给水管网工程常用管材聚乙烯管(PE)

详细介绍给水管网工程常用管材一聚乙烯管（PE）一、聚乙烯管的发展史20世纪20年代德国科学家揭示了聚合物的奥秘，为高分子材料科学奠定了基础。1931年在第二次世界大战战争中开发了聚氯乙烯（PVC）,1933年英国ICI公司最先发明聚乙烯（PE）等塑料，聚乙烯是由乙烯合成的高分子材料，是一种生态环保的碳氢化合物,开始研究在燃气、给水管网中应用,1940年后一些公司批量使用塑料管道后，生产行业才认识到塑料管道发展的潜力巨大，由于其独特的性质和特性，并克服了金属管道的缺点，从此揭开了塑料管在城市市政管网中的地位。聚乙烯管的使用已有近半个世纪的历史。最初是水管，后来发展到燃气领域；中、高密度聚乙烯较低密度聚乙烯增强了刚度和承压能力，因此是聚乙烯压力管的主导材料，到目前为止，商业化的已有三代产品。第一代聚乙烯管材，树脂共聚单体含量相当低，为提高性能，不得不通过提高分子量来补偿。该种类型的第一个产品于上世纪50年代后期在欧洲首先商业化,这类树脂具有所谓的PE63级材料的性能，最小要求强度（MRS）通常为6.3MPa，因而通常认为这类树脂是PE63及PE63以下等级，第一代树脂是高密度聚乙烯。第二代树脂即为目前的PE80材料，是在第一代树脂基础之上，考虑到20°C时长期静液压强度（MRS）的要求，提高了共聚单体含量，极大地改进了聚乙烯管材级树脂的耐环境应力开裂ESCR性能。同时可以稍微降低分子量，继而提高了树脂的流动性，以利于加工。第二代树脂是MDPE或HDPE，它的主要缺点是如果进一步提高ESCR性能，就会较大地损失材料的耐压能力，从而降低使用该材料挤出管子的压力等级。另一方面，如果想进一步提高压力等级，则增大了20C时在50年（要求寿命）前发生脆性破坏的可能性。第三代树脂即为PE100，出现在80年代末，PE100具有双峰型分子量分布，这使得第三代聚乙烯管树脂具有较高的密度或刚度，20C，50年的蠕变抵抗能力高；同时又保持了较好的ESCR性能。对于未加改性的聚乙烯来说，有研究者认为PE140等级为理论极限。PE125等级可通过交联聚乙烯获得；有试验研究表明，双轴取向的聚乙烯管材可以达到PE250等级。从聚乙烯管的发展阶段而言，1940年前为塑料（聚合物）的发现阶段；1940〜1954年为材料的评价与实验阶段；1954〜至今为聚乙烯管道应用的普及阶段。普及阶段也是聚乙烯管开发的成熟期，连接方式的定型、管件的深入开发、机具的开发，并形成自动化生产线的大批量生产，减少了人的因素，产品质量的不断上升，成本不断下降，聚乙烯管作为压力管道已成功的使用了50年，已为众多国家在输水、输送燃气的管道中得到应用。国内从上世纪六十年代起步开发聚乙烯管材，当时的材料相当于现在的PE32、PE63，dnW110mm，主要应用于农业给水、灌溉方面。上世纪九十年代初，《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T13663—1992标准的发布，部分城市开始试用聚乙烯管，原料以PE32、PE63为主。1997年以建设部、化学工业部、中国轻工业总会、国家建材局、中国石油总公司联合下发“建科（1997）154号”文件，关于印发＜＜国家化学建材推广应用“九五”计划和2010年发展规划纲要＞＞等化学建材文件的通知；印发了加速化学建材推广应用和限制淘汰落后产品的规定。2000年《给水用聚乙烯(PE)管材》GB/T13663—2000标准的发布，推动了聚乙烯给水管材的生产与应用，据前年资料统计，国内有制管企业150余家，年生产能力达50万t生产规模在1万t/a以上的企业有10余家。