塑料管材的研究进展
摘要：塑料管因安全、环保而广泛应用于建筑给排水、城镇给排水以及燃气管等领域。2013—2017年，全球塑料管材的需求量将以年均8.5%的速率增加，而亚洲需求量的年均增长率为9.7%[1]。塑料管能够稳定增长的基础是技术发展快，不断有新材料，新技术，和新应用出现。本文综述了建筑给排水、城乡给水管、燃气用水管、工业用管等领域中常用管材的种类、应用及新型管材的研究进展，并对其特性及优缺点进行了详细的阐述。对比分析了塑料管材与传统管材的性能，并论述了目前塑料管材在应用上存在的问题。
一、建筑给排水领域
1、各种塑料管材的特点及其研究进展
1.1、UPVC与PVC管材 UPVC管材的化学稳定性好、耐化学药品腐蚀性强。UPVC管内壁光滑、安全卫生、水流阻力小；但UPVC管在低温条件下较脆，在温度较高时易变软，因此不适合做热水管，也不适用于寒冷地区。与其他管材相比，UPVC管材具有较高的模量、强度和硬度，即使在不增强的情况下也能满足普通有压液体的输送要求；UPVC管的耐化学药品腐蚀性强、耐老化、使用寿命长、安装维修方便、外形美观、成本较低。UPVC管材的弯曲应力和弯曲模量较高，承受外部荷载的性能较好，因此在相同的使用条件下用料最少。刘继纯等[2]制备了具有阻燃、抗静电和耐冲击的UPVC，分析了炭黑用量和表面处理对UPVC性能的影响。结果表明：炭黑用量过少（小于6 phr）时，UPVC的导电能力减弱；炭黑用量过多（大于10 phr）时，UPVC的抗冲击性能变差，阻燃性能下降。炭黑未经过表面处理且用量为10 phr左右时，UPVC的综合性能最优。 王振中等[3-4]探讨了UPVC在准静态裂纹扩展、高速裂纹扩展以及疲劳裂纹扩展的断裂机理。结果 发现：UPVC在准静态荷载作用下的断裂形式为韧 性断裂，在冲击荷载作用下的断裂形式为脆性断 裂，在疲劳阶段的断裂形式为偏韧性断裂。PVC径向加筋管的管外壁带有径向加强筋，可提高管的环向刚度和耐压强度；但管材在熔融 挤出时的流动性及热稳定性较差，不适于制备大 口径管 。PVC是非晶形聚合物，透明性较好，透光率约80%。严立万[5]将PVC及助剂按比例制成 PVC给水管，管内水流情况可视，方便检修。
1.2、PPR管材PPR的化学稳定性好，耐化学药品腐蚀性强， 力学性能优异。PPR管内壁光滑，阻力小，不易积垢，质轻，运输、维修方便。PPR管分为热水管和冷水管，加热到一定温度时，同材质的管与管件在几秒钟内就可以完全融为一体，解决了管道连接处漏水的问题。PPR管的最高使用温度为95 ℃，长期使用温度为70 ℃，其导热系数为0.21 W/ （m·℃），约为钢管的1/200，保温性能良好；但 PPR管的膨胀系数是钢管的12倍，长期使用会因 热胀冷缩而使管体变形。 2015年6月，中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司生产的管材专用PPR T4401在国家化学建筑材料测试中心通过了PPR 100级认证。 PPR T4401的熔体流动速率为0.5 g/10 min，具有优 异的加工流动性和刚韧平衡性，并且具备典型的无规共聚物序列结构[6]。
1.3、PB管材 PB管安全无毒，可直接应用于饮用水输送，其耐高温、化学稳定性好、可塑性强、温度适用范围大且力学性能优越。在长期连续工作压力下， 输送水温可达95 ℃。PB的生产厂家少，价格昂贵，是其他品种价格的1倍以上。PB管材具有极强的温度适应能力，在-30~110 ℃均可使用。与 PPR管相比，PB管的导热系数小，对保温材料的要 求较低；PPR管在温差为50 ℃时的热膨胀力是PB 管的3倍，说明在热水中使用时，PB管的膨胀量比 PPR小。我国应充分利用乙烯和催化裂解装置富产碳四的巨大资源，以打破国外对PB原料的垄断，推动我国管材市场的发展。 高等规PB的环向应力承受能力高、水流压力损失小、抗蠕变性能优异，施工性能与PPR相近，因此广泛用于热水管及其连接件。随着我国建筑业的发展，开展合成高等规PB所用催化剂体系及聚合工艺的研究，开发具有自主知识产权的合成技 术，对我国PB管材市场的发展具有重要意义。
