加快创新开发,开拓聚氯乙烯压力管道系统的新局面
互联网 08-09-04 阅读数:
关键词 : 硬聚氯乙烯( PVC-U )管材;改性聚氯乙烯( PVC-M )管材;取向聚氯乙烯管材( PVC-O );韧度;设计应力;节约材料;在线加工法。 Abstract:Significant advancement of PVC pipes have been achieved in recent years. PVC-M pipes ( modified PVC pipes ) and PVC-O pipes ( oriented PVC pipes ) have an exceptional combination of strength and toughness properties enabling much higher design stresses and material savings compared to the traditional PVC-U pipes. Key words : Unplasticized poly ( vinyl chloride ) pipes ( PVC-U pipes ) ; Modified poly ( vinyl chloride ) pipes ( PVC-M pipes ) ; Oriented PVC pipes ( PVC-O pipes ) ; toughness ; design stresses ; material savings; in-line production process. 1 我国聚氯乙烯管道系统的现状——规模很大,水平较低 1-1 我国聚氯乙烯管道系统的发展成就 聚氯乙烯是应用**广泛的热塑性塑料之一,目前全球聚氯乙烯的年用量在 3000 万吨左右,其中约三分之一应用于管材管件 [1] 。虽然面临其他塑料管道的竞争,至今聚氯乙烯管道系统仍然是用量**大的塑料管道。 我国聚氯乙烯管道系统起步于上世纪 50 年代,但是在改革开放前一直和国际上有很大差距。 80 年代以后开始引进国外先进技术,逐步建立起 PVC-U 管道系统的完整体系。在各个塑料管道系统中聚氯乙烯管道系统是**早形成规模生产和大量应用的。 目前我国聚氯乙烯管道系统的应用领域已经普及到建筑给水、建筑排水、埋地给水、埋地排水、护套管、工业和农业用管各个领域,用量已经超过 100 万吨。我国生产聚氯乙烯管道系统的企业非常多,其中已形成一批年产量在几万吨以上的**企业,估计我国聚氯乙烯管道系统的总生产能力近 200 万吨。在质量控制方面我国已经建立初步的标准和检测体系,部分**企业的产品已出口国际市场。 1-2 我国聚氯乙烯管道系统总体上仍然落后于国际先进水平 我国聚氯乙烯管道系统的发展成就是应充分肯定的,但同时存在的差距和问题也是不容忽视的。 一方面是市场上假冒伪劣产品泛滥,严重损害聚氯乙烯管道系统的信誉;另一方面是国家标准的水平和国际标准比还有差距,在开发创新上投入不足,长期来在性能提高和应用扩展上进展不大。 我国聚氯乙烯管道系统规模虽大,水平较低是基本现状。但由于信息交流不足,业内通常误认为聚氯乙烯管道系统就是 PVC-U ,现在的产品已是国际水平,似乎没有可创新开发和改进的余地,行业焦点逐步成为如何扩大规模和降低成本。 我国大量生产的硬聚氯乙烯( PVC-U )压力管道系统长期来是执行国家标准 GB/T 10002-1996 。这个国家标准是‘非等效采用"国际标准 ISO 4422 ,但和国际标准 ISO 4422:1996 是有差距的。一是对于原材料没有提出长期静液压强度性能 -- **小要求强度( MRS )不低于 25MPa 的规定,因此规定的设计应力缺乏充分的根据,对于长期使用寿命缺乏切实的保证。二是国家标准没有规定对于断裂韧度的要求,同时又降低了对于抗冲击性的要求,因此对于 PVC-U 管材的抗开裂抗冲击性能没有足够的监测,无法控制破坏的风险,不能充分保证安全使用。