李連鵬1，孫大勇2，趙勝利3
（1.中國石油吉林石化公司 研究院.吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司北方公司.吉林 吉林 132022；3.中國石油吉林石化公司 質(zhì)量檢驗中心中部質(zhì)檢一車間.吉林 吉林 132021）
摘要：本文介紹了聚乙烯(PE)管材的優(yōu)點和應(yīng)用領(lǐng)域，從承壓給水管材、燃氣管材、耐熱聚乙烯管材、耐開裂聚乙烯管材等方面詳細介紹了相關(guān)的生產(chǎn)情況和標準，并結(jié)合國內(nèi)未來的產(chǎn)業(yè)政策，提出了我國PE管材的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：聚乙烯；管材；耐熱聚乙烯；耐開裂聚乙烯
聚乙烯(PE)是由乙烯均聚或者與α-烯烴共聚而成的高分子化合物，是通用合成樹脂中應(yīng)用最為廣泛的品種之一。由于PE具有良好的耐化學(xué)腐蝕性能、化學(xué)穩(wěn)定性能好和優(yōu)異的電絕緣性能等，因此廣泛的應(yīng)用在石油化工、市政工程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及建筑行業(yè)等領(lǐng)域。近幾年來，隨著國內(nèi)煤化工項目和煉化一體化項目得投產(chǎn)，PE產(chǎn)能得到快速釋放，2022年國內(nèi)PE總產(chǎn)能已經(jīng)超過3000萬噸。
于PE管材在耐化學(xué)腐蝕性能、耐熱和耐低溫性能、焊接性能、對輸送介質(zhì)無污染、制造安裝費用低以及使用壽命長等方面具有突出的優(yōu)越性，成為PE樹脂下游主要消費領(lǐng)域之一。2022年2月國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)改委《關(guān)于加快推進城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)指導(dǎo)意見的通知》，提出“新增和改造污水收集管網(wǎng)8萬公里”。2022年6月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《城市燃氣管道等老化更新改造實施方案(2022-2025年)》，提出了“2025年底前，基本完成城市燃氣管道等老化更新改造任務(wù)。2023年7月，發(fā)改委、環(huán)境部、住建部三部門發(fā)布了《環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平提升行動( 2023-2025年)》，提出到2025年新增和改造污水收集管網(wǎng)4.5萬公里。這些對于PE管材今后的發(fā)展創(chuàng)造了良好的戰(zhàn)略機遇。
PE管材下游主要應(yīng)用在建筑和市政建設(shè)的給排水及采暖、農(nóng)業(yè)給排水以及灌溉用管、排污和工業(yè)流體介質(zhì)輸送、燃氣管材、電力通信護套管等，其中給水管、燃氣管和地暖管是目前應(yīng)用較大的領(lǐng)域[1-2]。
1承壓給水管材
常PE管材的分級方法按照GB/T 18252-2020《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強度》和GB/T 18475-2001《熱塑性塑料壓力管材和管件用材料分級和命名總體使用(設(shè)計)系數(shù)》，根據(jù)最小要求強度(MRS)將PE管材分為PE63,PE80,PE100,PE112和PE125等級別。目前，國內(nèi)石化企業(yè)主要生產(chǎn)PE100級和PE80級管材(如表1所示)。
表1 國內(nèi)主要給水PE管材用樹脂生產(chǎn)情況
從表1可以看出，國內(nèi)生產(chǎn)PE100級管材料所采用的生產(chǎn)工藝以Hostalen淤漿工藝和Hostalen ACP淤漿工藝為主，PE80級管材料生產(chǎn)的企業(yè)相對較少[3-4]。揚子石化公司開發(fā)的高密度聚乙烯管材專用料YEM-4902T，獲得了國際權(quán)威檢測機構(gòu)瑞典Bodycote實驗室的PE112等級認證，是國內(nèi)第一家獲得PE112等級認證的產(chǎn)品。對于PE給水管材，國內(nèi)主要執(zhí)行GB/T 13663.1-2017《給水用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第1部分:總則》和GB/T 13663.2-2018《給水用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第2部分:管材》標準，在這兩個標準中主要針對PE80級和PE100級管材制定了相關(guān)標準，刪除了原有的PE63級管材分級和命名。
