第二課：聚乙烯（PE）管道（一）

主講嘉賓：武新國 彭克奇

第二課：聚乙烯（PE）管道（一）

主講嘉賓：武新國 彭克奇

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，塑料管道的應(yīng)用越來越廣泛。聚乙烯（PE）管道具有許多卓越的特性，如耐低溫、韌性好、剛?cè)嵯酀?jì)等，因此在一些特殊用途中大顯身手。在某些領(lǐng)域中，傳統(tǒng)材質(zhì)的管道不是不適用，就是費(fèi)用大，而且不能保證使用安全。有些傳統(tǒng)材質(zhì)的管道容易發(fā)生腐蝕和接頭泄漏等問題，聚乙烯（PE）管道圓滿地解決了這兩大難題。

聚乙烯（PE）管道作為室外線路管，廣泛敷設(shè)于腐蝕性的土壤中，以及平原、山地和沼澤地區(qū)，并能夠作為承插管插入舊管道中修復(fù)、更新舊管道。由于聚乙烯（PE）管道有與眾不同的施工特點(diǎn)，往往為使用者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)相關(guān)資料顯示，聚乙烯（PE）管道安裝費(fèi)用低于鋼管管道安裝費(fèi)用50%，而非開挖的穿插法又比直接開挖埋地法節(jié)約費(fèi)用30%～40%。

這一課，結(jié)合GB/T 13663—2000《給水用聚乙烯（PE）管材》，對管道的原材料要求、原材料配方、原料烘干過程監(jiān)控、生產(chǎn)工藝控制、成品檢驗控制等方面進(jìn)行講解。

一、原材料要求

原料是生產(chǎn)聚乙烯管材、管件的根本，原料的選擇直接影響管道產(chǎn)品的質(zhì)量。原料在生產(chǎn)前必須按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢驗，檢驗合格以后方可用于生產(chǎn)。原材料性能是制品性能的首要保證。原材料的長期強(qiáng)度高，可以保證供水管道承受足夠高的壓力。原材料耐慢速開裂能力可以保證熱熔焊接接頭的牢固，防止裂紋快速開裂的能力可以保證供水管道偶然開裂不會造成事故。

在GB/T 13663—2000《給水用聚乙烯（PE）管材》中，對PE生產(chǎn)管材的材料有以下規(guī)定要求：

①材料的命名詳見表1。

表1 材料的命名

②生產(chǎn)聚乙烯管材的混配料為藍(lán)色或黑色（見圖1-1），其中藍(lán)色管用材料應(yīng)能保證使用該材料制造的管材耐候性符合表2要求，同時材料的基本性能要求還應(yīng)符合表3要求，黑色材料基本性能應(yīng)符合表4要求。

表2 管材的耐候性

表3 管材的基本性能

表4 黑色材料的基本性能

③PE 63級材料也可采用管材級基礎(chǔ)樹脂加母料的方法生產(chǎn)聚乙烯管材（見圖1-2），對材料性能的要求自管材上取樣進(jìn)行測試。

④按照GB/T 13663—2000標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)管材時產(chǎn)生的潔凈回用料，只要能生產(chǎn)出符合該標(biāo)準(zhǔn)的管材，可摻入新料中回用。

圖1-1

圖1-2

聚乙烯（PE）管道的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面

1.耐腐蝕。聚乙烯（PE）作為惰性材料，除少數(shù)強(qiáng)氧化劑外，可耐多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，無電化學(xué)腐蝕，不需要防腐層。

2.不泄漏。聚乙烯（PE）管道主要采用熔接連接（熱熔連接或電熔連接），本質(zhì)上保證了接口材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與管體本身的同一性，實(shí)現(xiàn)了接頭與管材的一體化。實(shí)驗證明，聚乙烯（PE）管道接口的抗拉強(qiáng)度及爆破強(qiáng)度均高于管材本體，可有效抵抗內(nèi)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力及軸向的拉伸應(yīng)力，因此與橡膠圈類接頭或其他機(jī)械接頭相比，不存在因接頭扭曲而造成泄漏的危險。

3.高韌性。聚乙烯（PE）管是一種高韌性的管材，其斷裂伸長率一般超過500%，對管道地基不均勻沉降的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，也是一種抗震性能優(yōu)良的管道。