由于多年来国内对于 PVC-U 压力管道系统普遍只注意强度而忽视韧度(抗开裂抗冲击性能),再加上国内在铺设中经常不遵守规范的环境,事实上我国 PVC-U 管道系统发生事故是不少的(大都是脆性开裂破坏,可惜没有见到国内对于 PVC-U 压力管道系统事故有系统的调查研究)。 多年研究塑料管道长期安全性能的四川大学 董孝理 教授一再建议要尽早弥补 PVC-U 管材标准的差距 [2] ,国内聚氯乙烯管道业也从大量实践中认识到必须扭转只注意强度而忽视韧度的偏向。通过各方面的努力,修订后的国家标准 GB/T 10002-2006 已经发布实施。修订后的标准通过大幅度提高对于抗冲击性要求等强调强度和韧度要并重,显然将引导我国 PVC 管道系统向正确的方向发展。但是要把我国大量生产的 PVC-U 管道系统提高到国际先进水平还需要艰苦的努力。(本文有关的标准见附件 1 ) 我国生产的聚氯乙烯管道系统至今基本局限于传统的硬聚氯乙烯 PVC-U 。很多企业不了解国际上 PVC 管道技术创新的动向和进展,不知道通过材料和加工工艺的技术创新可以制造出比传统 PVC-U 性能更好,兼有高强度和高韧度的管道系统。在不少用户的印象中 PVC 管就是一击就碎的脆性管道。虽然近年有个别**的生产企业和研究院校在探索新技术,包括开发改性聚氯乙烯 PVC-M 管和双轴取向聚氯乙烯 PVC-O 管,但是至今还没有大量进入市场。目前见到完成新产品系统开发进入试用阶段的只有河北宝硕管材有限公司的‘ 高抗冲击 PVC 管材( PVC-M )" 管材和 日本积水化学在我国青岛生产的亚克力共聚聚氯乙烯 AGR 管材管件(国内已经有行业标准)。 另外,在我国推广应用 PVC 管道系统 不可能回避的问题 -- 抗地震性能。我国 PVC 管道业还没有在调查研究的基础上拿出令人信服的答复。必须注意我国水工业界对于在给水用管网中应用 PVC-U 压力管道系统一直存有顾虑,主要原因是其抗地震性能。中国水协的会议报告和文件中上曾引用地震对城市供水管网的损害情况的一些调查数据(如日本 阪神大地震中硬聚氯乙烯管道破坏率为 1.013 处 / 公里,球墨铸铁管为 0.135 处 / 公里) [3] 。因此, 这是个不能不重视的问题。我国属地震多发区, 根据 GB50011-2001 《建筑抗震设计规范》介绍, 2000 年底,在全国 663 个城市中,有 582 个要求抗震设防(规定 6 度以上),占全国城市总数的 87.8% 。所以我国的聚氯乙烯管道业必须积极研究抗地震性能问题,主动拿出解决的方案和数据。近年国外对于塑料管道的抗地震性能开展了不少研究,开发了新的产品和新的检测方法,这个方面我们也落后于国际先进水平。 (在 PVC-U 非压力管道系领域我国同样还和国际水平有差距。但是本文将只集中探讨压力管方面的问题。) 2 我国发展聚氯乙烯管道系统的历史机遇 近年国际形势的变化和发展为我国发展聚氯乙烯管道系统提供了一个空前历史机遇。在很多应用领域和聚氯乙烯管道系统竞争市场的聚烯烃管道系统受到了石油价格爆涨的严重影响,而以煤为原材料的聚氯乙烯因维持在较低价格增强了竞争力。面对市场新机遇,如果我们能够加快创新开发,紧跟国际上聚氯乙烯管道系统技术进步的步伐,就可以开拓一个全新的局面。 2-1 国际石油价格长期维持高位的深刻影响 近年国际石油价格爆涨,预计在相当长时期内( 3-5 年)将维持在高位。对于塑料市场的竞争形势必然会产生深刻的影响。 2-1-1 预计国际石油价格将在相当长时期内维持在高位 根据国际经济和政治的发展形势,预计在相当长时期内国际石油价格将维持在高位。理由是: ·全球经济发展,对于能源的需要继续增长; ·虽然各国都在努力开发替代石油的能源(包括可再生能源),但近年内很多领域仍然需要用大量石油; ·世界政治的矛盾和冲突不断威胁石油的供应; ·已经成为石油消耗大国的中国本土缺乏石油资源; 2-1-2 以石油为原材料的塑料价格也将相当长时期内维持在高位 大部分塑料原材料(树脂)是以石油为原材料,因此价格也将相当长时期内维持在高位。特别是生产中消耗乙烯多的塑料品种(生产 1 公斤聚乙烯需要消耗 1 公斤乙烯,而生产 1 公斤聚氯乙烯需要消耗 0.43 公斤乙烯 [13] )。