Entwicklungsgeschichte, Anwendungsbereich und Produkteigenschaften von PE-Rohren

2025-04-01

自 20 世纪 90 年代起,我国合成树脂工业迅猛发展,产量和消费量均呈现良好的增长态势,目前已在世界排名中位居第五。不过,塑料管道所依赖的各类专用树脂却存在着较大的供应缺口。尽管我国的 PE 和 PP 树脂产量相当可观,但适用于管材制造,尤其是城市供水、燃气输送所需的 PE 管专用料,以及建筑冷热水使用的 PP - R 专用料,仍然较为匮乏,每年都不得不从国外进口一定数量来满足需求。正是在这样的行业大背景下,HDPE 钢丝网骨架复合管凭借其卓越的性能,在众多塑料管材产品中脱颖而出,逐渐崭露头角。

一、应用范围

我国合成树脂工业自 20 世纪 90 年代起便蓬勃发展,在全球的排名不断攀升。然而,塑料管道专用树脂的供应短板却日益凸显。国内虽然在 PE 和 PP 树脂的生产上具备一定规模,但真正能满足管材生产严苛要求,特别是城市供水、燃气输送等关键领域所需的 PE 管专用料,以及建筑冷热水系统用的 PP - R 专用料,却极为稀缺,进口成为弥补缺口的重要途径。

二、管道发展

我国的塑料管道行业近年来发展势头强劲,产品质量也在持续提升。其中,聚乙烯 PE 管,例如湖北公元建材有限公司旗下的公元 PE 管,凭借自身一系列独特的优势,在多个领域得到了广泛的应用。在建筑领域,它涵盖了建筑给水、排水、埋地排水管、建筑采暖以及输气管等方面;在工业领域,作为电工与电讯保护套管以及工业用管发挥着重要作用;在农业领域,它成为农田灌溉用管的优质选择。尤其在城市供水、燃气供应及农田灌溉等关乎民生和基础建设的重要领域,公元 PE 管更是扮演着不可或缺的关键角色。

三、产品特点

(一)耐腐蚀性

聚乙烯具备优良的耐腐蚀性,同时拥有较好的卫生性能以及较长的使用寿命。它属于无惰性材料,除了少数强氧化剂外,能够耐受多种化学药品的侵蚀,并且不易滋生细菌。与传统的钢管、铸铁管相比,塑料管在输水能耗、生活能耗、重量、水流阻力、安装便利性、造价、寿命以及保温功能等多个方面都展现出显著的优势。国际标准以及国外一些先进标准都明确认可聚乙烯管材的使用寿命可达 50 年以上,并且这一结论也在实际应用中得到了充分的验证。
此外,聚乙烯能够得到广泛应用,还有一个重要原因是聚氯乙烯在环境保护方面面临着越来越大的压力。一方面,聚氯乙烯自身存在卫生性能方面的隐忧,尽管在正规生产且严格控制的情况下,聚氯乙烯管能够满足饮用水领域的卫生要求,但在实际生产过程中,仍存在一些令人担忧的问题,比如聚氯乙烯树脂中氯乙烯单体超标,在给水用聚氯乙烯管的配方中可能误用有毒助剂,甚至出现将不保证无毒的排水用聚氯乙烯管和管件错误应用于给水管和管件的情况。另一方面,聚氯乙烯管的回收利用也存在难题。聚氯乙烯和聚乙烯一样属于热塑性塑料,从理论上来说都具备回收利用的可能性,但各国的实践表明,旧塑料制品实际能够回收再生的比例非常有限,主要的处理方式是焚烧以回收能源。然而,聚氯乙烯由于含有氯元素,在焚烧过程中如果控制不当,就极有可能产生有害物质,而聚乙烯仅含碳氢元素,焚烧后只会生成水和二氧化碳,对环境更加友好。