1.4、PE-X管材PE-X管材主要应用于建筑冷热水供水管道、采暖管道和燃气管道等。它具有以下特点：1）使用温度范围宽，可在-70~90 ℃长期使用；2）抗 压强度高，使用寿命长；3）耐化学药品腐蚀性好，能耐大多数的酸、碱和其他化学品，耐环境应力开裂性能优良。毕婷婷[7]采用硅烷水解交联方法，制备了高强度聚烯烃弹性体改性的PE-X软管材料，并研究了其力学性能及热性能。结果表明：当过氧化二异丙苯的用量为基体树脂质量的 0.05%，硅烷偶联剂用量为基体树脂质量的3.00% 时，改性PE-X的各项性能达到最优，在100 ℃恒 温198 h后，强度保持率达94%。
1.5、ABS管材ABS管材的耐酸、耐碱及耐压性能优良，抗冲击性能好，受温度、湿度的影响较小，且低温条件下不会脆化，可用于室外或北方较寒冷的地区。 在原料制作及管材生产过程中，无须添加任何稳定剂，不会有重金属析出污染。ABS管的流动摩擦力小，极大减小了流体阻力，其黏合强度高，避免了一般管道存在的跑、冒、滴、漏现象。
1.6、HDPE管材 HDPE埋地排水管投资较小，在排水管领域倍受青睐，典型代表有HDPE实壁排水管、HDPE 双壁波纹管、HDPE缠绕结构壁管、HDPE钢肋复 合螺旋管等。HDPE管的特点是：1）密封性与抗渗 漏性能好。2）水力特性好。HDPE管的粗糙系数为 0.009~0.010，小于钢筋砼管的0.013~0.014，说明对于同口径的钢筋砼管和HDPE管，HDPE管通过 的流量更大。3）安装方便。4）使用寿命长。HDPE 属于惰性材料，耐化学药品腐蚀性强，可在高酸、高碱、污水等环境使用，使用寿命超过50年。5）挠 曲度较好。对地基不均匀沉降具有一定的抵御能力，且管道接口较少，抗渗漏性能好。 在寒冷地区，预制直埋式保温管在储存和施工过程中会出现HDPE外护层开裂现象。蒋林林等[8]从HDPE的物理性能，外护管原料及配方，挤出温度、冷却速率等成型工艺，聚氨酯保温层的 预制过程，保温弯管的结构特点，环境温度以及施 工过程等方面，全面分析了可能导致HDPE外护保温管开裂的原因，提出了选用适宜原料、严格 控制生产过程中的工艺参数、控制聚氨酯泡沫投 料量以及加强HDPE外护层保护等解决措施。
2、新型管材的研究进展针对传统管材耐化学药品腐蚀性、耐高温性、耐压性差等问题，奚斌等分析了采用新工 艺生产的HDPE双重壁管的内壁粗糙系数，结果 发现：当雷诺数小于2500时，HDPE管的内壁粗糙系数宜为0.011~0.012；当雷诺数大于2 500时，管内壁粗糙系数为0.009~0.011。Borowska等[9]对建 筑给排水管的老化问题进行了研究，发现紫外光 辐照促进了UPVC管的老化。Katsuhisa等[10]研究了聚硅 烷对超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）熔体 流动性能的影响，结果表明：200 ℃时，聚硅烷可 抑制UHMWPE在熔化过程中转矩的增加。
二、城乡给水领域：
1、PVC管道系统的技术创新
近十几年国际上不断在探索提高聚氯乙烯管道系统的性能和拓宽聚氯乙烯管道系统的应用，取得了显著的成果。主要的方向是：