虽然不少国家已经在从石油以外的原料(如天然气)生产塑料所需的乙烯,但是短期内还不可能改变以石油为主的局面。 同时,部分可以煤为原材料的塑料品种(如聚氯乙烯)可能较少受到石油价格高的影响。 2-1-3 我国大部分以煤为原材料生产的聚氯乙烯树脂价格相对较低 目前国际上聚氯乙烯的年产量在 3000 万吨左右,大部分也是以石油为原材料(乙烯路线)。我国的情况不同,到 2005 年底我国聚氯乙烯树脂的生产能力在 1000 万吨左右 [4] , 2005 年产量在 792 万吨的聚氯乙烯树脂大部分(约 70% )是以煤为原材料(电石路线)。而且目前还有不少以煤为原材料的新项目在建。预计到 2010 年我国聚氯乙烯树脂的生产能力将达到 1500 万吨,其中 70% 以上将以煤为原材料。根本的原因在于我国有较丰富的煤资源和较低廉的劳动费用,因此我国的煤价(尤其是在产煤地的价格)较低。目前以煤为原材料生产聚氯乙烯树脂的企业有较好效益,而少数以石油为原材料生产聚氯乙烯树脂的企业在亏损。 近年我国投资生产聚氯乙烯树脂项目一直是个热点,生产能力增长非常迅速。目前我国聚氯乙烯树脂的总生产能力已经超过国内市场的总用量,是各种塑料树脂中**个可以满足国内需求的。 预计供求形势紧张和煤的较低价位将使我国聚氯乙烯树脂的价格在几年内保持在相对较低价位。 2-2 国际上近年聚氯乙烯管道系统的技术进步 聚氯乙烯管道系统已经有近 70 年的发展历史,因为 高模量高强度和较低价格一直是全世界应用量**大的塑料管道系统。 但是有很长一段时期聚氯乙烯管道系统性能水平提高不大,基本上就有 PVC-U 。同时 由于 HDPE 等树脂性能的明显进展(如从 PE63 到 PE80 和 PE100 ),以及各国环境保护组织对于氯元素的抵制,聚氯乙烯管道系统在一些国家和应用领域的增长率减慢了。如前 所述, 我国的聚氯乙烯管道系统也一直停留在传统 PVC-U 的范围内,因为技术进步慢在一些领域内也将出现落后甚至衰退的趋势。 值得我国塑料管道业注意的是国际上不断在探索提高聚氯乙烯管道系统性能水平和拓宽聚氯乙烯管道系统应用领域,并且近十几年来取得了显著的成果。主要的方向是: -- 通过改性提高韧性,开发各种抗冲击抗开裂性能好同时保持高强度的改性聚氯乙烯管道系统,通常称为 PVC- M 或 PVC-A 或 PVC-HI 。 -- 通过管材加工过程中的双向拉伸提高强度的同时提高韧度。通常称为 PVC-O 或 BO-PVC 。 -- 扩大应用领域,如: 通过提高改性使 PVC 管材可以弯曲、折叠,甚至可以对接熔焊。应用于非开挖修复旧管道的衬入管。 通过改性提高韧度,应用于环境恶劣的场合。如应用于深井矿山的输送水和压缩空气管道。 提高韧度是突破聚氯乙烯管道局限性的关键 众所周知,传统 PVC-U 管道系统有突出的优点也有明显的缺点。 PVC-U 管道系统的主要优点是: 强度高 :以管材形式的原材料长期静液压强度是按照 ISO 9080 标准进行长期静液压试验后得出的,其指标是**小要求强度 MRS 。根据 MRS 和总体使用系数 C 可以确定设计应力 σ D 。下表是部分塑料的 MRS , C 和 σ D (单位: MPa )。 材料 PE80 PE100 PVC-U MRS 8 10 25 C 1.25 1.25 2-2.5 σ D 6.4 8 12.5-10
PVC-U 管道系统的主要缺点是: 韧度低 :即脆性大抗开裂抗冲击性能差。在断裂力学中用于表示材料有抗开裂性能的指标是断裂韧度 K D 。下表是部分塑料的 K D 值(单位: MN/m3/2 )比较 [2] 。 材料 PE80 PE100 UPVC PB PP-R β -PP PVDF K D 2.9 3.8 1.8 3.8 1.6 4.1 1.6
