开发大直径增强塑料压力管的探索 张玉川 吴念 摘 要： 目前市场上大、中直径，中、低压力管的应用空间很大,但目前热塑性塑料管的份额很小。原因主要是性能有差距，材料使用过于浪费并且连接不方便。国内外都在探索开发大直径增强塑料压力管，新出现的增强材料-连续纤维热塑性塑料增强带 CFRT，给塑料管业带来了新机遇。国内探索开发的大直径连续玻纤带增强聚乙-烯管 CGF-PE 已经有试验产品。本文讨论 CGF-PE 管的竞争优势、缺点和进一步改进的可能性，并对国内开发 CGF-PE 管的市场定位、结构设计、力学分析、性能要求、工艺设备、质量控制等方面提出建议。大、中直径中、低压力管一般指直径为 800-2000mm，工作压力范围在 0.4-1.6MPa，主要用于输水管道，包括水利工程中的长途输水管道，市政工程中的引水、给水管道，有压排水管道，工业、矿山、海水淡化和石油天然气开采中的各种输水、输浆管道等。大多埋地铺设，小部分地面铺设。这个市场有很大的空间，是热塑性塑料管道业努力争取的大市场，但目前热塑性塑料管在这个市场份额还很小。 中国塑料管行业高速发展二十多年，塑料管道在很多领域内已经被广泛应用，并早已有生产直径 1600mm HDPE 实壁管的能力和工程的实际案例，然而在大、中直径中、低压力管市场上至今应用有限，该市场目前仍然是传统材料管道的天下，主要是球墨铸铁管、焊接钢管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)和玻璃纤维增强塑料夹砂管(RPMP)四类。我国塑料管业目前通用产品严重供过于求，迫切需要通过技术创新开拓新市场。建议塑料管业深入分析研究塑料管至今难以进入大、中直径中、低压力管市场的原因，积极探索突破的方案，争取为塑料管业打开更广阔的发展空间。
1 目前的塑料管难以进入大中直径中低压力管市场的原因 1.1 塑料实壁管不能完全满足管道性能要求 1.1.1 聚氯乙烯（PVC）管道 聚氯乙烯树脂流动性较差，制造很大直径的实壁管较难，全球大量使用的硬聚氯乙烯 PVC-U 压力管直径大多在 1200mm，目前国外生产的 PVC-O 管道最大直径为 800mm。 1.1.2 高密度聚乙烯（HDPE）管道 聚乙烯树脂流动性好，可以制造很大直径实壁管，国外生产的 HDPE 管道最大直径达到 2500mm，国内生产的 HDPE 管道最大直径为 1600mm。但由于 HDPE 管材需要较大的壁厚来承受内压，因此目前更大直径的 HDPE 管大多应用于承受压力低的领域。表 1 是采用混配料 PE100 制造的 HDPE 实壁管在不同直径不同压力下要求的壁厚 dn。 
由表 1可见直径800-2000mm 、压力0.4-1.6MPa的PE100实壁管要求壁厚很厚，以往壁厚大于50mm的HDPE 管加工较困难，在设备、机头、原料、工艺等方面要求较高。而近年来应用开发的“低熔垂”的混配专用料，使得挤出生产壁厚在 50mm 以上的 HDPE 厚壁管容易些，目前管材壁厚可达到100mm 左右。虽然国外报道挤出生产 HDPE 管的最大直径可达到2500mm，最大壁厚有超过100mm的，但是实际上应用的都是压力低的管道。例如中东已有工厂应用1600mm 海水管道，壁厚是 61.5mm(SDR26)；葡萄牙一渔场生产的 2000mm 海水管道，壁厚是 76.9mm (SDR26)。但管材耐压都在 0.6MPa以下。