1.1、通过改性提高韧性，开发抗冲击抗开裂性能好同时保持高强度的改性聚氯乙烯管道系统，通常称为PVC- M（或PVC-A，PVC-HI）。PVC-M在不少国家已经大量生产，广泛地应用于城乡和建筑给水，矿山用管道等，英国，澳大利亚，南非都制定了国家标准[Z1]。PVC-M完全克服了PVC-U的脆性，韧性得到非常显著的改善，同时保持和PVC-U接近的强度。因此可以采用较高的设计应力具有节省材料（30%）和增加通径的优点，符合节约资源的大方向。日本近年十分重视管道抗地震性能的试验研究。和欧洲不同，日本开发的改性聚氯乙烯管道系统主要目标在提高抗地震性能。
1.2、通过管材加工过程中的双向拉伸，使分子取向，形成具有高强度、高韧性、抗冲击、抗疲劳，性能远优于普通PVC-U的新型PVC管材。通常称为PVC-O（或BO-PVC）。PVC-O已经在英国、法国、荷兰、葡萄牙、美国、澳大利亚、南非和日本等国家应用多年。美国、澳大利亚等国已经发布了PVC-O的产品标准，国际标准组织也已在去年发布PVC-O标准（ISO 16422：2006）。
1.3、扩大应用领域，如：通过改性提高韧度使PVC管材可以弯曲，可以折叠，甚至可以对接熔焊。在北美聚氯乙烯管道已经进入非开挖铺设和修复市场。在南非等应用于矿山深井等恶劣环境中水和压缩空气的输送管道。
2、PE管道系统的技术创新
PE管道系统起步较晚，但是发展很快，尤其是在最重视环境保护的欧洲。近年PE管原材料的性能不断提高，PE100等级的混配料已为各国普遍采用，还开发了适合生产厚壁大直径管的‘低熔垂性PE100’（低流挂性）和注塑大尺寸管件的‘高流动性PE100’。我国的石油化工业近年积极开发管道专用料，预计PE100的国产化不久有重大进展。
近年由于材料价格爆涨，PE管道系统受到很大压力。但由于PE管道系统具有独特的优点，在不少应用领域仍然具有明显的竞争优势。
发展大直径的PE压力管，在直径1000mm以上范围PE管几乎是唯一的塑料管。国外挤出PE实壁管的最大直径达到2000mm，我国不仅已经生产和应用630-1600mm较大直径的PE压力管，而且已经能够制造大直径PE实壁管的挤出生产线和配套焊接设备（如宁波‘方力’公司制造的PE实壁管生产线最大直径达到1600mm）。PE管和传统的球墨铸铁管和钢管比，卫生，抗腐蚀，铺设方便快捷是其优势。例如历来在应用塑料管道上比较谨慎和保守的北京地区06年也在新铺设的中水管网中大量成功地采用了直径达到1000mm的PE实壁管。
3、增强复合管成为发展的热点
塑料有许多公认的独特优点，但是强度较低是其明显的缺点。因此全塑料管的应用就必然受到限制。利用其他高强度材料和塑料的复合制造增强复合管是国内外一直在努力探索的课题。用玻璃纤维增强热固性塑料管--FRP（玻璃钢管）已经在很多领域广泛应用，例如近年我国的石油开采业应用耐高压的玻璃钢管已经超过万吨规模。当前国内外开发的热点是增强的热塑性塑料管—RTP（Reinforced Thermoplastic Pipes）[Z4]。（这类管材的特点是可以曲挠，在石油业常称其为‘挠性管Flexible pipe’）
以前国外开发RTP主要目标集中在满足全塑料管不可能达到的性能，例如很高的工作压力，很少用在较低压力的输水管道领域。我国开发RTP大部分把目标放在节约材料降低成本上，例如各种‘钢骨架管’。
新近的变化是国内已经起步开发很高工作压力的RTP，例如‘晨光’已经生产芳纶纤维增强RTP，‘高详’已经生产最高工作压力达到25MPa的钢带增强‘挠性管’。可以肯定RTP在我国发展的前景非常广阔。
高压RTP：5-25MPa主要应用于石油天然气开采领域。 中压RTP：1.6-10MPa主要应用于长距离输送天然气。
低压RTP：0.2-1.6MPa主要应用于城乡输水管网。目前国内有‘钢骨架聚乙烯复合管（CJ/T 124）’，‘孔网钢带聚乙烯复合管（CJ/T 181）’和‘钢丝网骨架聚乙烯复合管（CJ/T 189）’，都是国内自主要开发的生产技术和设备。实践证明成都‘金石’公司开发的采用钢丝缠绕增强（没有焊接）复合管较成功，直径范围在100-630mm，目前都采用电熔管件连接。和同直径同压力的PE实壁管比成本较低，国内已经有几十条生产线。还在进一步改进和发展。目前国内在探索开发应用在引水和灌溉管道的钢板增强复合管。这种管道内压不高但是需要一定环刚度（压力较低-小于0.6MPa而直径较大500-2000mm），采用实壁管不经济。
