淺談對我國塑料管材研究與發展

黃紹恒

摘要：塑料管因安全、環保而廣泛應用于建筑給排水、城鎮給排水以及燃氣管等領域。2013—2017年，全球塑料管材的需求量將以年均8.5%的速率增加，而亞洲需求量的年均增長率為9.7%[1]。塑料管能夠穩定增長的基礎是技術發展快，不斷有新材料，新技術，和新應用出現。本文綜述了建筑給排水、城鄉給水管、燃氣用水管、工業用管等領域中常用管材的種類、應用及新型管材的研究進展，并對其特性及優缺點進行了詳細的闡述。對比分析了塑料管材與傳統管材的性能，并論述了目前塑料管材在應用上存在的問題。

一、建筑給排水領域

1、各種塑料管材的特點及其研究進展

1.1、UPVC與PVC管材UPVC管材的化學穩定性好、耐化學藥品腐蝕性強。UPVC管內壁光滑、安全衛生、水流阻力??；但UPVC管在低溫條件下較脆，在溫度較高時易變軟，因此不適合做熱水管，也不適用于寒冷地區。與其他管材相比，UPVC管材具有較高的模量、強度和硬度，即使在不增強的情況下也能滿足普通有壓液體的輸送要求；UPVC管的耐化學藥品腐蝕性強、耐老化、使用壽命長、安裝維修方便、外形美觀、成本較低。UPVC管材的彎曲應力和彎曲模量較高，承受外部荷載的性能較好，因此在相同的使用條件下用料最少。

1.2、PPR管材PPR的化學穩定性好，耐化學藥品腐蝕性強， 力學性能優異。PPR管內壁光滑，阻力小，不易積垢，質輕，運輸、維修方便。PPR管分為熱水管和冷水管，加熱到一定溫度時，同材質的管與管件在幾秒鐘內就可以完全融為一體，解決了管道連接處漏水的問題。PPR管的最高使用溫度為95℃，長期使用溫度為70℃，其導熱系數為0.21W/（m？℃），約為鋼管的1/200，保溫性能良好；但PPR管的膨脹系數是鋼管的12倍，長期使用會因熱脹冷縮而使管體變形。2015年6月，中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司生產的管材專用PPR T4401在國家化學建筑材料測試中心通過了PPR 100級認證。PPR T4401的熔體流動速率為0.5 g/10min，具有優異的加工流動性和剛韌平衡性，并且具備典型的無規共聚物序列結構[6]。

二、城鄉給水領域：

近十幾年國際上不斷在探索提高聚氯乙烯管道系統的性能和拓寬聚氯乙烯管道系統的應用，取得了顯著的成果。主要的方向是：

1.1、通過改性提高韌性，開發抗沖擊抗開裂性能好同時保持高強度的改性聚氯乙烯管道系統，通常稱為PVC-M（或PVC-A，PVC-HI）。PVC-M在不少國家已經大量生產，廣泛地應用于城鄉和建筑給水，礦山用管道等，英國，澳大利亞，南非都制定了國家標準[Z1]。PVC-M完全克服了PVC-U的脆性，韌性得到非常顯著的改善，同時保持和PVC-U接近的強度。因此可以采用較高的設計應力具有節省材料（30%）和增加通徑的優點，符合節約資源的大方向。日本近年十分重視管道抗地震性能的試驗研究。和歐洲不同，日本開發的改性聚氯乙烯管道系統主要目標在提高抗地震性能。

1.2、通過管材加工過程中的雙向拉伸，使分子取向，形成具有高強度、高韌性、抗沖擊、抗疲勞，性能遠優于普通PVC-U的新型PVC管材。通常稱為PVC-O（或BO-PVC）。PVC-O已經在英國、法國、荷蘭、葡萄牙、美國、澳大利亞、南非和日本等國家應用多年。美國、澳大利亞等國已經發布了PVC-O的產品標準，國際標準組織也已在去年發布PVC-O標準（ISO 16422：2006）。

1.3、擴大應用領域，如：通過改性提高韌度使PVC管材可以彎曲，可以折疊，甚至可以對接熔焊。在北美聚氯乙烯管道已經進入非開挖鋪設和修復市場。在南非等應用于礦山深井等惡劣環境中水和壓縮空氣的輸送管道。

