聚乙烯管在氯堿生產(chǎn)中的應用

高海陽，白虎雄，張杰

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

高密度聚乙烯(PE)管是由高密度PE樹脂、色母粒通過熱擠塑纏繞成型的一種柔性管。該產(chǎn)品為環(huán)保、安全、節(jié)能型產(chǎn)品，可代替高能耗的水泥、鑄鐵、陶瓷等材質(zhì)制作的管道，廣泛用作市政建設(shè)等領(lǐng)域的燃氣輸送、給水、排水管道［1］。目前，國際上通行的分類方法是根據(jù)管材專用料的長期靜液壓強度(MRS)，對PE材料進行定級分類，共分為PE32、PE40、PE63、PE80和PE100 5個等級，其中PE32、PE40和PE63稱為第一代PE管材，PE80稱為第二代PE管材，PE100稱為第三代PE管材［2］。PE100材料具有優(yōu)良的耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴展性能，多年來在燃氣和給水上的應用廣泛。由于其具有耐腐蝕性和優(yōu)良的力學性能(見表1)，在工業(yè)領(lǐng)域的應用優(yōu)勢明顯。

表1 PE100力學性能［3］Table 1 Mechanical properties of PE100

陜西北元化工集團股份有限公司(以下簡稱“北元化工”)自2010年以來，逐漸把高密度PE管道用于鹽酸、氯化氫、次氯酸鈉等介質(zhì)的輸送。

1 PE管在氯堿企業(yè)的應用及其優(yōu)勢

1.1 適用于鹽酸、氯化氫、次氯酸鈉、鹽水等介質(zhì)

常溫下聚乙烯材質(zhì)能耐稀硫酸、稀硝酸及濃度較高的鹽酸、氫氟酸、氨及各種堿、鹽溶液，相關(guān)資料統(tǒng)計，其泄漏率僅為碳鋼的0.5%，但其不耐強氧化性酸，如濃硫酸、濃硝酸等。當溫度達到90～100℃時，濃硫酸、濃硝酸能迅速破壞PE結(jié)構(gòu)。

根據(jù)PE材質(zhì)的以上性能，從2010年開始，北元化工陸續(xù)把PE100管應用于氯堿生產(chǎn)中。首先，把氯化氫工序去離子膜電解工序的室外管架高純鹽酸管道全部由鋼襯PO材質(zhì)更換為PE材質(zhì)，至今使用10余年，管道使用良好，未出現(xiàn)明顯腐蝕，相比鋼襯PO管道泄漏率大大減小。2014年，室外部分次氯酸鈉管道由CPVC材質(zhì)更換為PE100材質(zhì)，目前已更換完成約80%，經(jīng)檢查，管道內(nèi)壁無明顯腐蝕情況，運行良好。2015年開始應用于DN350干、濕氯化氫管道，目前運行時間為6年，檢查管道內(nèi)壁，無明顯腐蝕痕跡，狀態(tài)良好。2018年11月開始應用在DN400～DN600濕氯化氫管道(使用溫度范圍為－16～45℃)，檢查管道內(nèi)壁無腐蝕痕跡，除法蘭外未出現(xiàn)任何泄漏情況。不同管材在輸送次氯酸鈉、鹽酸、鹽水、氯化氫介質(zhì)時的使用壽命如表2所示。

表2 不同管材在輸送次氯酸鈉、鹽酸、鹽水、氯化氫介質(zhì)時的使用壽命Table2 Service lives of different pipelines used in conveyance of sodium hypochlorite，hydrochloric acid，brine，and hydrogen chloride