所以突破聚氯乙烯管道局限性的关键是提高韧性。在某些领域为了达到高韧性即使长期强度指标 MRS 下降一些也可以接受(如矿山用的 PVC-M ,改性剂 CPE 量较大)。近年的研究已经能够实现在不降低 MRS 下提高韧性的改性(如英国水工业用的 PVC-A )。而 PVC-O 可以更理想地同时明显提高长期强度和韧性。 3 增韧改性聚氯乙烯 PVC- M ( PVC-A )管道 3-1 各国在增韧改性方面的探索 很多国家在开展聚氯乙烯管道的改性研究,总的方向是提高韧度(在强度不降低或稍降低的前提下)。通过大量的研究和实践,取得显著的成效,已经开发出一批新产品,成功地大量应用于各个领域 [5][6] 。 各国对于 增韧改性 的聚氯乙烯管道系统采用的名称不同:有的称为改性聚氯乙烯 PVC-M (美国,澳大利亚);有的称为聚氯乙烯合金 PVC-A (英国);也有的称为高抗冲聚氯乙烯等 PVC-HI (日本,荷兰)。 各国 增韧改性 的聚氯乙烯管道系统的市场目标有差别:有的目标在全面提高性能,在增韧同时保持强度,可以提高设计应力达到节约材料的目标:如英国、澳大利亚;有的主要目标在增韧满足特殊的需要,如:适用于采矿业(南非)、适用于抗地震条件(日本)、适用于低压燃气输配(荷兰)、适用于非开挖铺设和管道修复衬管(美国)。 各国 增韧改性 聚氯乙烯管道系统的技术也不一样,从目前公布的资料看大部分采用的是聚氯乙烯树脂和改性剂共混改性,改性剂用的是氯化聚乙烯 CPE 或者丙烯酸树脂 ACRYLICS 或者结合用。而日本积水化学开发的是聚氯乙烯和丙烯酸共聚树脂的管道系统。 一些国家已经制定相关的标准和规范,如英国,澳大利亚,南非等(见附件)。 3-2 聚氯乙烯管道 增韧改性的基本原理 众所周知,硬聚氯乙烯 PVC-U 的性能特点是强度高,脆性大。因此虽然 PVC-U 管道的 MRS 在 25Mpa 以上,其设计应力并不高,国际标准是 10Mpa ~ 12.5Mpa 。原因就在脆性大,不得不采用比较大的‘设计系数 C "( C=2.5 ~ 2 ),否则就不能保证安全使用 50 年。大量研究证明如果通过适当改性,可以在不降低强度或稍降低强度的前提下显著地提高韧度,就能容许安全地采用较高的设计应力,达到节约材料并满足一些特殊使用要求的目标。 英国水工业研究开发 PVC-A 中做的大量 试验 [5] 可以 解释 聚氯乙烯管道 增韧改性的原理。由英国西北水公司 NWW 在 1989 年发起的研究是从调查分析英国过去使用的 PVC-U 管道系统损坏情况和分析‘破坏机理"着手,通过大量试验研究(专门开发了较好模拟实际应用情况的一些试验方法)得出的结论是过去英国使用的 PVC-U 管道系统发生的损坏主要是脆性开裂。原因在实际应用中管道不可避免地会受到损伤(例如由于不合要求的铺设),也很难避免承受到内部静水压以外的负载,因此常常出现应力集中可能引发开裂的危险点。由于 PVC-U 强度高脆性大,抗裂纹引发和增长的性能差结果常常造成‘过早破坏"(虽然按照承受的环境应力还不到蠕变破坏的时间)。换句话说,用传统静液压试验方法得出的长期强度曲线(所谓回归曲线)并不能真正反映 PVC- U 管道使用寿命,因为在传统的静液压试验方法中试样是没有损伤的,负载是单纯的。如果用表面预先切口的 PVC-U 管材试样(模拟受到损伤)进行长期静液压试验就可以发现其长期强度曲线明显下降(向下折拐),这才是比较接近 PVC-U 管道实际行为的性能曲线(见图 1 ),这就说明了为什么 PVC-U 管道系统不得不采用较高的设计系数和远比 MRS 低的设计应力。 英国的研究和试验证明,如果适当地进行增韧改性(包括加入适当品种和分量的改性剂以及采用适当的加工工艺)可以使得改性后的 PVC-A 不再出现脆性破坏。其原理是适度地降低材料的屈服强度,使得在可能引发开裂的危险点出现韧性变形,避免裂纹引发和增长。通过试验证明不管试样是切口或者不切口, PVC-A 的长期强度曲线都是平直的(没有出现折拐向下)(见图 2 )。因此, PVC-A 的 MRS 虽然接近或者稍低于不切口 PVC-U 的 MRS (在图 2 中 PVC-A 的 MRS 是 25MPa ),但是可以采用比较小的设计系数 C 和比较高的设计应力(在图 2 中 PVC-A 的设计应力是 18MPa )。因为脆性的 PVC-U 在有切口下 MRS 降低很多(在图 2 中切口 PVC-U 的 MRS 是 15MPa ),设计应力也不得不降低(在图 2 中切口 PVC-U 的设计应力约 12.5MPa )。 