聚乙烯PE燃气管道的应用与发展

聚乙烯(PE)燃氣管道的應用與發展论文天下论文网作者：未知時間：2007-11-2415:18:00來源：論文天下論文網一、燃氣用埋地聚乙烯管道系統發展簡史本世紀在管道領域發生了一場革命性的進步，即“以塑代鋼”。材料隨著高分子材料科學技術的飛躍進步，塑料管材開發利用的深化，生產工藝的不斷改進，塑料管道淋漓盡致地展示其卓越性能。在今天，塑料管材已不再被人們誤認為是金屬管材的“廉價代用品”。农业在這場革命中，聚乙烯管道倍受青睞，日益發出奪目的光輝，廣泛用於燃氣輸送、給水、排污、農業灌溉、礦山細顆粒固體輸送，以及油田、化工和郵電通訊等領域，特別在燃氣輸送上得到了普遍的應用。1.國外聚乙烯燃氣管發展簡史1933年英國ICI公司首先發現了聚乙烯(PE)。發展至今，聚乙烯已是由多種工藝方法生產的、具有多種結構和特性及多種用途的系列品種樹脂，已佔世界合成樹脂產量的三分之一，居第一位。第二次世界大戰時期，由於銅與鋼材的短缺，國外開始研究在燃氣輸配等領域使用塑料管。燃氣輸配用塑料管的材料按應用的起始年代分別為：醋酸-丁酸纖維素（1949年美國），硬聚氯乙烯（1950年原西國），耐衝擊聚氯乙烯（1952年美國），環氧玻璃鋼（1955年美國），聚乙烯（1956年美國），滌綸（1963年意大利）和尼龍（1969年澳大利亞）。总结隨著時間的推移和對燃氣工程運行經驗的不斷總結，人們逐漸認識到在應用塑料管時應考慮以下幾個方面的因素：经济a.經濟性b.接口穩定、嚴密性c.耐環境應力開裂d.耐腐蝕和耐化學性e.耐老化性f.韌性g.柔軟、可撓性h.耐久性i.強度與溫度的關係j.長期靜液壓強度的大小經過順序淘汰，到60年代後期，只剩下聚氯乙烯管和聚乙烯管。成本聚氯乙烯管雖然強度大，成本低廉，但與聚乙烯相比有如下缺點：a.脆性，易產生斷裂現象；b.缺乏可撓性，不能盤捲等；c.接觸溶劑的可靠性差等。因此，採用聚氯乙烯管的數量大幅減少，而使用聚乙烯管顯著上升。自1956年鋪設第一條聚乙烯燃氣管道以來，到70年代，在歐洲和北美，聚乙烯管道在燃氣領域得到迅速的推廣應用。聚乙烯管道在各國燃氣管道上的廣泛應用已成為管道領域最為引人注目的成就。這一方面是由於聚乙烯材料製作管道具有非常獨到的技術經濟優勢，另一方面是由於聚乙烯管道的原料性能，管材、管件製造工藝，連接方法，連接機具以及運行中的維修手段等在多年的實踐中，已達到完善的配套系統。時至今日，在燃氣領域，無論是對於新鋪設或舊管道的修復和更新，聚乙烯管都是主要的選擇之一。歐洲的PE燃氣管道普及率極高，如英國、丹麥等國均超過90%，法國1998年新敷設燃氣管道幾乎100%採用聚乙烯管道。早在1988年，在慕尼黑召開的國際煤聯(IGU)配氣委員會會議，委員們一致認為採用聚乙烯(PE)埋地燃氣管道質量可靠，運行安全，維護簡便，費用經濟。這種共識顯然是五十年來聚乙烯管道與其它管道反复比較、競爭後達成的。應該指出，這不僅應歸功於PE管的優良的綜合性能，而且緣於PE管道的原料性能，管材、管件製造工藝，連接方法，連接機具以及運行中的維修手段等在多年的實踐中，不斷取得革命性的進步。如對PE管道性能影響最大的因素之一的原料，隨著聚合工藝的改進，八十年代水平PE管材原料與七十年代水平相比較，即取得極大的進步。經過近半個世紀的不斷發展，時至今日，聚乙烯管道已成為最成熟的塑料管道品種之一。自六十年代初，探索聚乙烯管道用於燃氣輸送以來，圍繞聚乙烯管道系統的各個方面的研究和開發工作就一直未間斷，且異常活躍。世界上很多國家聚乙烯樹脂製造商、管材製造商、管件及管路附件製造商、管材擠出設備製造商、管道的施工和使用單位（如燃氣公司和自來水公司）、施工機具的製造商、產品認證機構、有關大學和科研機構均以極大的熱情投入到這項工作中來。研究開發的廣度、深度及速度，是其他類塑料管道所難與比擬的。聚乙烯管道系統的高度成熟突出表現在：（1）聚乙烯管材級原料不斷發展，八十年代末第三代聚乙烯管材樹脂（PE100）出現，使大口徑管的使用也具有了優勢。