4.優(yōu)良的撓性。聚乙烯（PE）的撓性是一個重要的性質(zhì)，使聚乙烯（PE）管道可以進(jìn)行盤卷，并以較長的長度供應(yīng)，不需要各種連接管件。在非開挖施工中，聚乙烯（PE）管道的走向容易依照施工方法的要求進(jìn)行改變，并且可在施工前改變管材的形狀，插入舊管后恢復(fù)原來的大小和尺寸。

5.良好的抵抗刮痕能力。采用非開挖施工技術(shù)，無論是鋪設(shè)新管或舊管道的修復(fù)或更新，刮痕是無法避免的。刮痕造成材料的應(yīng)力集中，引發(fā)管道的破壞。管材抵抗刮痕的能力與管材的慢速裂紋增長(SCG)行為關(guān)系密切。

6.良好的快速裂紋傳遞抵抗能力。聚乙烯（PE）管道的快速開裂是指在管道偶然發(fā)生開裂時，裂紋以幾百米/秒的速度迅速增長，瞬間造成幾十米甚至上千米管道破壞的大事故。在常用的塑料管材中，聚乙烯（PE）抵抗裂紋快速傳遞的能力名列前茅。溫度越低，管徑和壁厚越大，則工作壓力越高，塑料管道快速開裂的危險性就越大。因此，聚乙烯管道特別是PE 100級管更適宜做大口徑管。

7.使用壽命長。聚乙烯（PE）管道重量輕，使用壽命可達(dá)50年以上，這是國外根據(jù)其環(huán)向抗拉強(qiáng)度的長期靜水壓設(shè)計基礎(chǔ)值(HDB)確定的，已被國際標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)。

二、原材料配方要求

聚乙烯混配料是以聚乙烯基礎(chǔ)樹脂加入必要的抗氧劑、紫外線穩(wěn)定劑和顏料制造而成的粒料。GB/T 13663—2000《給水用聚乙烯（PE）管材》對混配料的要求主要體現(xiàn)在下面3個方面。

①原材料需滿足GB/T 13663—2000《給水用聚乙烯（PE）管材》對PE生產(chǎn)管材的材料規(guī)定要求（即本文第一部分闡述的4項規(guī)定）。

②原材料需滿足管材斷裂伸長率、縱向回縮率、氧化誘導(dǎo)時間和靜液壓強(qiáng)度的物理性能要求。

③當(dāng)在混配料中加入回用料擠出管材時，對管材測定的熔體流動速率（MFR）（5kg,190℃）與混配料測定值之差，不應(yīng)超過25%。

圖2 電子萬能試驗機(jī)（來自網(wǎng)絡(luò)圖片）

氧化誘導(dǎo)時間，即測定試樣在高溫(200℃)氧氣條件下開始發(fā)生自動催化氧化反應(yīng)的時間，是評價材料在成型加工、儲存、焊接和使用中耐熱降解能力的指標(biāo)。

氧化誘導(dǎo)期(簡稱OIT)方法是一種采用差熱分析法(DTA)以塑料分子鏈斷裂時的放熱反應(yīng)為依據(jù)，測試塑料在高溫氧氣中加速老化程度的方法。其原理是將塑料試樣與惰性參比物(如氧化鋁)置于差熱分析儀中，使其在一定溫度下用氧氣迅速置換試樣室內(nèi)的惰性氣體(如氮?dú)?。測試由于試樣氧化而引起的DTA曲線變化，并獲得氧化誘導(dǎo)期(時間)OIT(min)，以評定塑料的防熱老化性能。

氧化誘導(dǎo)時間的檢測設(shè)備差示掃描量熱儀（差熱分析儀、差動分析儀、熱分析儀等）見圖4。

斷裂伸長率，指試樣在拉斷時的位移值與原長的比值，以百分比表示(%)，是指斷裂時試樣標(biāo)線間的長度減去試樣標(biāo)線間的原始長度的差與試樣標(biāo)線間原始長度的比值。斷裂伸長率是管材良好柔韌性的體現(xiàn)，通過對管材斷裂伸長率的測定，以保證管材對地基不均勻沉降的適應(yīng)能力，滿足抗震性能的要求。斷裂伸長率的檢測設(shè)備（電子萬能試驗機(jī)）見圖2。

