塑料結(jié)構(gòu)壁排水管的國家與國際標準對比分析

彭 菁 ，肖 達，吳映江，李 兵，張 龍，李澤剛

（1.四川省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢測院，成都 610100；2.成都產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院有限責任公司，國家建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心（四川），成都 610100）

0 前言

塑料結(jié)構(gòu)壁排水管（以下簡稱為塑料結(jié)構(gòu)壁管）是一類在軸向或徑向截面存在重復幾何結(jié)構(gòu)單元的非實壁塑料排水管，主體材料主要為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC），結(jié)構(gòu)類型主要有軸向中空壁管、徑向中空壁管、雙壁波紋型、加筋管、克拉管，加工方式主要為擠出成型和纏繞成型。此類產(chǎn)品起源于歐洲，我國于21世紀初引進，經(jīng)宏觀政策及市場因素的共同作用，現(xiàn)已發(fā)展為我國市政排水管道的主要類型之一［1］。

對于大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品而言，國際標準（ISO標準）為各國標準的風向標，在生產(chǎn)與貿(mào)易中發(fā)揮著指引作用。將國家標準與ISO標準做對比研究，對產(chǎn)品種類、檢測項目、技術(shù)指標之間的區(qū)別進行分析，對可能存在的產(chǎn)品缺陷及其可能引起的風險進行警示，是提高質(zhì)量和促進貿(mào)易的有效手段之一。塑料結(jié)構(gòu)壁管的ISO標準于2020年發(fā)布了最新的版本，晚于現(xiàn)行國家標準的發(fā)布日期?，F(xiàn)行國家標準中還存在著2007年及2011的版本，預計未來幾年全國塑料制品標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 48）會對其進行修訂。將國家標準與ISO標準進行綜合對比研究，或可為國家標準的制修訂提供一些參考。

另一方面，經(jīng)過多年的高速發(fā)展后，國內(nèi)塑料管道行業(yè)的發(fā)展形勢已趨于平緩，將產(chǎn)品出口或者將過剩的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至海外，符合制造業(yè)發(fā)展的實際情況，也順應了一帶一路的國家戰(zhàn)略。產(chǎn)品的出口或者產(chǎn)能的轉(zhuǎn)移，首先需要進行標準的對比研究，考察我國的產(chǎn)品是否符合他國的標準要求，進而探究我國的生產(chǎn)設備及工藝是否需要進行調(diào)整。對于同類產(chǎn)品，盡管各國的標準可能存在差異，但大多數(shù)國家制修訂標準時會參考或引用ISO標準。將國家標準與ISO標準做對比研究，是對標中效率最高且最為實用的路線。此外，也鮮有文獻對塑料結(jié)構(gòu)壁管的對標情況進行報道。基于上述3方面原因，將塑料結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準做綜合對比研究具有一定的現(xiàn)實意義。

1 標準概況

塑料結(jié)構(gòu)壁管的標準概況如表1所示。國際標準為ISO 21138系列，主體材料分為PVC、PP或PE。國家標準分為GB/T 18477系列、GB/T 35451系列、GB/T 19472系列，分別針對于主體材料為PVC、PP、PE的結(jié)構(gòu)壁管。

表1 塑料結(jié)構(gòu)壁管的標準概況Tab.1 General situation of standards of plastics structured?wall pipes

ISO標準根據(jù)塑料結(jié)構(gòu)壁管的外壁是否平滑將產(chǎn)品分為了A型與B型，A型又按加工方式分為了軸向中空壁管和徑向中空壁管，其典型的結(jié)構(gòu)示意圖及數(shù)碼照片分別如圖1（a）和（b）所示；B型按加工方式分為加筋管、克拉管、雙壁波紋管，其典型的結(jié)構(gòu)示意圖及數(shù)碼照片分別如圖1（c）～（e）所示。國家標準則是按主體材料類型、加工方式以及結(jié)構(gòu)類型進行的分類，分類方式如表2所示。相對于其他以結(jié)構(gòu)特征進行命名的塑料結(jié)構(gòu)壁管，圖1（d）所示管材的名稱來源于其研制機構(gòu)—德國克拉（Krah）公司，克拉管為其全球通用的俗稱。

圖1 典型的塑料結(jié)構(gòu)壁管結(jié)構(gòu)示意圖［2?4］及數(shù)碼照片F(xiàn)ig.1 Typical structure diagrams and digital photos of plastics structured?wall pipes