二、国内聚乙烯给水管生产的相关问题进一步推广聚乙烯给水管材的时机成熟自从国家质量技术监督局2000年11月21日发布《给水用聚乙烯(PE)管材》国家标准(GB/T13663-2000)以后，推动了聚乙烯给水管材的生产与应用，为了适应管材供货半径的合理化，大型专业制管企业，先后在多座兴建了分公司。目前国内使用的原料日趋多元化，主要来自欧洲、韩国、东南亚和中东。欧洲：北欧化工、BP、阿托菲纳、苏威等；韩国：三星石化、大林、现代石化、大韩油化、LG；东南亚和中东的工厂：美国菲利蒲斯公司在新加坡的工厂(卡塔尔的工厂正在筹建中)、北欧化工厂在阿联酋的工厂、BP马来西亚的工厂。生产聚乙烯给水管的主要原料为石脑油，目前它的价格变化仍然大，待欧洲及美国厂家在中东的聚乙烯装置投产后、其低廉的价格可能会对国内原料供应格局造成较大的影响。另外上海金山石化PE100的原料开发已处于论证鉴定阶段，聚乙烯混配料的价格将会有一定幅度的下降。尽管与聚乙烯给水管材相配套的管件国标尚未发布，近五年各制管企业在管材型式、品种、规格上做了大量工作，电熔管件、注塑管件、对接制管件及钢塑转換管件，均形成了系列化产品，品种多、规格全。与此同时，江苏江阴大伟塑料制品有限公司研制、开发了承插柔性连接(非锁紧型及锁紧型)管件，包括活络连接管件，丰富了聚乙烯管的组装形式，更有利于聚乙烯给水管在不同环境的推广使用。建设部于今年5月8日发布了《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》行业标准(CJJ101-2004)，它必将对推广聚乙烯给水管的应用，提供了技术支持。近五年来，各城市的供水企业对推广应用新型管材，合理改造原有管网，改善管网水质，提高供水的安全可*性，给予了极大的关注和人力、财力的支持。这将使聚乙烯给水管在旧管非开挖改造及新型居住区的管道敷设碰上极好的机遇。聚乙烯管材、管件质量的关键是原料(2.1)按照《给水用聚乙烯(PE)管材》国家标准(GB/T13663-2000)的规定，PE80、PE100的聚乙烯给水管材应使用混配专用料生产。按照建设部行业标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101-2004)的强制性条文规定，埋地聚乙烯给水管道系统应选用最小要求强度(MRS)不小于8.0MPa的聚乙烯混配专用料生产的管材和管件。大多数企业的生产线或库房内存在白料与色母料，他们抱怨用户一再压价，引起白加黑自配料无法堵绝。但这些企业却一致赞同用混配专用料，是确保制管质量的重要措施。用作水管的PE材料须加入2.5%的碳黑，以保证管材的老化速度在管材寿命设计范围内；碳黑的分散度要达到W3级，以其均匀性来消除不平衡的应力点。然而目前韩国材料是混配料及本色料并存；欧洲提供的材料均为混配料，即为出厂成品粒料已完成了碳黑及其它添加剂的共混造粒，没有本色料,这样就充分维护了其品牌的质量声誉。因为制管企业自行采取本色料加黑色母料的做法存在以下隐患及不稳定因素：碳黑品种选用难达合理程度；碳黑加入量难达到标准要求；碳黑分散度达不到标准要求；色母的基料选用的随意性大。因此‘白加黑'的做法对管材的寿命、应力开裂性能、卫生安全性均会产生严重的质量隐患。据悉聚乙烯PE100、PE80的混配料国产化的速度正在加快，不久的将来会推向市场，当然积极试用国产化的原料是义不容辞的责任，但全面选用国产料还应有一段路程，因此建议近期生产聚乙烯给水管材、管件的原料仍应使用欧洲品牌的、获得国际权威实验室颁发了原料等级认证证书的混配专用料。