超韧PE100管道专用料及其在多层管道中的应用

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近年来欧洲的许多管道生产商己经把他们的产品扩展到多层塑料管道。其主要目的是使管道能够适应越来越多的非开挖施工方法，以及简化施工中的焊接，特别是早期发展的电熔融焊接。与此同时，原料供应商也己经开发了具有超强抗慢速裂纹和抗快速裂纹增长的新材料。为了正确地使用这些最新开发的材料(典型如超韧PE100)并获得最佳化产品性能，详细的工程知识是非常必要的。例如当选用多层管道时使用哪种结构，如何使不同层的组合能达到最好的效果。不正确的材料选择能限制管道的性能。

本文介绍了最新管道原材料在多层管道中的应用。

1 聚乙烯管道材料的发展

聚乙烯管道己有50年的应用历史，现己广泛用于燃气和供水输配系统，极大地改进了管网的可靠性和质量。其主要优势如容易敷设，低维护成本，耐腐蚀性等己经得到人们普遍的认可。另一方而，这也离不开聚乙烯管道原料的更新换代和不断创新，使得聚乙烯管道的质量和耐久性不断得到改进。

图1展示了从早期单峰聚合的PE63、PE80到双峰材料—特别是20世纪90年代以来PE100的发展。这些技术更新大大拓宽了高密度聚乙烯压力管道的应用，提高了管网的操作压力，或者在同样的压力条件下减少了管壁厚度。同时改善了管道的耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展能力。

聚乙烯管道原料的发展与整个产业链的需求和发展密切相关。作为原料供应商不仅要考虑不断改进材料的物理力学性能，延长管道使用寿命，还要考虑其加工性，使材料具有较宽的加工窗口，生产过程容易控制，节能并减少损耗。这也是驱动双峰聚乙烯材料开发的动力。进入21世纪大口径管道的需求又导致了低熔垂PE100材料的问世从而解决了厚壁管生产的不均匀壁厚问题。

    现代施工技术的发展，也对聚乙烯管道提出了更高的要求。最近开发的PE100-RC或者称PE100- VCR(图1中VCR的含义为超强的抗慢速裂纹增长，代表产品为Borsafe HE3490-LS-H)材料正是这样一个例子。将新一代超韧PE100聚乙烯管道材料与多层管道技术结合，可以为整个管网系统提供安全的施工，并使连接成本最小。最重要的是，保证了管网长期安全运营。

2 现代施工条件对新一代管道材料的要求

  图2说明了不同施工条件和方法与聚乙烯管道材料的关系。可以看到，随着管道施工从传统的明渠施工到非开挖技术的应用，对管道材料的要求不断提高。大多数现代管道敷设的发展方向趋于省时、成本低并将对周围环境的影响减少到最小。特别是城市的管道施工。但另一方面，这些施工方法也能使管道产生较高的应力集中。这些应力来自于外表面的深度划伤，或者内表面受到的较高点负荷。

一般来说，新的施工技术可以分为两类：非开挖技术和无沙基床敷设。

  2.1 非开挖施工

典型的方法包括爆管、定向穿越、内衬修复等。使用这种方法施工的管道，需要抵抗来自尖锐物体的刻痕和划伤(见图3)。

一般来说，新的施工技术可以分为两类：非开挖技术和无沙基床敷设。

  2.2 无沙基床施工

无沙基床指的是管道敷设后，不使用专门的同填土，而是采用开挖沟渠的土作为同填土。这一技术能节省运送专用同填土和转移挖出土的运输费用(见图4)。一般来说，聚乙烯管道的成本只占整个项目的5%-10%，而主要的成本来自于施工和安装。因此采用无沙基床施工，总的施工成本可节省50%，不过这也取决于土壤的类型。

为了确认聚乙烯管道对于无沙基床施工的适应性，德国管道工业己经进行了大量的测试调查。结论是聚乙烯材料和管道的性能对于确保管道预期寿命是非常重要的。而这一性能主要是通过耐慢速裂纹增长(SCG)作为主要的判据。对于无沙基床，增强的SCG能力应该表现为能够承受点负荷下的应力集中，如碎石的冲击。目前得到认可的、表征这种能力的检测方法是由HESSEL发展的点负荷法(PLT)。

3 超韧PE 100管道专用料(BorSafe HE3490- LS- H)