表2 塑料結(jié)構(gòu)壁管的分類Tab.2 Classification of plastics structured?wall pipes

以PVC為主體材料的GB/T 18477系列包含了軸向中空壁管、加筋管、雙壁波紋管3種類型，加工方式均為擠出成型、無纏繞成型。此或可歸于剛性的PVC分子鏈韌性較差，較難通過纏繞工藝進行加工。

以PP為主體材料的GB/T 35451系列含有徑向中空壁管、克拉管、雙壁波紋管3種類型，徑向中空壁管、克拉管的加工方式均為纏繞成型，雙壁波紋管的加工方式為擠出成型。國家標準中無軸向中空壁管與加筋管的原因或可歸因于產(chǎn)品的經(jīng)濟性。PP原料的物理性質(zhì)與加工工藝均能滿足上述兩類管材的生產(chǎn)，但PP的剛度相對較小，產(chǎn)品的設計上又沒有能夠有效增強剛度的結(jié)構(gòu)，進而造成產(chǎn)品的環(huán)剛度偏低，使用環(huán)境受限。再綜合PP價格相對較高的實際情況，或可認為此兩類結(jié)構(gòu)的PP結(jié)構(gòu)壁管性價比不高。

以PE為主體材料的GB/T 19472系列包含了中空壁管、克拉管、雙壁波紋管、內(nèi)壁非平滑型克拉管4種類型，其中內(nèi)壁非平滑型克拉管是新增的結(jié)構(gòu)類型，其典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（f）所示。克拉管與內(nèi)壁非平滑型克拉管的結(jié)構(gòu)較為類似，結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于內(nèi)壁是否平滑，加工方式的區(qū)別在于前者是在預熱的整體鋼制滾筒模具上纏繞成型，后者是在冷態(tài)的多個滾軸上連續(xù)纏繞成型。國家標準中無軸向中空壁管與加筋管的原因與PP類似，或是因產(chǎn)品的經(jīng)濟性所致。

盡管ISO標準覆蓋了PVC、PP、PE 3種材料，包含了軸向中空壁管、徑向中空壁管、加筋管、克拉管、雙壁波紋管5種類型，但并不意味著此3種材料的5種結(jié)構(gòu)類型，均會大規(guī)模的生產(chǎn)與應用。相對于ISO標準中籠統(tǒng)的敘述方式，國家標準結(jié)合產(chǎn)業(yè)的實際情況，將原料種類與結(jié)構(gòu)類型對應的描述更加清晰明了。

2 標準的對比分析

ISO標準的適用范圍為非承壓的塑料結(jié)構(gòu)壁管，國家標準中所涉及的大部分管材為非承壓管，僅有少部分還適用于公稱壓力不大于0.2 MPa的低壓輸水。本次對標的對象為非承壓管，下文將從力學性能、物理性能、對原料的規(guī)定3個方面進行對比分析。國家標準中相關(guān)的標準分為3類，數(shù)量為7個，因各標準發(fā)布時間、起草單位、主體材料、不同結(jié)構(gòu)類型管材的考察點有所區(qū)別，致使各標準對部分項目指標要求的表述也存在區(qū)別。下文進行對比分析時，將部分存在區(qū)別的表述歸納總結(jié)為統(tǒng)一的表述。

2.1 力學性能的對比分析

塑料結(jié)構(gòu)壁管在施工過程中易受到土石方中重物的沖擊，在使用過程需要承受土石方以及路面過往車輛的重力載荷，ISO與國家標準均設置了沖擊試驗、環(huán)剛度、環(huán)柔性、蠕變比率用來考察管材的力學性能。沖擊試驗主要用來模擬施工過程中管材抵抗重物沖擊的能力，若不符合要求，易導致管材破損，影響使用安全。環(huán)剛度反映了管材抵抗徑向變形的能力，若不符合工程的設計要求，管材將發(fā)生過大變形引起連接處泄露，甚至出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)破壞［5］。環(huán)柔性反映了管材在不破壞結(jié)構(gòu)的情況下承受變形的能力，若不符合要求，易出現(xiàn)道路坍塌。蠕變比率反映了管材在幾十年使用過程中徑向形變逐漸增大的現(xiàn)象，反映了管材的長期使用穩(wěn)定性，若不符合要求，易導致管材在長期的使用過程中，出現(xiàn)連接處滲漏、管壁向內(nèi)曲折、破損，甚至結(jié)構(gòu)坍塌［6］。此外，纏繞成型的塑料結(jié)構(gòu)壁管還設置了熔接處的拉伸力，通過考察纏繞熔接高分子層間的拉伸性能，間接反映管材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。若不符合要求，易導致管材在長期使用中出現(xiàn)泄露，甚至坍塌。