1.2 大直径 HDPE 管道连接不方便 HDPE 管道绝大部分采用熔接，对接熔焊或用电熔管件。熔接有许多优点，但是用到大直径 HDPE管上则不方便，可靠性也有所降低。电熔管件连接方式需要管件和管材之间的间隙适当并均匀， 而且为保证熔接质量还要求管材表面刮去氧化层，这在大直径管材、管件上较难做到。 对接熔焊方式需要笨重的焊接设备（参见图 1）和严格的焊接工艺。完成大直径管的一个焊接点往往需要较长时间。还有一个问题是焊接的质量难以无损检测， 虽然近年探索开发了利用利用超声波、微波的无损检测技术，但至今仍没有被普遍采用。 图 1目前球墨铸铁管、焊接钢管、PCCP 管、玻璃纤维增强塑料夹砂管(RPMP)等材料的大、中直径，中、低压力管道多采用胶圈密封承插连接，尤其是直径较大时（见图 2）。
球墨铸铁管多采用胶圈密封的承插连接(滑入式柔性接口，T 型)，以及法兰连接、机械压紧承插连接等连接方法，应用最多的是承插连接。早期中低压输水钢管习惯采用焊接(高压输油气的钢管必须采用焊接)方式，通过国内外长期实践中积累的经验教训，由于在野外现场进行焊接往往不容易保证接口质量，近年越来越多采用胶圈密封的承插连接。 近年我国大量采用了 PCCP 管道，据工程界专家分析一方面原因是 PCCP 的性能/价格比有明显优势，另外一方面原因是因为采用胶圈密封的承插连接，特别是其钢制的承口插口尺寸精密(配合间隙很小)，可以保证良好的密封。RPMP 的连接方式有胶圈密封的承插连接、承插粘接、法兰连接和对接(现场包糊固化 )等。其中大、中直径，中、低压力的管道大多采用承插连接。 长期工程实践证明，如果设计合理，配合精度合理，胶圈密封的承插连接可以保证管道密封的长期可靠性，同时具有方便铺设和维护的突出优点。而聚乙烯材料的蠕变性能会使承口插口的胶圈密封件失去必要的压缩，因此不增强的聚乙烯实壁压力管一般不采用承插连接的方式。 1.3 HDPE 实壁管用材料多，价格高 较大壁厚的 HDPE 实壁管会使管道造价高。表 2 是同样 1000mm 直径和 1MPa 压力条件下粗略比较 HDPE 实壁管和四种传统管材的价格(仅供参考)，可见 HDPE 实壁管的价格明显高于传统管材。 
注：表中四种传统材料管材的每米价格是根据《特种结构》2011 年 8 月一文《玻璃钢夹砂管的性能对比及其在长距离输水工程中的应用》[1]中提供的“管材的单位综合造价比较”，该文中没有 HDPE 实壁管的价格。HDPE 实壁管 2804 元/m 根据中国塑协管道委员会发布的“塑料管道产品行业指导价格(2014 年第 2 号）”给水用 PE 管材：17200 元/吨、米重163 kg/m 计算。
总之，停留在不增强塑料实壁管的基础上想打开大、中直径压力管市场不太现实，不增强塑料实壁管应用于这个领域的机会只在低压力情况下（如排海管道）或用作传统管材的防腐衬管。 2 国内外开发大中直径中低压塑料压力管的探索 全球塑料管业都一直在推动塑料管进入大、中直径，中、低压力管市场。以下简要介绍国内外在这方面的探索。 2.1 探索提高树脂性能、改进工艺设备，开发大中直径压力管 全球塑料原材料产业一直在探索提高树脂性能。希望能够生产出强度更高的树脂，让塑料管能够顺利进入大、中直径压力管市场。管道用 HDPE 树脂早期发展中强度等级增长较快，从 PE40、PE63、PE80 到 PE100 仅仅用了 30-40 年。 但是近二十多年一直停留在 PE100， 盼望已久的 PE125 至今仍然不能进入规模工程应用阶段，HDPE 管的最小要求强度 MRS 仍然限制在 10MPa 的水平上。 [1] [2] [3] [4] 下一页 |