3-3 PVC-M ( PVC-A )的性能 3-3 PVC-M ( PVC-A )管材的性能 增韧改性聚氯乙烯 PVC-M ( PVC-A ) 管材在性能上的改进是显著的。主要表现在设计应力的提高和韧度(抗冲击抗开裂性能)的改善,同时由于可以容许一定程度的弯曲变形对于某些应用领域也是有价值的(如应用于不开挖铺设和修复)。 由于各国采用的标准不同(有的只要求提高抗冲击性能;有的希望同时提高设计应力节约材料),增韧改性技术不同,性能改进的效果也是不一样的。 3-3-1 强度 英国,澳大利亚和南非等国开发的增韧改性聚氯乙烯 PVC-M ( PVC-A ) 管材要求在提高韧度的同时提高设计应力,相当于提高了实用的强度。目前都已经有国家标准(规范),设计应力值是 17.5MPa ,都比 PVC-U 国际标准设计应力值 12.5 MPa 高 40% 。 日本和台湾的企业开发的增韧改性聚氯乙烯管材目标就是提高抗冲击性能,据说主要为提高抗地震性能。因此没有提高设计应力。如日本积水化学的‘ ェスロン HI パイプ·ゴ - ルド" ESLON 高抗冲管材合金(在国内称‘ 给水用丙烯酸共聚聚氯乙烯管材 ")的设计应力在 10-12.5MPa (根据其壁厚和 ISO4422 一致推算),在其设计施工手册中介绍通过内压试验‘推定的 20 ℃ 50 年蠕变强度"是 20.7 MPa ( MRS ) [7] ,所以其设计系数在 2-1.66 。 南亚塑胶的‘耐冲击硬聚氯乙烯管材"按照其企业标准 Q/NYXM35-2005 规定的压力和壁厚计算所用的设计应力更低,仅在 5-6MPa (标准中没有材料 MRS 的数据)。 PVC-U 和 PVC-M ( PVC-A )强度数据的比较见下表 表 1 PVC-U 和 PVC-M ( PVC-A )强度数据的比较 标准或产品 名称 MRS MPa 设计系数 C 设计应力 MPa 国际标准 ISO4422 PVC-U 25 2.5-2 10-12.5 国家标准 GB/T10002.1 PVC-U - 2.5-2 10-12.5 英国标准 BSI PAS 27 PVC-A 24.5 1.4 17.5 澳大利亚 AS/NZS4765 PVC-M 24.5 1.4 17.5 南非标准 SANS 966-2 18 日本积水 ESLON AGR 20.7 2-1.66 10-12.5 行业标准 CJ/T 218 - 2-1.66 10-12.5 南亚塑胶(厦门) HIP PVC - - 5-6 宝硕 PVC-M - - 16
3.3.2 韧度(抗冲击抗开裂性能) 在韧度的改善方面效果更加显著。各种 PVC-M 和 PVC-U 管材采用不同的抗冲击抗开裂性能测试方法,不能简单对比。但是这些管材都有用落锤冲击法测试抗冲击性能的要求,下面比较其测试的主要条件和要求,可看出其韧度差别很大。部分 PVC-M 管材采用‘高速冲击"测试,要求管材受到从 20 米高处坠落冲锤的冲击不出现脆性破坏(可以冲出凹坑或孔洞,但必须是韧性破坏)。从测试结果的照片(图 3 )可看出 PVC-M 管材具有优良的抗开裂性能。 表2 PVC-U 和 PVC-M ( PVC-A )。 PVC-O 用落锤冲击法测试抗冲击性能的比较 (以 110mm 管材为例) 标准或产品 名称 方法 条件 要求 ISO4422 PVC-U 落锤冲击 0 ℃ 1.6kg 2m TIR ≯ 10% GB/T 10002.1-1996 PVC-U 落锤冲击 0 ℃ 0.5kg 2m TIR ≯ 5% GB/T 10002.1-2006 PVC-U 落锤冲击 0 ℃ 1.6kg 2m TIR ≯ 5% 英国 BSI PAS 27 PVC-A 落锤冲击 0 ℃ 2.75kg 2m TIR ≯ 5% 澳 AS/NZS4765 PVC-M 高速冲击 22 ℃ 10kg 20m 无脆性破坏 南非 SANS 966-2 PVC-M 高速冲击 23 ℃ 15kg 20m 无脆性破坏 日本积水 ESLON AGR 落锤冲击 -10 ℃ 9kg 2m 不破裂 CJ/T218 AGR 落锤冲击 -10 ℃ 9kg 2m 不破裂 南亚塑胶(厦门) HIPPVC 落锤冲击 0 ℃ 9kg 1.5m 5 试样都不裂 宝硕 PVC-M 落锤冲击 0 ℃ 6.3kg 2m 宝硕 PVC-M 高速冲击 22 ℃ 10kg 20m 无脆性破坏 ISO/DIS 16442 PVC-O 落锤冲击 0 ℃ 6.3kg 2m TIR ≯ 10% 澳 AS 4441 PVC-O 落锤冲击 0 ℃ 6.3kg 2m TIR ≯ 10% 美 ASTM F 1483 PVCO 落锤冲击 0 ℃ 9kg 132J TIR ≯ 10%