國家標準與ISO標準的力學性能對比如表3所示，測試方法基本一致。沖擊試驗僅對比市面上主流規(guī)格尺寸的管材，國家標準與ISO標準的測試方法與指標要求基本一致。環(huán)剛度的指標要求也基本一致，均是大于等于對應等級。此外，國家標準比ISO標準多設置的SN6.3和SN12.5等級，部分標準中標注了此不作為生產(chǎn)和應用中首選。國家標準中環(huán)柔性的性能指標為筆者對各標準的總結(jié)，國家標準與ISO標準對于環(huán)柔性的指標要求基本一致，概括而言均可表達為無結(jié)構(gòu)性的破壞。蠕變比率和熔接處的拉伸力的指標要求一致，后者僅適用于纏繞成型的徑向中空壁管、克拉管、內(nèi)壁非平滑型克拉管。綜上，可認為國家標準與ISO標準的力學性能要求基本一致。

表3 國家標準與ISO標準的力學性能對比Tab.3 Comparison of mechanical properties between Chinese national standards and ISO standards

2.2 物理性能的對比分析

塑料結(jié)構(gòu)壁管的主體材料分為PVC、PP、PE，PVC通常為未增塑聚氯乙烯（PVC?U）、PP通常為嵌段共聚聚丙烯（PP?B），PE在實際生產(chǎn)中通常為高密度聚乙烯（PE?HD）。此3類管材，均對烘箱試驗或縱向回縮率進行了規(guī)定，縱向回縮率適用于圖1（a）和（b）所示的外壁平滑型管材，烘箱試驗則適用于圖1（c）～（f）所示的外壁非平滑型的管材。因烘箱試驗與縱向回縮率試驗條件一致，同時都對試驗后狀態(tài)進行了相同的規(guī)定，又均反映了管材使用過程中對氣溫、日照、熱源影響的承受能力，故下文將上述項目合二為一。

2.2.1 PVC結(jié)構(gòu)壁管物理性能對比分析

PVC結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的物理性能對比如表4所示。國家標準與ISO標準均對維卡軟化溫度及烘箱試驗/縱向回縮率展開了規(guī)定，測試方法和指標要求基本一致。維卡軟化溫度反映了管材的耐熱變形性能，其與受熱尺寸穩(wěn)定性呈相關(guān)。塑化度直接關(guān)系到PVC制品的力學性能，評價方法主要有目測法、溶劑法、拉伸法、差示掃描量熱（DSC）法，ISO標準采用了后3種，其中二氯甲烷浸漬試驗與斷裂伸長率為企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制方法，DSC試驗為仲裁法。國家標準中未對此做規(guī)定，或是因我國PVC制品的加工工藝已被普遍的較好掌握，且塑化度的優(yōu)劣可以由環(huán)剛度、環(huán)柔性等力學性能間接反映所致。

表4 PVC結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的物理性能對比Tab.4 Comparison of physical properties of PVC pipes between Chinese national standards and ISO standards

國家標準單獨對密度與鉛限量進行了規(guī)定。密度的設立主要是為了限制配方中碳酸鈣填料的含量，近10年來我國制修訂的PVC?U排水管標準基本都將密度限定在1.35～1.55 g/cm3區(qū)間。密度過高，配方中填料較多，易導致管材的環(huán)柔性與沖擊性能變差，直接影響使用。關(guān)于鉛限量，則是近5年來PVC?U排水管標準的新增項目，目的是限制鉛鹽穩(wěn)定劑的使用，引導產(chǎn)業(yè)向綠色環(huán)保轉(zhuǎn)變。

2.2.2 PP結(jié)構(gòu)壁管物理性能對比分析

PP結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的物理性能對比如表5所示，烘箱試驗/縱向回縮率的測試方法和指標要求基本一致，國家標準單獨設置了密度、灰分、氧化誘導時間。密度和灰分的設置，可控制無機填料的含量。若無機填料的含量較高，易造成密度與灰分過高，此舉可能會增強環(huán)剛度，但易降低環(huán)柔性與沖擊性能。此外，密度的設置或許還有將主體材料限制為PP?B的作用。氧化誘導時間是評價材料在成型加工、焊接和使用中耐熱降解能力的重要指標，若不符合要求，將影響管材的使用壽命。此項目的設置或為限制企業(yè)自產(chǎn)回用料及外部回收料的使用。

表5 PP結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的物理性能對比Tab.5 Comparison of physical properties of PP pipes between Chinese national standards and ISO standards