HE3490- LS- H是北欧化工双峰技术生产的高韧性PE100管道专用料。它具有PE100管道专用料的基本性能，如50年(甚至100年)外推最小所需的静水压强度为10MPa，满足ISO 4437-2007(埋地聚乙烯燃气管道标准)和ISO 4427-2007(聚乙烯供水管道和管件标准)的要求;其次它保留了BorSafe HE3490-LS的基本性能，如优异的抵抗快速裂纹增长能力，具有生产大口径管道所必需的低流垂性能;最主要的特点是，它表现了非常优异的抗慢速裂纹扩展能力。例如，用缺口管实验方法评价管道的抗慢速裂纹增长，HE3490-LS- H的数据己经达到了2万小时，是标准要求的100倍以上。HE3490-LS-H材料的基本性能见表1，与普通PE100低流垂材料的性能对比(见图5)。这些性能比较包括管道材料分级试验得到的MR S，缺口管的静水压结果(NPT)，材料的抗慢速裂纹增长评价(FNCT)，抵抗点负荷能力评价(PLT)，临界耐快速裂纹增长温度(RCP)和低熔垂性。

影响管道长期使用性能的另一个重要因索是其焊接质量。由KIWA燃气技术公司发展的慢速剥离试验就是模拟管道电熔焊接点的长期性能(见图6)。检测结果表明，相比普通PE100，超韧PE100 HE3490-LS-H具有更好的焊接质量。

BorSafe HE3490-LS-H高韧性PE100管道专用料尤其适用于为管道的非开挖施工技术以及开挖施工中的无沙土敷设或岩石条件。这种高韧性材料不仅能克服管道表面不可避免的滑痕和沟槽可能导致的慢速裂纹增长破坏，而且能克服岩石等造成的局部应力集中。使用BorSafe HE3490-LS-H高韧性PE100管道专用料，可以极大地方便施工，减少管道的废品率，大大降低施工成本，更重要的是保证了管道的长期使用寿命。

BorSafe HE3490-LS-H既可以生产为实壁管，也可以作为多层管道的外层。并且可以与标准的PE100管道进行焊接(见图7)。

4 超韧PE 100管道材料在多层管道中的应用

什么是多层管道?根据IS0 4427/IS0 4437，由两层以上的热塑性材料组成的、具有共挤出层或者无粘结、相邻可剥皮层管道。单独层可以承受应力或者作为附加层。

在欧洲聚乙烯管道工业己经开发了多层管道来满足上述新施工方法的需求，特别是新的、超韧PE100材料(PE100-RC)的引入。这种特殊设计的管道己有相当大的市场份额，如欧洲新发展的燃气和供水管网的80%- 90%，都是根据多层管道而设计。

对于管道生产商，多层管道提供了与市场不同的产品，特别是与高抗应力开裂材料结合，增加了产品的附加值;对于终端客户多层管道使得他们能实现最大的施工成本节省，同时保证了维护管道的整体性和耐久性。

从标准方面来说，虽然己有了初步规范，但需要更多的工作。相应的多层管国际标准和指南仍在制定中。

4.1 多层管道结构的组合

图8示意了两种常见的多层管道组合。第一种(图左侧)是带有完整功能层的聚乙烯管道：共挤出黑色或者着色的聚乙烯管道，管道内外层有同样的MRS(典型的2-3层，包括超韧PE100或者PEX)。第二种(图右侧)是具有可剥离保护层的聚乙烯管道：聚乙烯管道外层是无粘结、相邻热塑性塑料附加层(如PP)。

这两种组合均己总结在最新版的ISO 4427和ISO 4437标准中。在第一类组合中，内层若是超韧PE100，能够有效地抵抗点负荷;而同样的材料作为外层，则能抵抗施工过程造成的划伤和刻痕。在第二类组合中，最常见的是使用PP薄层，这不仅提供对外层的保护，还容易剥去，为电熔融焊接提供清洁的表面。若使用较厚的PP保护层，能为管道穿越和插入施工提供更高的保护。

此外一些多层管道结构还有些专门的特点:如可探测性，整体性，抗渗透层，能够监控管道渗漏，通过玻纤增强而抗高压，通过颜色层作为标识以及具有化学惰性等。

4.2 正确选择材料

多层管道的设计需要满足技术以及终端客户的要求。正确选择材料以及正确使用，需要比以往更多的专门知识。图9展示了多层管道系统组合以及与成本之间的关系。

多层管道设计需要考虑一系列特殊因素，这些影响到管道系统的可持久性。首先，是完全满足一般供水和燃气输送、或者排水管道的要求，如ISO 4427、ISO 4437等。