完备的检验体系是确保产品质量的重要环节按照《给水用聚乙烯(PE)管材》国家标准(GB/T13663-2000)的规定，每批原料应检验：炭黑含量；炭黑分散等级；氧化诱导时间(200°C)min；熔体流动速率(5kg,190C)。另外，有些制管企业还按prEN12201：2002欧洲标准对原料作密度、挥发份含量、含水量、拉伸强度、耐慢速裂纹增长(SCG)、耐快速裂纹扩展(RCP)进行检验。按照《给水用聚乙烯(PE)管材》国家标准(GB/T13663-2000)的规定，管材出厂前应对颜色、外观、尺寸、80C静液压强度(165h)、断裂伸长率、氧化诱导时间的检验；管材型式检验还包括20C静液压强度(100h)、80C静液压强度(1000h)、纵向回缩率、卫生性能的内容。对于蓝色管材还需对‘耐候性'做专门的检验。以德国巴顿菲尔全自动聚乙烯管材生产线为代表的过程控制，是确保制管质量的关键。全自动原料烘干设备可对原料进行充分的水分烘干，并自动上料补料；“蓓达镭射”能自动检测管材的壁厚、自动对进料进行均匀的控制，使管壁厚度精确无误，确保管材的受压均衡。回用料问题(4.1)按照《给水用聚乙烯(PE)管材》国家标准(GB/T13663-2000)的规定，按本标准生产管材时产生的洁净回用料，只要能生产出符合本标准的管材时，可掺入新料中回用。也就是允许添加洁净的回用料应是本次生产产生的洁净回用料。不可将PE100和PE80级料混用；若是同等级但熔融指数相差太大也不能混用。从设备及工艺的角度讲回用料用量＜5%新料为好；标准规定管子的熔融指数不应超过原料的±25%，从这个角度讲回用料的量也不能加的太多。有些企业的回用料含杂质较明显，控制均匀添加的措施不严谨，应改善。并应将掺加回用料情况填表归档，向相关用户通报。多类型的连接方式，有助于管材在不同场合的应用热熔连接、电熔连接、法兰连接、钢塑过渡连接是聚乙烯管早先开发应用的连接方式，在欧洲某两家公司2000年推出了聚乙烯管非熔接连接的技术趋向及系列产品。与此同时，国内亦独立自主地提出这一思路，经几年的攻关，参照ISO14236-2000《给水系统聚乙烯压力管材用机械连接管件》的技术要求，成功地推出了聚乙烯给水管道工程承插连接这一技术，推出了系列产品，在国家行业标准CJJ/T98-2003《建筑给水聚乙烯管道工程技术规程》和国家行业标准

CJJ101-2004《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》中，列入了这种新型的连接形式，有助于管材在不同场合的应用。参照建设部行业标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101-2004)的(3.3.1)条文规定，各种连接方式的适用场合如表12。表12序号连接方式适用管径范围适用的环境1热熔连接1.1热熔对接dn±63mm管路单一，管件少，障碍少，应有温度补偿措施，适宜非开挖工程，工程集中且量大，需电源、昂贵的热熔设备，环境条件要求严，施工速度慢，异形管受力方向的部位需筑支墩，待专业队伍施工，需专业电工参与。1.2热熔承插连接dn32-dn110mm入户支管，水表节点，室内管道，应有温度补偿措施,需电源、热熔设备，异形管受力方向的部位需固定，待专业队伍施工，需专业电工参与。1.3热熔鞍型连接dn63-dn315mm热熔对接工程中，引接小口径分支管的方式之一，需电源、热熔设备，应砼全包，待专业队伍施工，需专业电工参与。2电熔连接2.1电熔承插连接dn32-dn315mm配水管道，室内管道，应有温度补偿措施，需电源、电熔设备，相对工程造价咼，待专业队伍施工，需专业电工参与。