縱向回縮率，即將規(guī)定長度的試樣置于給定溫度下的加熱介質(zhì)中保持一定的時間，測量加熱前后標(biāo)線間的距離，以相對原始長度的長度變化百分率來表示。縱向回縮率是熱塑性塑料管材產(chǎn)品性能優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)，反映了熱塑性塑料管材產(chǎn)品在熱影響下管材沿縱向塑性變化的穩(wěn)定性能。縱向回縮率的測定對提高產(chǎn)品在使用過程中對氣溫的變化、日照以及其他熱源影響的承受能力，以及提高產(chǎn)品的使用年限有著重要意義。在檢測中由于操作不當(dāng)或不能掌握要領(lǐng)，將影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度?？v向回縮率的檢測設(shè)備烘箱，又名電熱鼓風(fēng)干燥箱、高溫箱、熱烘箱等，見圖3。

圖3 烘箱（來自網(wǎng)絡(luò)圖片）

圖4 差熱分析儀（來自網(wǎng)絡(luò)圖片）

液壓強(qiáng)度試驗技術(shù)指標(biāo)要求試驗中管材無破裂、無滲漏。液壓試驗按GB/T 6111—2003測定，試驗條件見表5。若試樣在距離密封接頭小于試樣自由長度0.1倍處出現(xiàn)破裂，則試驗結(jié)果無效，要保證液壓試驗中管材不破裂、不滲漏，原材料加工生產(chǎn)過程要合理控制溫度。靜液壓強(qiáng)度的檢測設(shè)備（液壓試驗機(jī)）見圖5。

圖5 液壓試驗機(jī)（來自網(wǎng)絡(luò)圖片）

表5 液壓試驗條件

圖6 烘料設(shè)備

三、烘料過程監(jiān)控

聚乙烯是非吸水性材料，通常水分含量相當(dāng)?shù)?，可以滿足擠出的需要。當(dāng)加入含吸濕性顏料炭黑時，由于其呈微孔態(tài)，且表面積非常之大，對濕度敏感，吸水量增大。通常對聚乙烯（PE）管道混配料進(jìn)行干燥處理，否則水分不僅導(dǎo)致管材內(nèi)外表面粗糙，而且可能導(dǎo)致熔體出現(xiàn)氣泡。干燥可采用熱風(fēng)干燥或除濕干燥。干燥時間可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，原則是干燥后的水分含量應(yīng)控制在200mg/kg以下。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境濕度≥70%時，必須使干燥過程（包括二次干燥）的原料處于封閉狀態(tài)以防暴露在濕度過高的空氣中再度吸濕。冬季室內(nèi)外溫差大，原材料應(yīng)由室外移至室內(nèi)，或從室溫低的倉庫移至操作車間，即驟冷驟熱時，應(yīng)對原料進(jìn)行干燥，以防止水汽凝結(jié)。烘料設(shè)備見圖6。

四、生產(chǎn)工藝控制

生產(chǎn)過程的工藝控制非常重要，在生產(chǎn)時要注意對工藝參數(shù)的設(shè)置及對物料熔體溫度、熔體壓力的監(jiān)控。如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)剪切過度，會導(dǎo)致熔體溫度升高，使材料性能劣化，這種劣化在常規(guī)檢測中較難發(fā)現(xiàn)。目前一些國內(nèi)引進(jìn)的生產(chǎn)線已帶有電腦監(jiān)測控制系統(tǒng)，出現(xiàn)問題會及時發(fā)出警報。先進(jìn)的生產(chǎn)線帶有在線測量儀，管材的外形尺寸可在屏幕上直接顯示，如與主機(jī)相連，可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整模具，自動控制壁厚和外徑。

擠出成型溫度是促使成型物料塑化和塑料熔體、流動的必要條件，它對擠出成型過程中物料塑化和物品的質(zhì)量和產(chǎn)量都十分重要，擠出機(jī)中用于熔融的能源基本有兩種，最重要的一種是螺桿供給的機(jī)械能，通過粘滯熱生成過程轉(zhuǎn)化為熱能；第二種能源是機(jī)筒外加熱器供給的熱能。在多數(shù)擠出機(jī)中約有80%～90%或以上的能源由螺桿供給。擠出機(jī)生產(chǎn)線見圖7。