在生產(chǎn)大口徑PE管材時(通常DN≥800mm)，由于管材壁厚較大，因此冷卻固化時的速度慢，在重力作用下熔體下垂即熔垂效應(yīng)，導(dǎo)致管材下面壁厚大，上面壁厚小，生產(chǎn)的管材不能滿足使用要求。國內(nèi)的一些生產(chǎn)企業(yè)，根據(jù)大口徑PE管材結(jié)構(gòu)的特點，通過對聚合生產(chǎn)工藝條件的優(yōu)化，開發(fā)了適合生產(chǎn)大口徑PE管材的專用樹脂[5-6]，取得了非常好的效果（如表2所示）。
表2 國內(nèi)大口徑PE管材用樹脂生產(chǎn)情況
2燃氣管材
PE燃氣管材主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)中低壓埋地氣管材領(lǐng)域，由于涉及到燃氣的安全輸送和使用，因此對原料要求非常嚴格。根據(jù)國家標準GB 15558.1-2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE）管道系統(tǒng)第1部分:管材》要求，生產(chǎn)燃氣用埋地聚乙烯管材的原料應(yīng)采用混配料，該標準是強制性國家標準。
在國內(nèi)，為了促進聚乙烯燃氣管道市場的健康發(fā)展，2008年在中國城市燃氣協(xié)會指導(dǎo)下，由北京燃氣集團、香港中華煤氣有限公司(包括港華燃氣)發(fā)起，成都城市燃氣有限責任公司、廣州燃氣集團、深圳市燃氣集團參與，組成了燃氣企業(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組(以下簡稱"G5+合作小組”)。該組織借鑒了國際相關(guān)技術(shù)標準及管理經(jīng)驗，制定了一系列嚴格的相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)要求，明確了其所有的供應(yīng)商向其提供的原料必須為指定原料，而進人其指定原料目錄的全部為混配料。
在歐洲，為了保證在生產(chǎn)和使用PE100樹脂時，保持最高水平性能和安全性，1999年由Solvay、Borealis和Elenac(已并入basell)成立了PE100+協(xié)會，該協(xié)會對專用樹脂有更高的性能要求，在PE壓力管道行業(yè)具有重要影響。該聯(lián)盟認證的樹脂每隔7個月就蠕變破壞強度、耐慢速裂紋增長、耐快速裂紋擴展三個性能重復(fù)測試一次，通過認證的產(chǎn)品代表著當今PE壓力管道專用料的最高水平，全球高端燃氣生產(chǎn)商均把歐洲PE100+協(xié)會產(chǎn)品目錄作為原料供應(yīng)商的準入門檻。在我國雖然上海石化公司、齊魯石化公司、揚子石化公司和獨山子石化公司均進行過聚乙烯燃氣混配料的開發(fā)工作，但是長期量產(chǎn)的只有上海石化公司的YUH041T和獨山子石化公司的TUI3121N3000I3(如表3所示)，這兩種混配料分別在2015年和2017年入選PE100+協(xié)會產(chǎn)品目錄[7]。
表3國內(nèi)燃氣PE管材用樹脂生產(chǎn)情況
3耐熱聚乙烯管材
熱聚乙烯(PE-RT)是一種采用齊格勒-納塔催化劑或者茂金屬催化劑，進行乙烯與共聚單體α-烯烴共聚得到的中密度聚乙烯(MDPE)或者高密度聚乙烯(HDPE），其中共聚單體α-烯烴包括1-丁烯、1-己烯及1-辛烯，國內(nèi)主要以1-丁烯和1-己烯為主(如表4所示)。PE-RT由于分子結(jié)構(gòu)的改進，使其在高溫條件下仍具有良好的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能和耐靜液壓強度，因此該類產(chǎn)品主要用于冷熱水輸送管、地面輻射采暖系統(tǒng)以及在油田集輸油領(lǐng)域等領(lǐng)域[8-15]。
表4 國內(nèi)PE-RT管材用樹脂生產(chǎn)情況
在國內(nèi)，PE-RT管材主要標準有GB/T 28799.1-2020《冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統(tǒng)第1部分：總則》和GB/T 28799.2-2020《冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統(tǒng)第2部分：管材》。標準中將PE-RT管材分為PE-RTI型和PE-RTII型管材，其中PE-RTII型管材在110℃以下各個溫度條件下靜液壓曲線不能出現(xiàn)拐點。國內(nèi)市場上典型的PE-RTI型管材專用料齊魯石化的QHM22F、大慶石化公司的DQDN3711和獨山子石化公司的DGDZ3606等，PE-RTII型管材專用料有中沙(天津)石化公司的PN049-030-122RTII和蘭州石化公司的mPE3010等。
4耐開裂聚乙烯管材
耐開裂聚乙烯(PE100-RC)是一種具有高抗慢速裂紋增長的PE100材料，在全缺口蠕變試驗(FNCT)測試條件下，其耐慢速裂紋增長時間超過8760h。PE100-RC繼承了PE管材的技術(shù)優(yōu)點，并可用于管道更新、非開挖安裝和管道快速敷設(shè)技術(shù)，可以降低管材施工難度，大大降低施工費用。在我國生產(chǎn)PE100-RC樹脂的企業(yè)相對較少，具體情況如表5所示[16-19]。
