度的控制、管材冷卻速度的控制等，這些都是十分重要的生產(chǎn)工藝過程，需要給予很高的重視。如果在進(jìn)行配比的時(shí)候，助劑的分量不足，那么很難與聚乙烯的顆粒進(jìn)行均勻的混合。所以在生產(chǎn)過程中，一般先把助劑配置成母料，之后再與顆粒的聚乙烯料均勻混合后擠出使用。聚乙烯管材在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)很大的內(nèi)應(yīng)力，因?yàn)樯a(chǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生交聯(lián)、結(jié)晶的現(xiàn)象，這個(gè)內(nèi)應(yīng)力必須進(jìn)行消除，否則在使用過程中會(huì)出現(xiàn)很多問題，例如：變形、翹曲、收縮等。對(duì)于聚乙烯管材來說，擠出后的冷卻時(shí)間就是用來消除內(nèi)應(yīng)力的，所以在生產(chǎn)過程中要保持足夠長的冷卻時(shí)間來達(dá)到消除的目的。

從理論上來說，沒有缺陷的、取向完全的聚乙烯材料拉伸強(qiáng)度非常好，能夠達(dá)到1 500 MPa，但是在實(shí)際的生產(chǎn)中，這個(gè)數(shù)值只是20～50 MPa，與理論值的差距非常大。主要是因?yàn)樯a(chǎn)過程中存在下列問題。

材料的擠出溫度，在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制材料的擠出溫度，一般情況下，對(duì)于密度較低的聚乙烯材料，擠出溫度控制在160 ℃左右（上下幅度10 ℃的范圍內(nèi)），對(duì)于密度較高的聚乙烯材料，擠出溫度控制在165 ℃～185 ℃。如果擠出溫度過高非常容易發(fā)生材料焦化的情況，管材顏色會(huì)發(fā)黃。如果擠出溫度太低，那么聚乙烯材料的塑化非常不好，沒有塑化的顆粒的存在狀態(tài)是“魚眼”狀，會(huì)導(dǎo)致聚乙烯管存在缺陷。在生產(chǎn)過程中擠出溫度的控制通過試驗(yàn)得出，對(duì)不同的設(shè)備，不同的環(huán)境情況都存在差異；對(duì)雜質(zhì)要嚴(yán)格控制，生產(chǎn)過程中如果混入塵土、油漬等都會(huì)最終導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷，所以對(duì)生產(chǎn)過程的控制非常重要，保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔性、保證工人操作的規(guī)范性，這些小環(huán)節(jié)都會(huì)決定管材最終的性能；生產(chǎn)模具的精密程度也會(huì)影響管材的性能，擠出管材表面如果出現(xiàn)劃痕，那么會(huì)造成材料的應(yīng)力集中，最終影響到聚乙烯管的機(jī)械強(qiáng)度；在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、安裝上也要做好相應(yīng)的管理，這些過程都是容易造成管材損傷的過程，如果聚乙烯管發(fā)生損傷，那么會(huì)造成所受應(yīng)力集中，降低機(jī)械強(qiáng)度，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪^程中都很容易產(chǎn)生傷痕，所以要加強(qiáng)管理工作，避免這樣的現(xiàn)象發(fā)生。所以，保證科學(xué)合理的工藝才能保證產(chǎn)品是合格的聚乙烯管材，對(duì)其良好的后期管理又保證了其性能的完整性。

4 聚乙烯管材的發(fā)展前景

4.1 燃?xì)庀到y(tǒng)

我國很多城市的空氣污染問題非常嚴(yán)重，在檢測的300個(gè)城市中超過三級(jí)污染的占到70%，所以對(duì)于燃?xì)飧脑焓种匾诤芏喑鞘卸家_展。我國的能源結(jié)構(gòu)在逐步轉(zhuǎn)向天然氣能源的利用，現(xiàn)在我國很多地方都開展了燃?xì)夤芫W(wǎng)的鋪設(shè)，根據(jù)國外的市場應(yīng)用，聚乙烯管是目前來說最優(yōu)質(zhì)的運(yùn)輸管材。所以在燃?xì)廨斔椭袝?huì)有大量的使用，其優(yōu)質(zhì)的性能都是其使用的重要保證。

4.2 城市供水系統(tǒng)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于健康越來越重視，飲用水的衛(wèi)生是健康的基本保障，飲用水如果出現(xiàn)問題，那么影響范圍非常大，許多城市的擴(kuò)建、老舊城區(qū)的改造都需要鋪設(shè)很多的地下供水網(wǎng)絡(luò)管道。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)以及性能比對(duì)，對(duì)于直徑相對(duì)較小的水管道使用聚乙烯管的經(jīng)濟(jì)性、合理性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬管材，所以聚乙烯管材是目前使用最多的供水管道材料。聚乙烯管的柔韌性、抗壓性都非常良好，保證使用的安全性，接頭的性能穩(wěn)定，不容易開裂，發(fā)生斷裂爆管的情況非常少，正是由于具有這些良好的物理性能，使得聚乙烯管非常適合用做地埋管線，其無毒性對(duì)供水的安全提供了很大的保障。

4.3 農(nóng)村灌溉系統(tǒng)

聚乙烯管材在農(nóng)村的使用量非常大，聚乙烯管的物美價(jià)廉非常受廣大農(nóng)民的喜愛。對(duì)農(nóng)村市場的供應(yīng)量非常大，在給水和灌溉上都有很好的使用表現(xiàn)，農(nóng)村由于條件限制，很多的飲用水都達(dá)不到國家要求標(biāo)準(zhǔn)，給居住人口的健康帶來很大隱患，很容易引起地方性病癥。對(duì)農(nóng)村用水的改造刻不容緩，主要改造方法是鋪設(shè)聚乙烯給水管道。由于水資源短缺的情況日益嚴(yán)重，要最大程度地利用水資源，灌溉對(duì)水量的需求非常大，為了提高水的利用率，很多地方都推行各種各樣的節(jié)約用水灌溉方法，在這一制度推行的時(shí)候會(huì)用到大量的聚乙烯管材。隨著社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用量還會(huì)增大，所以研發(fā)更加符合實(shí)際情況的聚乙烯管材非常重要。

5 結(jié)語

綜上所述，聚乙烯管的適用范圍非常廣泛，在供水系統(tǒng)中的表現(xiàn)尤為突出，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用于供水系統(tǒng)的管網(wǎng)中。通過對(duì)其性能的分析，找出影響性能的因素，加以控制，生產(chǎn)出合格優(yōu)質(zhì)的聚乙烯管材，保證使用中的安全性，并且保證使用年限。

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