2.2.3 PE結(jié)構(gòu)壁管物理性能對比分析

PE結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的物理性能對比如表6所示，烘箱試驗/縱向回縮率的測試方法和指標要求基本一致。PE結(jié)構(gòu)壁管的國家標準單獨設置的密度、灰分、氧化誘導時間，原因與PP結(jié)構(gòu)壁管類似。

表6 PE結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的物理性能對比Tab.6 Comparison of physical properties of PE pipes between Chinese national standards and ISO standards

對PVC、PP、PE結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的物理性能進行了對比分析，國家標準比ISO標準多設置了幾個較為重要檢測項目，可認為國家標準的要求更為嚴格一些。

2.3 對原料規(guī)定的對比分析

國家標準與ISO標準均對塑料結(jié)構(gòu)壁管的原料進行了規(guī)定，對于全新料的規(guī)定基本一致，但對于企業(yè)自產(chǎn)回用料與外部回收料的規(guī)定存在較大的區(qū)別。以主體材料為PP的結(jié)構(gòu)壁管為例，對于企業(yè)自產(chǎn)回用料，國家標準要求使用量不大于質(zhì)量分數(shù)的5%，ISO標準的使用量無限制；對于外部回收料，國家標準禁止使用，ISO標準對源于非管道系統(tǒng)的回收料禁止使用，對滿足驗收要求的管道系統(tǒng)回收料則是規(guī)定了使用范圍，詳見表6。國家標準中關(guān)于密度、灰分、氧化誘導時間的設置，可對應于企業(yè)自產(chǎn)回用料及外部回收料的使用規(guī)定。對于PP結(jié)構(gòu)壁管的原料而言，國家標準的規(guī)定要嚴格一些，PVC、PE結(jié)構(gòu)壁管也均存在相似的情況。

國家標準禁止使用外部回收料，可能與我國目前對于回收料的分類、驗收還不夠規(guī)范，采用此類原料易增加生產(chǎn)及使用中的風險有關(guān)。近年來，我國陸續(xù)發(fā)布GB/T 35262—2017《聚氯乙烯（PVC）塑料回收料的表征特性及檢測方法》、GB/T 35265—2017《聚丙烯（PP）塑料回收料的表征特性及檢測方法》、GB/T 39199—2020《聚乙烯（PE）塑料再生料的表征特性及檢測方法》對PVC、PP、PE回收料的表征特性及檢測方法進行了規(guī)范；2021年我國又發(fā)布了國家標準GB/T 40006.2—2021《塑料再生塑料第2部分：聚乙烯（PE）材料》、GB/T 40006.3—2021《塑料再生塑料第3部分：聚丙烯（PP）材料》對PE及PP的回收料的形狀及性能進行規(guī)定。若未來政府相關(guān)監(jiān)管部門及行業(yè)將塑料回收料的加工、貿(mào)易、驗收進行了規(guī)范化、標準化、持續(xù)化的整治，外部回收料的采用也存在加入上述國家標準修訂版的可能。

表7 PP結(jié)構(gòu)壁管的國家標準與ISO標準的原料使用條件對比Tab.7 Comparison of raw material conditions of PP pipes between Chinese national standards and ISO standards

對塑料結(jié)構(gòu)壁管而言，原材料選用的適當與否直接作用于力學性能與物理性能，各檢測項目之間也可能相互關(guān)聯(lián)。對于此類產(chǎn)品，最重要的檢測項目是環(huán)剛度、環(huán)柔性、沖擊試驗。此外，PVC軸向中空壁管的鉛限量，PP、PE管的灰分與氧化誘導時間，同上述3個檢測經(jīng)常被部分政府監(jiān)督抽查與工程見證取樣檢驗列為重點考察項目。

3 中國新型塑料結(jié)構(gòu)壁管的開發(fā)與應用

對于工業(yè)產(chǎn)品而言，發(fā)明專利的申請和授權(quán)往往伴隨著新型產(chǎn)品的開發(fā)，標準化則代表著新產(chǎn)品的應用。對產(chǎn)品的發(fā)明專利進行研究、分析、成果轉(zhuǎn)化及標準化調(diào)研，是諸多工業(yè)領(lǐng)域考察行業(yè)發(fā)展狀況的主要技術(shù)手段之一。