我国 PVC-U 管材对于韧度的测试历来只有落锤冲击一项。值得注意的为了切实地保证管材的韧度(防止脆性破坏),国际上开发了多种测试方法。在 PVC-U 的国际标准 ISO 4422:1996 中已经要求测定‘断裂韧度( fracture toughness )"(按照 ISO 11673 标准,即 C- 环测试法)。在英国,澳大利亚和南非等国开发增韧改性聚氯乙烯 PVC-M ( PVC-A )中都非常强调需要开发有效的测试方法。在 英国,澳大利亚和南非等国的 PVC-M ( PVC-O )标准中都规定了多项控制韧度的测试方法和要求。显然是认为只有通过这些测试才能证实达到了增韧改性目标,实现了对于管材长期行为可预测(不发生脆性开裂),才可以放心地提高设计应力。这些国内原来不掌握的测试方法主要有: · C- 环法测断裂韧度(图 4 ) ·高速冲击 ·切口管内压试验 · C- 环法测长期韧度 ·在开切口下抗三点弯曲 日本和台湾的‘高抗冲击硬聚氯乙烯管材"没有采用以上这些韧度测试方法。但日本积水化学和台湾南亚塑胶的产品介绍中都有三项模拟抗地震的测试项目。据企业介绍这些测试项目没有进入标准是因为对其是否可以证实抗地震性能还没有得到认可。探索对于 PVC 管道系统抗地震性能的测试是非常重要的,南亚的三项测试是: ·静水压重复弯曲试验 ·管体剪断试验 ·管体与接头接合延伸试验 表 3 各国 PVC-U 和 PVC-M ( PVC-A )标准中测试韧度采用的方法 标准或产品 名称 C- 环法 测韧度 高速 冲击 切口管 耐内压 C- 环法 长期韧度 开切口三点弯曲 ISO4422 PVC-U 采用 ISO 11673 不采用 不采用 不采用 不采用 英国 BSI PAS 27 PVC-A 采用 不采用 采用 采用 采用 澳 AS/NZS4765 PVC-M 采用 采用 采用 采用 不采用 南非 SANS 966-2 PVC-M 采用 采用 采用 不采用 不采用 宝硕 PVC-M 采用 采用
3-4 PVC-M ( PVC-A )的技术 PVC-M ( PVC-A )的技术是各个企业的技术机密。根据目前公开的资料,为了保证达到质量要求,配方、工艺和检测都很重要。生产 UPVC-U 管材的现代化生产线(具有较好性能和控制的)通常可以用来生产 PVC-M 管材。 3-4-1 配方 英国和南非都是采用共混改性。南非采用的改性剂是氯化聚乙烯 Chlorinated polyethylene ( CPE ),添加的份量在 10phr 以下,要求既保证足够的韧性,同时 MRS 在 25MPa 以上 [6] 。英国采用的改性剂是氯化聚乙烯 Chlorinated polyethylene ( CPE )和 丙烯酸衍生物( Acrylic Derivatives ) [5] ,其 MRS 也可以达到 24.5MPa 以上。 值得注意的是改性剂添加的份量并不高,显然是有利于经济性的。据介绍早期为了满足矿山用管道对高抗冲击韧性的要求, CPE 加量较高。**批输水用管含 12phr 的改性剂,后来为了增加长期强度减少到 10phr 以下 [6] 。从发表的另一研究报告看要保证不发生脆性破坏, CPE 量要在 6phr 以上 [8] ,所以改性剂的添加量应该在 6 ~ 10phr 范围内。 日本和台湾的高抗冲击聚氯乙烯采用的改性剂是丙烯酸树脂。 日本积水化学的 ESLON 高抗冲管材合金(在国内称 给水用丙烯酸共聚聚氯乙烯管材, AGR )是共聚改性。