(二)柔韧性和耐刮痕

聚乙烯具有独特的柔韧性以及优良的耐刮痕能力。其管道系统所具备的挠性具有巨大的技术经济价值。良好的挠性使得聚乙烯管可以盘卷起来,以较长的长度进行供应,从而避免了大量接头和管件的使用。以全国城市改水示范单位 —— 南通自来水公司为例,在一户一表改造项目中,他们充分利用了 PE 小口径管材可盘卷的特性,从水表到用户采用一根管材直接连接到底,中间无需管接头,这种做法既节约了成本,又显著提高了工作效率。这一特性也因此得到了全国各城市开展水表出户工程的自来水公司的广泛认可,成为他们改水作业的首选产品。
同时,聚乙烯管的挠性、重量轻以及优良的耐刮痕能力,使其能够采用多种对环境和社会生活影响较小且费用经济的安装方法,其中免开挖施工技术就是典型代表。免开挖施工技术是指利用各种岩土钻掘技术手段,在地表不开挖沟槽的条件下,实现铺设、更换或修复各种地下管线的施工技术。多种免开挖施工技术,如铺设新管线的水平定向钻进和导向钻进法、原位更换旧管线的胀管法以及修复旧管线的穿插更新内衬法及各种改进的内衬法(折叠变形法、热拔法和冷轧法),都非常适合采用聚乙烯管材。
从实际应用角度来看,塑料埋地管属于 “柔性管”,在正确设计和铺设施工的前提下,它能够和周围土壤共同承受负载。聚乙烯的压力松弛特性能够有效地通过形变来消耗应力,其实际轴向应力水平远比理论计算值要低。而且,聚乙烯管的断裂伸长率一般都大于 500%,弯曲半径可以小到管直径的 20 - 25 倍,是一种高韧性材料,对地基不均匀沉降的适应能力非常强。1995 年日本神户大地震中,PE 给水管及燃气管成为唯一幸免的管道系统,这一事实充分彰显了其在应对极端情况时的卓越性能。

(三)耐低温

聚乙烯具有极为突出的耐低温性能,PE 管的低温脆化点为 - 70℃,明显优于其他管道。在冬季野外施工时,聚氯乙烯(PVC - U)管很容易发生脆裂现象。我国北京地区在铺设聚氯乙烯(PVC - U)埋地给水管试点工程中总结出一条经验,即当温度在零度以下时,就不适宜进行聚氯乙烯(PVC - U)管的铺设施工了。另外,一个明显的对比佐证是,为了改进 PP 的韧性和低温耐冲击性能,通常会将乙烯与丙烯单体共聚制成无规共聚聚丙烯(PP - R)。其一般采用 iPP 的工艺路线和方法,使丙烯和乙烯的混合气体进行共聚合,得到主链中无规则分布着丙烯和乙烯段的共聚物(即 PP - R 管材料),PP - R 管材料中的乙烯含量大多在 3% 左右。然而,即便经过这样的改进,PP - R 的耐低温性能仍然不尽如人意,其脆化点约为 - 15℃,远远高于聚乙烯管的脆化点温度 - 70℃。

(四)裂纹增长断裂韧性

聚乙烯具有良好的快速裂纹增长断裂韧性。当发生快速裂纹增长破坏时,裂纹能够以 100 - 45m/s 的速度快速扩展,距离可达几百米甚至十几公里,这会造成长距离管路的损坏,进而引发大规模的泄漏事故,以及后续可能的燃烧爆炸(在输天然气的情况下)或洪水(在输水的情况下)事故。虽然这类事故发生的概率不大,但一旦发生,所造成的危害将极其严重。
对于塑料压力管的持续发展而言,防止发生快速裂纹增长破坏的要求,其重要性已经超过了对长期寿命强度性能的要求。原因在于:在同一 SDR(管材直径与其厚度之比)的情况下,计算得出的长期寿命 — 长期强度与增大管径并无关联(实际上大口径管可能比小口径管更为安全),但快速裂纹增长的危险却会随着管径的增大而增加。在现有的大品种塑料管材中,如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯管等,当管径达到一定程度时,由防止快速裂纹增长破坏所决定的许用压力,总是低于由长期强度问题所决定的许用压力。这意味着,按照防止快速裂纹增长破坏的要求确定许用压力后,长期寿命(如 20℃,50 年)的要求便能够自行得到满足;而那些快速裂纹增长断裂韧性差的材料将逐渐被市场淘汰,无论其长期强度性能是好是坏。例如,聚氯乙烯(PVC - U)燃气管已经基本上全部被聚乙烯(PE)燃气管所取代,在欧洲,聚氯乙烯(PVC - U)给水管被聚乙烯(PE)管取代的趋势也已经十分明显。值得注意的是,我国目前尚未建立监控快速裂纹增长破坏的试验装置,并且我国的塑料压力管标准都未涉及这一问题,这也从侧面反映出我国的塑料压力管水平相较于世界一般水平,至少落后了一个发展阶段。

(五)聚乙烯管道安装

聚乙烯管道的安装连接方式方便且可靠。它可以通过比较便捷的热熔对接、承插方法,获得可靠的、内表面与原管材接近的牢固连接(连接处会形成不大的熔接凸起环),也可以采用专门的电熔管件来连接聚乙烯管。对于小口径管材,还可以采用湖北公元建材有限公司引进专利技术生产的卡压式连接方式,这种连接方式不仅方便可靠,而且已经在我国许多水司的一户一表工程中得到了广泛应用。聚乙烯管的熔接接头具备承受轴向负荷而不发生泄漏和脱开的能力。

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