1.2 熔接接頭不易泄漏

PE管道在施工過程中主要采用熱熔連接和電熔連接兩種形式。熱熔連接原理是將2根PE管的配合面緊貼在加熱工具上，加熱其平整的端面直至熔融，移走加熱工具后，將2個熔融的端面緊靠在一起，施加壓力，直到接頭冷卻，使之成為一個整體。電熔連接PE管原理是用電熔焊機給鑲嵌在電熔管件內(nèi)壁的電阻絲通電加熱，使管材的連接界面熔融。管件兩端的間隙封閉后，界面熔融區(qū)的熔融物在高溫和壓力作用下，其分子鏈段相互擴散，當界面上互相擴散的深度達到了鏈纏結(jié)所必需的尺寸，自然冷卻后界面就可以得到必要的焊接強度，形成可靠的焊接連接。經(jīng)相關(guān)測試，焊口的強度甚至要高于母材的強度。由于采用了以上焊接形式，可大大降低管道的泄漏率。

1.3 良好的經(jīng)濟性和施工性能

因PE管材、管件連接可采用熱熔承插、熱熔對接及電熔連接等連接方式，使管材、管件熔為一體，可節(jié)省管件費用和人工機械費用。而且PE材質(zhì)具有柔韌性好、質(zhì)輕、抗沖擊性能優(yōu)良等特點，小口徑管道運輸方便、維護簡單、施工快，同時可采用超長盤管(單根長度可達100 m)，不但運輸方便，還可以大大減少焊口數(shù)量，既減輕勞動強度又縮短了施工周期。大于DN200的成品單根管道最長為12 m(6、9、12 m可選)，通過選擇成品管道長度降低焊接口的數(shù)量，同時也可降低施工費用。

PE管材與其他管材的價格對比見表3。小口徑PE材質(zhì)低于常用耐腐蝕材料價格，雖然大口徑PE材質(zhì)費用略高于玻璃鋼材質(zhì)，但使用年限長，維修費用低，而且適應環(huán)境性強，從長期使用結(jié)果來看，最終投資費用還是低于其他常用耐腐蝕材料。

表3 常用輸送鹽酸、氯化氫、次氯酸鈉管道材質(zhì)價格對比表Table 3 Prices of different materials of pipelines commonly used in conveyance of sodium hypochlorite，hydrochloric acid，brine，and hydrogen chloride元/m

1.4 管道允許彎曲，地域適應性好

PE管道可隨地形彎曲敷設(shè)，如果是埋地管道，地域的適應性更強，但彎曲半徑必須符合以下規(guī)定:管段上有承插接頭時，由于剛性不連續(xù)部分的應力集中，應盡量避免在彎曲段上使用承插件，且彎曲半徑不應小于125D(D為管道直徑);管段上無承插接頭時，彎曲半徑應符合表4的規(guī)定。

表4 管道允許彎曲半徑［4］Table 4 Allowable bending radius of pipelines

2 存在問題及改進建議

2.1 PE管的伸縮性較大

PE管膨脹系數(shù)較大，管道受壓發(fā)生蠕變及膨脹/失壓收縮等，支架的選擇和制作難度大。另外，因管道柔性好，隨著使用時間的延長，容易變形，特別是室外橫管和溫度較高介質(zhì)的橫管。

解決措施:①橫管三通處增加支架，直管管托距離建議選用表5數(shù)值;②室外管道增加保溫或保冷，北元化工低溫氯化氫管道使用保冷，管道伸縮量得到了很好的控制;③采用固定支架、滑動支架和導向支架，3種支架合理搭配，可以收到較好的效果。須注意的是，在直管段中不能用多個固定支架，因夏季室外溫度高，膨脹更加嚴重，容易使管道和管廊架受力，造成嚴重變形和破壞，釀成事故。

表5 聚乙烯管道管托距離參考表Table 5 Reference for distance between pipe carriers for PE pipelines

2.2 法蘭連接易發(fā)生錯位泄漏

當管道與設(shè)備、閥門、過濾器等設(shè)備設(shè)施相連接時，不可避免要使用到法蘭。采用法蘭連接時，要使用PE法蘭頭加法蘭盤(即活套法蘭)的連接方式。當法蘭盤內(nèi)徑遠大于管道外徑部分時，兩法蘭用螺栓相連接后長期使用就會使法蘭面錯位，因法蘭頭(柄)頸部存在凸起造成法蘭套偏離，使螺栓松動，導致泄漏。所以，用法蘭連接時，必須用專業(yè)的法蘭盤或按照頸部凸起，在法蘭盤接觸部分打磨成相同的角度，使法蘭內(nèi)壁緊貼管道外壁，并與凸起部分角度相吻合。