2.2电熔鞍型连接dn63-dn315mm配水管道停水，不停水引接分支管，组装质量可*，应砼全包，需电源、电熔设备，待专业队伍施工，需专业电工参与。3机械连接3.1承插柔性连接3.1.1非锁紧型dn90-dn315mm配水管道，小区配水支管，适应不同环境条件，施工速度快，不存在温度补偿问题，异形管受力方向应筑支墩，工程综合造价低，原管道施工队伍施工。3.1.2锁紧型dn32-dn315mm配水管道，小区配水支管的管件连接口，室内管路，适应不同环境条件，施工速度快，不存在温度补偿问题，穿越障碍容易，异形管受力方向砌筑支墩小，工程综合造价低，原管道施工队伍施工。3.2法兰连接dn±63mm管道中控制阀门，伸缩节等设施的连接方式，原管道施工队伍施工。3.3钢塑过渡连接dn±32mm聚乙烯管与金属管，金属阀门、金属水嘴等的连接方式，原管道施工队伍施工。原料、产品的存放、包装问题个别制管企业的进口原料露天堆放，管材也有露天无遮盖堆放，这样是欠妥的。对于管材出厂前两端应加堵盖；盘管整体应用编织布包扎，且不超出运输车辆的宽、高限度；对于柔性承插管的堵盖应加长，确保端口密封面的圆度及完好。中、小口径管材出厂应捆扎成形，互不相擦；为了节省运输费用而小管套入大管的方式，一方面要用户认可、二方面小管在大管中卡固稳妥、三方面小管堵盖随车运去，到目的地再行封堵。管件务必用编织袋密封运输。管材的缩径问题生产聚乙烯给水管的工艺流程如下：聚乙烯原料f干燥f挤出f真空定型f喷淋冷却f打印标识f直管(盘管)切割f翻料(盘卷)堆放f检测f合格品f入库。管材定长切锯后，管两端面外径要缩小，当dn315〜1600mm时，管两端外径要缩小20〜60mm，两管热熔对接后，加之内翻边的存在，管材接口处，缩径达40〜80mm，在dn1600mm聚乙烯管生产线上缩径现象更为明显。这样管道容易积气，这对输配水的过水能力影响很大，也容易引起微生物在管道内的滋生。制管企业在生产线定长锯切后应增添一扩口工序，保证出厂的管材端面不缩小。制管企业在工厂采用热熔对接焊制的管件，为了减少输水阻力应采取措施避免产生内翻边。同样原因，管段现场热熔对接时，亦应有措施避免或切除内翻边。在亚大塑料制品有限公司总部考察时，见到他们就已引进了一台内翻边去除工具，遗憾的是一直没有应用过，据了解操作麻烦，业主或规程上均没有强行要求。管材热熔对接形成内、外翻边，是否对接口的强度有加固作用，去除内、外翻边后，接口的强度是否削弱，应该立题论证。密封橡胶圈的材质要求在承插柔性连接方式上，密封橡胶圈的材质是相当重要的，在《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101-2004)的3.3.12条中，从材质、物理力学性能、卫生要求等均作了明确规定。制管企业应从水管密封胶圈定点供货的专业橡胶厂订购。橡胶材质可采用三元乙丙、丁苯橡胶，由用户选定，建议采用进口的三元乙丙橡胶原料生产。橡胶厂批量供货时，应提供原料材质及来源证明，物理力学检测报告，卫生检测报告。三、对于供水企业应用聚乙烯管的几个问题在城市供水管网中，聚乙烯给水管首先推广的范围在管网技改工程中，非开挖钻孔牵引管道、管中管工程、浮沉法穿越湖泊及江河的工程，采用热熔对接的聚乙烯给水管，是可选用的方案之一。非车行道下的配水管道，特别是小区内的配水支管，宜采用承插式柔性非锁紧型聚乙烯给水管材，管件采用锁紧型接口。配水支管引接入户支管，采用止水栓管件时，务必管卡部位全包混凝土。停水、不停水从配水支管引接入户管时，电熔鞍型连接形式是可*的连接方式。水表节点及入户支管，热熔承插连接的聚乙烯给水管材，亦是可选用的方案之一。在城市供水管道中采用的聚乙烯给水管材、管件，宜采用PE100欧洲品牌的混配专用料生产。