目的是使丙烯酸弹性体的微粒分布得非常均匀,呈‘超微粒子分散"状态。至今还没有见到更详细的介绍。 3-4-2 工艺 从发表的资料看, PVC-M ( PVC-A )的加工工艺对于性能有重大影响,国外进行了系统的试验研究,包括比较在不同的加工工艺条件下改性 CPE/PVC 的结构形态(用电子扫描显微镜) [9] 。有的介绍为了达到正确程度的塑化和实现**佳的韧性,必须用较高的挤出温度和剪切,因此需要改进聚合物的热稳定性。 3-4-3 检测 前面已经介绍,为了保证 PVC-M ( PVC-A )的质量,专门研究和开发了多种检测方法(用来补充通常的性能检测方法)。 有的检测方法已制定了专门的方法标准,如 C- 环检测方法有国际标准 ISO 11673 : 2005 ‘硬聚氯乙烯 ( PVC-U ) 管断裂韧度的测定"。值得注意的是:这些测试方法和测试条件国内至今还没有,这是我国开发 PVC-M ( PVC-A )必须具备的基础手段。 4 双轴取向聚氯乙烯 PVC-O 管材 众所周知,很多高分子聚合物通过取向加工(或称定向),使其分子规整排列可以明显地提高性能。事实上有不少塑料制品在市场上的竞争优势就依靠取向加工带来的卓越性能,例如纤维、双向拉伸强薄膜、容器等等。取向加工工艺可以一方面提高性能,另一方面减少材料的消耗,是顺应可持续发展大方向的前沿技术。如何在热塑性塑料管道系统中采用取向加工技术是非常值得关注的课题。 双轴取向聚氯乙烯 PVC-O 管材是 通过特殊的取向加工工艺制造的管材,这一加工工艺把由通常挤出方法生产的 PVC-U 管材在轴向和径向拉伸,使管材中的聚氯乙烯长链分子在双轴向 规整排列 ,获得高强度、高韧性、抗冲击、抗疲劳,性能远优于普通 PVC-U 管材。 4-1 开发 PVC-O 的历史和进展 PVC-O **早是英国的 Yorkshire Imperial Plastics (现在的 Uponor )在 1970 年代**开发的,后来有澳大利亚 Vinidex ( 1986 ),美国 Uponor-ETI ( 1990 ),荷兰 Polva 和法国 Seperef 生产 [10] 。早期采用的都是‘离线"( off-line )加工工艺(两步加工法),是把挤出成型和已经冷却的 PVC-U 管材段(厚料胚)在模具内通过加热和加压膨胀到要求尺寸来实现取向。试验研究和实际应用证明 PVC-O 具有非凡的性能。但是离线加工工艺生产速度低,设备投资高(单位产出的)很难推广。 后来开发出在挤出加工过程中‘在线"( in-line )进行取向,连续生产 PVC-O 的生产工艺(一步加工法)。就是在管材挤出生产线上,把已经挤出成型的 PVC-U 管材(厚料胚)通过径向的扩张和轴向的拉伸实现双轴取向,然后冷却定型成为 PVC-O 管材。在线双轴取向生产工艺 大大提高生产效率和减少制造成本,增强了 PVC-O 和其他管材的竞争力。目前 PVC-O 管材已经在英国、法国、荷兰、葡萄牙、美国、澳大利亚、南非和日本等国家应用多年。美国、澳大利亚等国已经发布了 PVC-O 的产品标准,国际标准组织起草的 PVC-O 标准的工作已经进展到 DIS 稿: ISO/DIS 16422 ( 2003 )。 近年国内已经有一些科研院所和大企业集团在探索开发。如北京化工大学和四川大学等相继发表了 PVC-O 研究报告 [11] ,‘亚通集团"和‘宝硕管材"开展了试验研究,但是目前还没有能够进入商品化生产。 4-2 PVC-O 的性能 PVC-O 的卓越在结合了高强度和高韧性,因此一方面可以采用高的设计应力明显地节约材料,另一方面可以应用在特殊高要求的,环境特别恶劣的领域,如承受高压力等级、承受高冲击负载和高疲劳负载等。 4-2-1 强度 大量的试验研究证明 PVC-O 不仅 MRS 值可以高达 45 ~ 50MPa ,而且由于突出韧性, MRS 45 和 MRS 50 的 PVC-O 材料的 50 年设计系数可以用 1.6 或 1.4 [6] 。所以 PVC-O 管用的设计应力可高达 28 和 32Mpa ,结果是比 PVC-U 和 PVC-M 管节约材料约 50% 和 30% 。 