三、燃氣用管領域

全球能源結構的大趨勢是越來越多越來越多地采用天然氣，聚乙烯燃氣管道的市場自然不斷在擴大。眾所周知，已經在我國經濟發展中發揮重大作用的‘西氣東送大工程帶動了我國聚乙烯燃氣管的大發展?，F在‘川氣東送大工程又開始了，將推動沿線廣大地區對天然氣的應用，為聚乙烯燃氣管道開辟新的市場空間。

國際上聚乙烯燃氣管道技術發展的一個動向是采用要求更高的標準，有重要變化的聚乙烯燃氣管道新國際標準ISO 4437-2007已經批準即將發布。我國的標準肯定也要跟上去。

另外一個動向是探索把塑料管應用到天然氣的高壓輸送管道。

高壓天然氣塑料輸送管的探索

國內外塑料管應用于天然氣的輸送管道長期來局限于低壓的輸配管網，壓力不超過1MPa（我國過去的標準是0.4MPa）。近年國外在積極探索把RTP應用于天然氣的高壓輸送管道。據報道2000年德國就鋪設了試驗線（DN75 PN100長900米）。RTP的優勢在抗腐蝕性強和鋪設便捷（可以長盤管供應，采用非開挖鋪設。）2004年德國給水和燃氣協會DVGW已經發布了標準：‘VP642用于運行壓力16bar以上天然氣的纖維增強PE管（RTP）和附帶的連接件。

四、工業用管領域

1、石油天然氣開采用高壓增強熱塑性塑料管

石油天然氣開采對于國家的重要性是眾所周知的。石油天然氣開采業需要的大量管道傳統上采用鋼管，但近年越來越多采用非金屬管道。由于石油天然氣資源很多在沙漠，沼澤，海灘和海洋（從淺海到深海）中，耐腐蝕抗高壓又柔韌可曲撓，可以制成很長連續盤管的增強熱塑性塑料管（RTP）具有獨特的優勢。在陸地和淺海使用的RTP通常是三層結構。在深海使用的RTP通常由很多層構成（除承受內壓外還要承受外壓等其他負載），石油天然氣開采業統稱其為‘撓性管。對于‘撓性管的設計，制造，鋪設和應用國際上進行了大量研究試驗，積累了豐富的經驗，目前國際上采用的標準是ISO標準（ISO 13628-）和美國石油組織API的規范和規程（API 17J，API17B…）。

我國幾大油田也已經采用增強熱固性塑料管（玻璃鋼管）和增強熱塑性塑料管（RTP）。

2、礦山管道的開發

國外在礦山根據不同需求采用不同材料和結構的塑料管道。例如在礦業發達的南非，在煤礦和金礦成功低大量使用高抗沖擊的聚氯乙烯管道系統（PVC-M和PVC-O），積累了豐富的經驗。我國是礦業大國，煤產量近世界的1/3，。目前塑料管已經應用到煤礦的輸水和排氣（抽瓦斯），但由于缺乏經驗存在很多問題。例如目前國內基本上都采用聚乙烯（抗靜電和阻燃的）的實壁管（煤炭行業標準MT 558.1—1996煤礦用聚乙烯管材）。已經有企業在開發煤礦專用的高抗沖聚氯乙烯管。

3、工業中的特殊管道

在化學工業，電子工業，電力工業等各個領域都需要有特殊性能的塑料管道，如化工產品生產中輸送各種強腐蝕的流體管道，電子產品生產中輸送高度純凈水的管道，發電站輸送強磨損介質的管道。國外有一些塑料管道企業以特殊要求的工業管道為主業，可以根據用戶需求從設計到鋪設施工配套服務。例如，對于輸送特別危險的流體，可以設置雙層管道系統，萬一發生泄漏只是流到內外管之間，并自動報警，可以確保安全。

五、結語

隨著材料科技與工藝的進步，塑料管材的研究與應用得到了高速的發展，綠色無害化管材成為未來管材發展的趨勢。但在應用過程中必須結合實際情況選用合適的管材。

參考文獻：

[1]許慶開.塑料管材在給排水領域的發展及應用[J].山西建筑，2009，35（10）：168.

[2]劉繼純，張肖楠，王偉曉，等.阻燃抗靜電耐沖擊UPVC管材料的研制[J].合成樹脂及塑料，2010，25（1）：10-12.