（2）嚴謹而科學的管道設計理念。對聚乙烯管材料長期使用性能的評價形成了系統科學的標準評價方法，從而在設計上保證了長期使用性能及使用的安全性。（3）高度成熟的製造設備和擠出工藝。（4）與管材同步發展，多品種配套的管件。（5）管道連接、施工和維護的成熟技術與設備。（6）豐富的研究成果、大量成功的工程實踐和系統完備的標準體系。從原料到工程施工，從產品要求到質量的控制方法，聚乙烯管道系統均具有完備的ISO標準。標準的高水平和系統化，標誌了聚乙烯管道發展的高度成熟。2.國內聚乙烯燃氣管發展簡史我國是從80年代初期開始聚乙烯燃氣管的研究工作,最早使用聚乙烯管輸送城鎮燃氣是1982年在上海。為使聚乙烯燃氣管研究工作受到重視並順利進行，國家科委1987年把“聚乙烯燃氣管專用料研製和加工應用技術開發”列為國家“七五”科技攻關項目，從專用原料─管材、管件加工─工程應用─標準規範制定進行系統研究，取得豐碩成果。1995年，國家技術監督局、建設部分別頒發了PE燃氣管材、管件的國家標準和工程技術的行業規程。目前，PE燃氣管正在國內迅速推廣使用。在PE燃氣管推動下，國內已基本掌握PE工程管道的生產與使用技術，引進了相當數量的國際一流生產線，形成了相當規模的生產能力。這對聚乙烯燃氣管的發展奠定了堅實有力的基礎。99年國內聚乙烯燃氣管材產量已近1萬噸，並以20%的年增長率向前發展。二、聚乙烯燃氣管原料特性及其發展聚乙烯管習慣上按照密度分為低密度及線型低密度聚乙烯（LDPE及LLDPE）管（密度為0.900-0.930g/cm3），中密度聚乙烯（MDPE）管（密度為0.930-0.940g/cm3）和高密度聚乙烯（HDPE）管（密度為0.940-0.965g/cm3）。由於材料的不斷進步，根據發展階段和性能的不同，產生了材料的等級分化，密度不能反映聚乙烯作為管材的本質性能，因此目前國際上根據聚乙烯管的長期靜液壓強度（MRS）對管材及其原料進行分類和命名。長期靜液壓強度是指連續施加在該聚乙烯樹脂制管管壁上50年時引起管材破壞時所計算的在管壁上的環向張應力，該值是管材結構設計的基礎。聚乙烯管的工程設計概念與金屬管不同，對於金屬管的設計，廣泛的使用環境溫度下的屈服強度係數。而聚乙烯管與金屬管不同，它受持續應力及溫度變化的影響，因此聚乙烯管的設計應力應根據長期強度來決定，即通過繪製恆溫下應力與破壞時間的曲線來確定。根據聚乙烯管的長期靜液壓強度（MRS），國際上將聚乙烯管材料分為PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五個等級。目前國際上使用量最大的管材樹脂的MRS值為8.0MPa(PE80級)，而MRS值為10MPa(PE100級)的管材樹脂的已開發成功，這種樹脂採用雙峰分佈、己烯共聚技術，在提高長期靜液壓強度的同時，也提高了耐慢速裂紋增長和耐快速開裂擴展性能，並具有良好的加工性，為提高管網輸送壓力、增大管道口徑、擴大管道應用範圍創造了條件。目前PE100的管材使用量，特別是在大口徑管材上的用量，正在迅速上升。表1列出了目前歐洲PE100級聚乙烯燃氣管道實際使用壓力。表1.歐洲PE100級聚乙烯燃氣管道實際使用壓力國家英國比利時法國荷蘭西班牙尺寸比(SDR)1117.617.61111使用壓力(Mpa)0.70.50.40.80.7目前,國外正在嘗試將SDR11的聚乙烯燃氣管的使用壓力提高到1.0Mpa。三、聚乙烯燃氣管材的特點聚乙烯燃氣管道具有許多卓越的特性，如耐低溫，韌性好，剛柔相濟。因而在一些特殊用途中更是大顯身手，因為在這些領域中，傳統材料管子，不是不適用，就是費用大，而且還不能保證管道的安全使用。如鋼管、鑄鐵管最大的問題是在使用期內，普遍發生的腐蝕和接頭洩漏。聚乙烯管則具有明顯的優點，圓滿地解決了傳統管道的腐蝕和接頭洩漏兩大難題。如作為室外線路管敷設在腐蝕性的土壤中，地震地區、山地和沼澤地區；作為承插管插入舊管道中修復、更新舊管道。