对于高抗应力开裂层材料，一些新的检测方法己经被发展。目的是测量管道在缺口或者点负荷条件下的抗慢速裂纹增长能力。如前所述，超韧PE100材料表现了优异的抗慢速裂纹增长，其缺口管道的压力测试时间己超过了2万小时，高于现行欧洲标准100倍。其他满足不同应用的性能包括：抗冲击性能、耐划痕性、可焊接性、分层强度、可剥离性。

4.3 多层管道的抗冲击强度

一般来说，PE100多层管道的冲击强度将不受到结构变化的影响。然而，在一些情况下，PP保护层的存在可能影响多层管道的性能。因此，重要的是选择抗冲击性能好的PP材料。此外应该最佳化共挤出过程，以便达到层间适当的粘结。因为粘合不能太低，这样会出现分层和不稳定的表面，粘结也不能太高，这会相当大地减少抗冲击性能。另一种检测方法是欧洲标准1411的落冲试验，可以确定对两个结合层之间的影响。

与其相反，PEX(交联聚乙烯)是个例外，其良好的冲击性能使得多层管道具有高于PE100的性能。一些单层管道与各种多层管道的测试结果对比(见图10)。

4.4 耐划痕性

以前的规则是，管材表面缺口深度为壁厚10%的管道可以被接受，而较深表面缺陷的管材要切掉。现在的解决方案是使用不同的外层材料，如高抗应力开裂的材料可承受较深的表面沟槽，或者耐划痕的PP作为附加外层。主要目的是保护PE核心内层不受施工时带来的损伤(如爆管中的金属碎片)，外层较高的压痕硬度就像一个硬壳帮助分散管材上的应力集中。几种类型的PP测试己经说明，相比较高密度聚乙烯，PP- R，甚至是矿物填充的改性嵌段聚丙烯，高模量聚丙烯(PP- HM)具有最高的耐机械划痕性能(见图11)。

  4.5 多层管道焊接

一些多层管道的焊接试验己经得到肯定的结果，但是具体情况还要具体分析。

外层为PP保护层时：对于电熔融焊接，在操作前，除去PP保护层，在一些情况下，对接焊接可能在没有除去外层的情况下进行，但需要管道供应商评估。

外层为共挤出功能层(PE or PEX - PE100结合)时：PE可以按照己有的规范焊接，没有额外要求。但PEX焊接需要批准程序。

5 市场上的多层管道产品

目前市场上有许多不同的多层管道产品，其中最常见的多层管道列于表2。

6 面临的挑战

任何新生事物都有一个不断完善的问题，多层管道的发展也不例外。我们面临的挑战包括：

6.1 标准问题

目前只有几个标准和规范。进一步完善标准和规范的可再现性、使终端客户认可产品，避免混淆是非常重要的。

6.2 管道标识和可追溯性

由于多层管道品种多，为了管网系统的安全运营，完整的标识是很重要的。聚乙烯单层实壁管己经有良好的管理，多年施工后还能追溯和确定所用的材料。这方面要优于多层管道，多层管道还需要确定，如何用容易理解的方式追溯所有的材料。

6.3 维护和维修

除了可追溯性，管道标识对于施工、维护和维修也是基础工作。应该确保在任何情况下，对己敷设的管道进行维修时，使用正确的材料。

6.4 回收和再加工

对于多层管道，回收会更加困难。在某种程度上，哪种回收的材料能再利用?这都是需要深入研究的问题。

7 结论

多层管道能满足专门的市场需求，而保持管道系统的长期使用性能。这为终端使用者提供了许多优势，同时也为管道生产商提供了更多的选择，使其产品不同于竞争者。

   (1)许多聚烯烃多层管道解决方案可以使用不同的应用场合。

   (2)超韧PE100-RC的材料问世，进一步加速了多层管道市场的增长。

   (3)在设计多层管道产品前，一定要确定客户和市场的具体要求，才能给与产品额外的附加值。

   (4)材料之间结合应该根据己有数据仔细选择，多层管道的产品也应该进行评价。

   (5)产品标准的制定将加速客户的信心，加速市场对产品的认可。

   (6)多层管道结构的发展要使产品差异化，满足额外要求(如无渗透管道防止污染土壤，专门的抗化学性等)。

本文整理自网络材料。