表5 國內(nèi)PE-RT管材用樹脂生產(chǎn)情況
在國家標準GB 15558.1-2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第一部分:管材》附錄D和GB/T 13663.2-2018《給水用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第2部分:管材》附錄D中，推薦采用一些特殊敷設(shè)環(huán)境(如無沙床回填)或者非開挖施工等領(lǐng)域，可能需要采用具有高耐慢速裂紋增長性能PE100混配料。同時，中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標準CJ/T358-2019《非開挖工程用聚乙烯管》明確了非開挖工程為在地表少開挖或不開挖的情況下，進行管道鋪設(shè)或修復(fù)更新的管道工程，材料為具有優(yōu)異耐慢速裂紋增長(耐應(yīng)力開裂)性能的PE100管道混配料。
5其他管材
（1）交聯(lián)聚乙烯管材
交聯(lián)聚乙烯(PEX)是HDPE通過交聯(lián)改性的方法，形成三維立體網(wǎng)狀熱固性高分子，得到的管材制品具有耐熱性、耐腐蝕性和耐壓性等，主要應(yīng)用在熱水輸送和地板采暖等領(lǐng)域。國內(nèi)執(zhí)行的標準有GB/T 18992.1-2003《冷熱水用交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管道系統(tǒng)第1部分:總則》和GB/T18992.2-2003《冷熱水用交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管道系統(tǒng)第2部分:管材》。由于PEX管材不能用熱熔焊接的方法連接和修復(fù)、膨脹系數(shù)大易發(fā)生漏水等缺點，在地熱采暖領(lǐng)域主要采用PE-RT管材，目前國內(nèi)主要由中國石化燕山石化公司采用三井CX淤漿聚合工藝生產(chǎn)的2300XM[20]。
（2）超高分子量聚乙烯管材
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材具有耐磨性、自潤滑、耐沖擊和對輸送介質(zhì)無污染等優(yōu)異性能，因此在礦漿輸送、礦井井下充填、電廠粉煤灰輸送、河道清淤輸沙等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。行業(yè)標準QB/T 2668.1-2017《超高分子量聚乙烯管材》對UHMWPE管材進行了分類，該標準規(guī)定的管材適用于輸送漿體、粉體、顆粒狀固體、水、45℃以下某些腐蝕性化學(xué)液體以及低溫下的流體。在國內(nèi)能夠生產(chǎn)UHMWPE管材專用料的企業(yè)有很多，其中典型牌號有遼陽石化的PZUH2600/PZUH2300以及北京燕化高科公司的GKO1/GK02/GK03等[21-22]。
6發(fā)展建議
隨著國內(nèi)經(jīng)濟“雙循環(huán)”，國家大力推動水利重大工程建設(shè)、城鎮(zhèn)化建設(shè)、城市燃氣管材等管網(wǎng)更新改造、農(nóng)村集中供水和灌溉等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這些因素為我國PE管材的發(fā)展創(chuàng)造了條件。各個石化企業(yè)應(yīng)把握好機遇，建議重點做好以下幾個方面工作:
（1）加大高端催化劑研發(fā)力度，推進催化劑國產(chǎn)化進程。催化劑作為聚烯烴生產(chǎn)過程中的核心技術(shù)，其性能直接決定終端產(chǎn)品的性能。目前，生產(chǎn)PE-RT管材使用的茂金屬催化劑，對外依存度較高，限制了生產(chǎn)裝置的發(fā)展。
（2）開發(fā)高性能PE管材料，提高產(chǎn)品附加值。目前，國內(nèi)PE100級管材料以本色料為主，主要用于承壓給水管材領(lǐng)域，用于燃氣管材的混配料大部分需要國外進口。同時在一些高端聚乙烯管材，例如PE100-RC、抗熔垂厚壁管材料等方面還與國外石化企業(yè)有著很大的差距和不足，需要進一步加大企業(yè)創(chuàng)新力度，實現(xiàn)管材差別化，避免同質(zhì)競爭，提高企業(yè)的市場競爭力。
（3）完善產(chǎn)品質(zhì)量體系，強化管材專用料的認證工作。在各大PE管材生產(chǎn)企業(yè)，下游用戶對于PE管材原料的要求非常嚴格，特別是燃氣管材領(lǐng)域，在保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，需要開展國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)的等級認證，確保產(chǎn)品滿足下游客戶的需求，使國產(chǎn)原料與進口料站在同一科技水平上，同時也為產(chǎn)品的出口做好鋪墊。
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