由於與眾不同的施工特點，往往為用戶帶來巨大的經濟效益。如美國資料報導，聚乙烯管安裝費用低於鋼管道安裝費用50%，而穿插法又比聚乙烯管直接埋地法節約30-40%。聚乙烯管的主要優點體現在：1.耐腐蝕。聚乙烯為惰性材料，除少數強氧化劑外，可耐多種化學介質的侵蝕。無電化學腐蝕，不需要防腐層。2.不洩漏。聚乙烯管道主要採用熔接連接（熱熔連接或電熔連接），本質上保證接口材質、結構與管體本身的同一性，實現了接頭與管材的一體化。試驗證實，其接口的抗拉強度及爆破強度均高於管材本體，可有效地抵抗內壓力產生的環向應力及軸向的拉伸應力。机械因此與橡膠圈類接頭或其他機械接頭相比，不存在因接頭扭曲造成洩漏的危險。3.高韌性。聚乙烯管是一種高韌性的管材，其斷裂伸長率一般超過500%，對管基不均勻沉降的適應能力非常強。也是一種抗震性能優良的管道。在1995年日本的神戶地震中，聚乙烯燃氣管和供水管是唯一倖免的管道系統。正因為如此，日本震後大力推廣PE管在燃氣領域的使用。4.聚乙烯管具有優良的撓性。聚乙烯的撓性是一個重要的性質，它極大地增強了該材料對於管線工程的價值。聚乙烯的撓性使聚乙烯管可以進行盤捲，並以較長的長度供應，不需要各種連接管件。用於不開槽施工，聚乙烯管道的走向容易依照施工方法的要求進行改變；聚乙烯材料的撓性，使其可在施工前改變管材的形狀，插入舊管後恢復原來的大小和尺寸。5.聚乙烯管道具有良好的抵抗刮痕能力。採用不開槽施工技術，無論是鋪設新管或舊管道的修復或更新，刮痕是無法避免的。刮痕造成材料的應力集中，引發管道的破壞。管材抵抗刮痕的能力，與管材的慢速裂紋增長(SCG)行為關係密切，研究證明，PE80等級的聚乙烯管具有較好的抵抗SCG的能力和耐刮痕能力。PE100聚乙烯管材料則具有更加出色的抵抗刮痕能力。6.良好的快速裂紋傳遞抵抗能力。管道的快速開裂是指在管道偶然發生開裂時，裂紋以幾百m/秒的速度迅速增長，瞬間造成幾十m甚至上千m管道破壞的大事故。快速開裂是一種偶發事故，但其後果是災難性的。早在五十年代，美國輸氣鋼管曾發生幾起快速開裂事故。聚氯乙烯氣管和水管均曾發生過快速開裂事故。實際使用中尚未發現聚乙烯燃氣管的快速開裂。因而近10年來，國際上對塑料管道，特別聚乙烯燃氣管的快速裂紋傳遞進行了大量卓有成效的研究工作。結果表明，在常用的塑料管材中，聚乙烯抵抗裂紋快速傳遞的能力名列前茅。如UPVC的動態斷裂韌性KD為1.8MNm-3/2，PP-R的KD為1.6MNm-3/2，而PE80的KD則為2.9MNm-3/2，PE100的KD則高達3.8MNm-3/2。溫度越低，管徑和壁厚越大，工作壓力越高，塑料管道快速開裂的危險性越大。因此，聚乙烯管道，特別是PE100管更適宜做大口徑管。目前，國外的聚乙烯燃氣管材標準（ISO4437-1997和EN1555）已將耐快速開裂擴展（RCP）列入標準之中。7.聚乙烯管道使用壽命長，可達50年以上，這是國外根據聚乙烯管材環向抗拉強度的長期靜水壓設計基礎值(HDB)確定的，已被國際標準確認。此外，聚乙烯管道重量輕也是一重要因素。四、聚乙烯燃氣管道系統的設計（一）、聚乙烯燃氣管道強度計算做為工程管道，應有兩個重要的指標，即長期使用性能及使用的安全性。當代聚乙烯管道的生產者完全可以提供真正稱之為工程塑料的管材和管件，是緣於兩個極為有力的後盾。一個是原材料供應者的高度先進技術的支持；一個是科學而嚴謹的設計思想。在當代高分子材料科學技術進步支持下，聚乙烯管材樹脂的合成技術和性能不斷取得進展，管材長期使用性能日益提高，如1989年分子量分佈呈雙峰型的PE100級管材樹脂的出現，將聚乙烯管材料推到了一個嶄新的高度。同時，對聚乙烯管材料長期使用性能的評價形成了系統科學的標準評價方法，即對管材樹脂最低要求的靜液壓強度──MRS的測量。所謂MRS是指連續施加在該聚乙烯樹脂制管管壁上50年時引起管材破壞時所計算的在管壁上的環向張應力。該值是管材結構設計的基礎。聚乙烯管材結構設計的ISO方程：(SDR=de/e)公式（1）P公稱壓力