通常擠出機(jī)的溫度控制由機(jī)身的加料段到擠出段逐漸升高。物料到機(jī)頭的溫度一般都控制在流動溫度和分解溫度之間，口模溫度比機(jī)頭溫度略高。溫度過低，則塑化不好；溫度過高，則聚合物降解。各段工藝溫度通常考慮以下幾個方面。

①聚合物本身性能。如熔點(diǎn)、分子量大小和分布、熔融指數(shù)等；②設(shè)備的性能。有的設(shè)備進(jìn)料段的溫度對主機(jī)電流影響很大；③通過觀察管模頭擠出的管坯表面是否光滑、有無氣泡的現(xiàn)象來判斷溫度的設(shè)定是否合理。在管材生產(chǎn)過程中，要根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備、管材規(guī)格、生產(chǎn)速度的具體情況，結(jié)合管材的外觀、尺寸及物理化學(xué)性能的結(jié)果，及時合理調(diào)整生產(chǎn)工藝溫度，以制造出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的給水用PE管材。

聚乙烯（PE）管材生產(chǎn)中常見的表觀現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因和解決辦法見表6。

表6 管材生產(chǎn)常見表觀現(xiàn)象及產(chǎn)生原因和解決辦法

五、成品檢驗控制

根據(jù)GB/T 13663—2000《給水用聚乙烯（PE）管材》規(guī)定，管材出廠檢驗項目有顏色、外觀、規(guī)格尺寸、80℃靜液壓強(qiáng)度（165h）、斷裂伸長率和氧化誘導(dǎo)時間。

出廠檢驗項目應(yīng)注意的問題有以下幾個方面。

GB/T 13663—2000《給水用聚乙烯（PE）管材》對于管材顏色的規(guī)定較為具體：市政飲用水管材的顏色為藍(lán)色或黑色，黑色管上應(yīng)有共擠出的藍(lán)色色條。色條沿管材縱向至少有3條。其他用途水管可以為藍(lán)色或黑色。暴露在陽光下的敷設(shè)管道（如地上管道）必須是黑色。PE藍(lán)色管材見圖8，PE黑色管上有共擠出的藍(lán)色色條，見圖9。

圖8 PE藍(lán)色管材

圖9 PE黑色管上有共擠出藍(lán)色色條

在外觀方面，管材的內(nèi)外表面應(yīng)清潔、光滑，不允許有氣泡、明顯的劃傷、凹陷、雜質(zhì)、顏色不均等缺陷。管端頭應(yīng)切割平整，并與管軸線垂直。另外，PE給水管材上應(yīng)印制正確標(biāo)識。管材出廠時應(yīng)有永久性標(biāo)志，且間距不超過2m。根據(jù)GB/T 13663—2000規(guī)定，標(biāo)志至少包括下列內(nèi)容：

①生產(chǎn)廠名和/或商標(biāo)；②公稱外徑；③標(biāo)準(zhǔn)尺寸比或SDR；④材料等級（PE 100，PE 80或PE 63）；⑤公稱壓力(或PN)；⑥生產(chǎn)日期；⑦采用標(biāo)準(zhǔn)號；⑧水或water字樣（僅適用于飲水管）。

例如，2017年12月5日生產(chǎn)的管材，某公司用PE100級原料生產(chǎn)的公稱外徑為200mm、公稱壓力為1.6MPa的飲水管，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13663—2000的標(biāo)志應(yīng)為：某公司名稱 PE 100級飲水管 dn200mm 1.6MPa SDR11 GB/T 13663—2000 2017/12/05

（公稱壓力與標(biāo)準(zhǔn)尺寸比SDR在GB/T 13663-2000標(biāo)準(zhǔn)中有一一對應(yīng)）。

出廠檢驗的80℃靜液壓強(qiáng)度（165h）、斷裂伸長率和氧化誘導(dǎo)時間見前文介紹。

聚乙烯（PE）管材應(yīng)貯存在遠(yuǎn)離熱源及油污和化學(xué)品污染、地面平整、通風(fēng)良好的庫房內(nèi)，如在室外堆放應(yīng)有遮蓋物。管材應(yīng)水平整齊堆放，堆放高度不超過1.5m，見圖10。

下一課將重點(diǎn)講解聚乙烯（PE）管道施工過程中應(yīng)關(guān)注的系列問題