选购管材、管件的须知选购混配专用料的技术性文件，主要应包括以下方面原料厂家在国际权威实验室进行的原料等级认证证书；应标明原料的级别和牌号；应标明该批号的原料是‘给水管用混配专用料'，因水管原料要特别注意应符合输水设备的卫生性能要求；应标明该批号原料出厂的物理性能检验报告单，检验项目包括炭黑含量；炭黑分散等级；氧化诱导时间(200°C)min；熔体流动速率(5kg,190°C)。另外，有些制管企业还按prEN12201：2002欧洲标准对原料作密度、挥发份含量、含水量、拉伸强度、耐慢速裂纹增长(SCG通过缺口试验和锥体试验方法检验)、耐快速应力开裂(RCP通过S4方法检验)检验；制管企业对该批号采购的混配专用料，应委托有资质的检验单位，对上述C、 D两项涉及的内容进行复验，提供相应检验报告单；建议国家相关检验部门向用管、制管单位提供鉴别聚乙烯原料品牌、级别的检验方法。企业资历考察制管企业的相关证书、检验手段、过程控制等是否满足《给水用聚乙烯(PE)管材》国家标准(GB/T13663-2000)和建设部行业标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101-2004)的规定。采购方应提供以下相关数据管道的工压、输送水的最高水温；管材、管件的用材级别；管道公称外径、管材长度、连接方式；不同管径等的管道长度；管件的类别、规格、型式、数量；管材、管件的外覌颜色。采购方应提供以下相关要求管材、管件的出厂合格证、检测报告；密封橡胶圈的材质、牌号、合格证、检验报告、规格、数量；管材、管件(包括辅件)的包装要求；管材、管件的运输方式及相关要求；付款方式、付款细则；交货日期、交货地点、交货方式、验收细则；要求的服务细则、承诺条款等。敷设聚乙烯给水管道的措施建设部行业标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101-2004)中，已对埋地聚乙烯给水管道工程的设计、安装施工、工程验收等方面均作了规定与阐述，它是指导我们敷设聚乙烯给水管道的守则。为了贯彻这一规程，扼要商讨以下问题：防老化问题聚乙烯给水管可以是蓝色管，也可以是黑色管上挤出蓝色条，通常后者抗紫外线和防老化的性能好些；聚乙烯管不宜明敷，实在需要明敷也建议加套管保护；聚乙烯管在运输、存贮过程应防止阳光直射，工地摆放时间力争很短；作了防老化处理的聚乙烯管违背上述两点也是可用的，但使用年限要打折扣。关于温度相关问题聚乙烯管输送的介质温度高于20°C时，选用管材的公称压力应按《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101-2004)中4.1.1式计算，它将大于管网的工压值；《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101-2004)中4.2.4条，要求埋地聚乙烯管道与热力管道间距不得小于1.5m，并按聚乙烯管道表面温度不超过40C的条件计算间距；局部明敷管道加了套管，亦要核定阳光直射套管是否使聚乙烯管表面温度超过40C，否则应添隔热层；聚乙烯管的线膨胀系数是钢管、球铁管的10多倍，但聚乙烯管的弹性模量却比金属管低的多，说明虽然聚乙烯管伸缩的程度比较高，但是伸缩产生的应力却明显的小，因此敷设聚乙烯管时克服季节温差引起的轴向变形的措施是相当重要的，可控制这种伸缩所需的固定方法常常简单而经济，它利用聚乙烯独特的优点--应力松弛性能来控制机械活动和变形，最基本的有两种方法：一是不固定管道，使管道随着温度变化自由运动，如在规划允许的范围内