2.3 不能與標準的對夾式蝶閥匹配使用

PE100因管道壁較厚，相同規(guī)格的管道，PE管法蘭頭內(nèi)徑要小于金屬標準管道內(nèi)徑，而目前在化工領(lǐng)域所使用的是標準的對夾式蝶閥，導致對夾式閥門不能全部打開，影響使用。

解決辦法:①選用法蘭式蝶閥，②在對夾式蝶閥兩側(cè)加間隔圈。建議選用法蘭式蝶閥。增加間隔圈雖然成本低，但會增加靜密封點數(shù)量，不利于后期的運行維護。

2.4 彎頭和三通占用空間大，狹小范圍內(nèi)使用受限

PE彎頭有焊接型和一次成型2種彎頭，而焊接彎頭的彎曲半徑要大于一次成型彎頭的彎曲半徑，特別是DN350以上的彎頭。如果是新建項目，使用就沒有問題，但在原來基礎(chǔ)上進行管道改造就必須考慮配管的空間是否夠用。此管道優(yōu)點是可以自制小管徑彎頭，但因需要焊接人員手工配合，焊接質(zhì)量難以保證;要保證焊接質(zhì)量，必須購買專用的彎頭焊接制作機。

2.5 大口徑管修復難度大

大口徑管道長期使用后會出現(xiàn)變形，致使切割口呈現(xiàn)橢圓形，不利于熱熔對接。當修復管道焊口時，因管道內(nèi)介質(zhì)無法徹底清理干凈，熱熔連接時，會摻入管道內(nèi)的微量化學物料，造成焊口強度下降。此時，可采用電熔連接或切掉變形部分，增加短節(jié)后采用法蘭熱熔連接。

2.6 工作溫度范圍較窄

PE管道使用溫度范圍為－20～40℃，是考慮到PE管道受溫度的影響較大。溫度過高會導致其變軟，耐壓強度降低;溫度過低將導致其變脆，在受撞擊時，容易產(chǎn)生裂紋。過高和過低的溫度，使其承壓能力和使用壽命均要降低。

3 其他注意事項

(1)在搬運管材和管件時，應小心輕放，避免油污，嚴禁劇烈撞擊，與尖銳物品碰撞和拋、摔、拖，避免造成對管材的沖擊、機械損傷等。在低溫(－5℃)時存在一定的脆性，切割時應用鋒利的剪刀緩慢切割。PE管長期受紫外線照射易老化，應放在通風良好的庫房或簡易棚內(nèi)，防止陽光直射，距離熱源不得小于1 m。

(2)在焊接過程中，焊接的管材管件接口部位不能有水、油污、臟物，以防假焊，造成隱患。熱熔連接加熱時間和加熱溫度應符合熱熔連接工具生產(chǎn)廠家和管材、管件生產(chǎn)廠家的規(guī)定，對接焊溫度通常在200～235℃之間。插入深度要達到規(guī)定的要求，插入時要用力適度，不要插入太深，以免造成管道斷面減少;也不要插入太淺，造成兩個連接件的接口搭接太少，使接口的強度降低。

4 結(jié)語

基于PE管的各種優(yōu)勢，其在燃氣及給水兩個行業(yè)在我國得到了長足的發(fā)展。目前，我國只有PE燃氣管道、給水用PE管道相關(guān)的行業(yè)標準和國家標準，在其他領(lǐng)域使用的暫時還沒有相關(guān)制造、使用、驗收、施工等標準。通用標準也只有GB/T 20674.2—2020《塑料管材和管件 聚乙烯系統(tǒng)熔接設(shè)備 第2部分:電熔連接》，需要更多化工領(lǐng)域的使用者提出寶貴的經(jīng)驗，制作PE通用規(guī)范及標準，使PE管材更好地服務氯堿乃至整個化工領(lǐng)域。