行業(yè)內(nèi)相關(guān)研究人員對2011—2020年間授權(quán)的中國發(fā)明專利及成果轉(zhuǎn)化情況進行了調(diào)研，相關(guān)情況如表8所示。新型塑料結(jié)構(gòu)壁管主要分為新型配方和新型結(jié)構(gòu)兩大類，新型配方相關(guān)專利涉及了共混改性、彈性體增韌、納米材料增強、無機纖維增強、連續(xù)纖維布增強增韌等改性手段，相關(guān)專利形成了團體標準T/CECS 10011—2019《埋地排水用聚乙烯共混聚氯乙烯雙壁波紋管材》、企業(yè)標準Q31/0116000101C001—2015《纖維增強HDPE承插式雙壁纏繞管》、Q/CHH 04—2019《埋地排水排污用雙層增強改性聚烯烴（DRPO）波紋管》；新型結(jié)構(gòu)相關(guān)專利包含了圖2所示的新型結(jié)構(gòu)壁管，其中圖2（a）～（c）分別形成了團體標準T/GDC 19—2019《埋地用雙高筋增強聚乙烯（HDPE）纏繞管》、T/GDC 26—2019《埋地用內(nèi)肋（含多肋）增強聚乙烯（PE）螺旋波紋管》、T/GDSTT 3—2020《聚乙烯（PE）中空壁復合（多肋）增強纏繞管》［1］。

表8 新型塑料結(jié)構(gòu)壁管專利及標準相關(guān)信息［1］Tab.8 Referred information of patents and standards of novel type plastic structure pipes

近兩年，受國家關(guān)于碳中和、碳達峰的雙碳大政策以及樹脂原料價格上漲的影響，塑料管道行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型已迫在眉睫，新型管材的開發(fā)與應用或可順應品牌建設、綠色化發(fā)展和廢物利用3條道路。（1）對于品牌建設，可參考德國克拉公司開發(fā)和推廣克拉管［如圖1（d）所示］的經(jīng)驗，開發(fā)和推廣具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)秀產(chǎn)品和生產(chǎn)線。（2）對于綠色化發(fā)展，可以以團體標準T/CE?CS 10058—2019《綠色建材評價?塑料管材管件》為依據(jù)，開發(fā)出符合綠色建材標準要求且質(zhì)量輕、耗能低、強度大、長期穩(wěn)定性好的新型產(chǎn)品。（3）關(guān)于廢物利用，可加大對廢棄塑料，尤其是聚苯乙烯（PS）的研究，以期研發(fā)出適當?shù)幕瘜W/物理改性的方法降低加工難度、改善力學性能，進而開發(fā)出以該廢棄塑料為基材的產(chǎn)品。此外，針對于塑料再生料（外部回收料）存在分類、驗收不夠規(guī)范，易增加生產(chǎn)及使用中風險的現(xiàn)狀，全國塑料技術(shù)標準化委員會（SAC/TC 15）于近兩年推出了GB/T 40006《塑料再生塑料》系列標準，規(guī)定了7類通用塑料回收料的形狀及性能。若未來政府相關(guān)監(jiān)管部門及行業(yè)將塑料再生料的加工、貿(mào)易、驗收進行了規(guī)范化、標準化、持續(xù)化的整治，大規(guī)模采用再生料（外部回收料）生產(chǎn)塑料結(jié)構(gòu)壁排水管具有一定可行性。

4 結(jié)論

（1）總體而言，塑料結(jié)構(gòu)壁排水管的國家標準嚴于ISO標準，此可表明我國對此類產(chǎn)品有更高的質(zhì)量要求。換而言之，符合國家標準的塑料結(jié)構(gòu)壁排水管，通常也滿足ISO標準；

（2）近年來，我國開發(fā)出了一系列的新型塑料結(jié)構(gòu)壁排水管，此可表明我國相關(guān)行業(yè)發(fā)展較好，創(chuàng)新性較高；特別是近兩年來，我國已牽頭制修訂了一批高分子材料的ISO標準，包括產(chǎn)品標準及檢測方法標準；與之相關(guān)的超高分子量聚乙烯、聚丁烯?1、塑化聚氯乙烯、砜聚合物、聚苯乙烯、抗沖擊聚苯乙烯、生橡膠和膠乳等產(chǎn)業(yè)已從“做大”逐漸發(fā)展至了“做強”；我國塑料結(jié)構(gòu)壁排水管行業(yè)，經(jīng)過十幾年的消化、吸收、創(chuàng)新，現(xiàn)已有所成就；該行業(yè)可積極向外發(fā)展，爭取早日牽頭制修訂ISO標準，爭奪國際話語權(quán)；

（3）建議國家標準適當?shù)目s短制修訂周期，將一些近年已規(guī)模應用的新型管材納入國家標準體系中；并結(jié)合時代熱點以及行業(yè)現(xiàn)狀，對再生料（外部回收料）進行考察，于適當時候?qū)⑵涞牟捎眉尤雵覙藴省?/p>