三、燃气用管领域
全球能源结构的大趋势是越来越多越来越多地采用天然气，聚乙烯燃气管道的市场自然不断在扩大。众所周知，已经在我国经济发展中发挥重大作用的‘西气东送’大工程带动了我国聚乙烯燃气管的大发展。现在‘川气东送’大工程又开始了，将推动沿线广大地区对天然气的应用，为聚乙烯燃气管道开辟新的市场空间。
国际上聚乙烯燃气管道技术发展的一个动向是采用要求更高的标准，有重要变化的聚乙烯燃气管道新国际标准ISO 4437-2007已经批准即将发布。我国的标准肯定也要跟上去。
另外一个动向是探索把塑料管应用到天然气的高压输送管道。 高压天然气塑料输送管的探索
国内外塑料管应用于天然气的输送管道长期来局限于低压的输配管网，压力不超过1MPa（我国过去的标准是0.4MPa）。近年国外在积极探索把RTP应用于天然气的高压输送管道。据报道2000年德国就铺设了试验线（DN75 PN100 长900米）。RTP的优势在抗腐蚀性强和铺设便捷（可以长盘管供应，采用非开挖铺设。）2004年德国给水和燃气协会DVGW已经发布了标准：‘VP642 用于运行压力16 bar以上天然气的纤维增强PE管（RTP）和附带的连接件’。
四、工业用管领域
1、石油天然气开采用高压增强热塑性塑料管
石油天然气开采对于国家的重要性是众所周知的。石油天然气开采业需要的大量管道传统上采用钢管，但近年越来越多采用非金属管道。由于石油天然气资源很多在沙漠，沼泽，海滩和海洋（从浅海到深海）中，耐腐蚀抗高压又柔韧可曲挠，可以制成很长连续盘管的增强热塑性塑料管（RTP）具有独特的优势。在陆地和浅海使用的RTP通常是三层结构。在深海使用的RTP通常由很多层构成（除承受内压外还要承受外压等其他负载），石油天然气开采业统称其为‘挠性管’。对于‘挠性管’的设计，制造，铺设和应用国际上进行了大量研究试验，积累了丰富的经验，目前国际上采用的标准是ISO标准（ISO 13628-）和美国石油组织API的规范和规程（API 17J，API17B…）。
我国几大油田也已经采用增强热固性塑料管（玻璃钢管）和增强热塑性塑料管（RTP）。
2、矿山管道的开发
国外在矿山根据不同需求采用不同材料和结构的塑料管道。例如在矿业发达的南非，在煤矿和金矿成功低大量使用高抗冲击的聚氯乙烯管道系统（PVC-M和PVC-O），积累了丰富的经验。我国是矿业大国，煤产量近世界的1/3，。目前塑料管已经应用到煤矿的输水和排气(抽瓦斯)，但由于缺乏经验存在很多问题。例如目前国内基本上都采用聚乙烯（抗静电和阻燃的）的实壁管（煤炭行业标准MT 558.１—1996煤矿用聚乙烯管材）。已经有企业在开发煤矿专用的高抗冲聚氯乙烯管。
3、工业中的特殊管道
在化学工业，电子工业，电力工业等各个领域都需要有特殊性能的塑料管道，如化工产品生产中输送各种强腐蚀的流体管道，电子产品生产中输送高度纯净水的管道，发电站输送强磨损介质的管道。国外有一些塑料管道企业以特殊要求的工业管道为主业，可以根据用户需求从设计到铺设施工配套服务。例如，对于输送特别危险的流体，可以设置双层管道系统，万一发生泄漏只是流到内外管之间，并自动报警，可以确保安全。
五、结语
随着材料科技与工艺的进步，塑料管材的研究与应用得到了高速的发展，绿色无害化管材成为未来管材发展的趋势。但在应用过程中必须结合实际情况选用合适的管材。
参考文献
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