图 5 是澳大利亚 Vinidex 公司用 Cornet 工艺方法生产的 PVC-O 管材的长期强度曲线 [10] 。 表 4 PVC-O 和 PVC-U PVC-M 强度数据的比较 名称 MRS MPa 设计系数 C 设计应力 MPa 参考文献 国际标准 ISO4422 PVC-U 25 2.5-2 10-12.5 国家标准 GB/T 10002.1 PVC-U 2.5-2 10-12.5 英国 BS PAS 27 PVC-A 28 1.55 18 澳大利亚 AS/NZS 4765 PVC-M 24.5 1.4 17.5 日本积水 ESLON AGR 20.7 2-1.66 10-12.5 [7] 国际标准 ISO/DIS 16422 PVC-O 31.5-50 1.4-2 16-36 美国 ASTM F1483 PVCO 21.7-24.5 澳大利亚 AS 4441 PVC-O 31.5-50 1.6 20-32 南非 DPI PVC-O 45-50 1.6-1.4 28-32
4-2-2 韧度 PVC-O 管材具有非常突出的韧度(抗开裂抗冲击性能)(图 6 )。因为分子取向加工产生薄片分层结构。如果由于缺陷和点负载产生了径向裂纹,分层结构会阻碍裂纹在材料中通过(图 7 )。 因为 PVC-O 管材优越的抗开裂抗冲击性能很可靠,其标准中对于韧度的测试比较简单,在 ISO/DIS 16442 标准和 AS 4441 标准中只有一项 0 ℃ 落锤冲击项目。在 ASTM F 1483 标准中有一项 23 ℃ 落锤冲击(见前面表 2 )。 PVC-O 管材具有非常良好的抗疲劳损坏性能,特别适用于预计有压力周期变化的场合。同时 PVC-O 管材具有非常良好的抗水锤性能,完全能够承受比额定工作压力大两倍的瞬间压力 [10] 。 4-3 PVC-O 的生产技术 在线连续生产(一步法) PVC-O 管材的生产技术是比较复杂,目前都属于专利技术。 这里简单介绍 Uponor BV 和 Vinidex 合作开发的 Cornet 工艺方法(图 8 ) [10] 。生产线的前部是通常的挤出线,连续挤出用做料胚的厚管,在料胚管中的固定位置有两个塞体;在前面的‘分隔塞"和在后面的‘可膨胀塞"。在控制好的温度下,通过内操作管向两个塞体之间输入高压水实现料胚管径向的膨胀,同时通过生产线前后牵引速度差实现料胚管的轴向拉伸。在这个过程中可膨胀塞要相应地膨胀保持对两塞之间高压水的密封(塞面和管材内壁之间始终在滑动)。**后把经过径向的扩张和轴向的拉伸实现了双轴取向的管材冷却定型( Cornet 工艺方法通常径向的扩张比在 2:1 ,轴向的拉伸比在 20% 到 30% )。显然,有不少技术上的难点。例如,膨胀塞即要求有可以膨胀近 3 倍的柔韧性又要求有能承受高压的强度,塞面即要保证密封又要在不断滑过内壁下耐磨损。 生产 PVC-O 管材的另一个难点是成型连体的承口,也已经有专利技术。生产 PVC-O 管材的原材料是标准的 PVC-U 混配料。 5 PVC- M 和 PVC-O 的主要市场 5-1 给水用管道市场 值得注意的是在一些国家的 饮水管网中 PVC-M 和 PVC-O 的应用在逐步扩大,成为 PVC-U 的换代产品。 英国的水工业在 1989 私有化以后,西北水公司( North West Water NWW )等用户企业为了解决过去所用 PVC-U 管道系统不能满足要求的问题,发起了联合开发 PVC-A 的研究。目前大量应用的 PVC-A 产品符合英国国家标准 BS PAS 27 的要求,并得到英国饮水监督部门( UK Drinking Water Inspectorate )的批准。其设计应力是 17.5 MPa (安全系数 =1.4 ) [5] 。 在南非 PVC-M 压力管已经被大量应用在饮水管网和农业中。超过 25000 公里,直径 50-500 毫米,压力等级 PN 6 到 PN 25D 的 PVC-M 压力管已经成功地使用 10 年以上,证明其是一种耐久的,很有竞争力的压力管道 [6] 。 PVC-M 压力管的壁厚大约比对应的 PVC-U 管小 30% ,在输水能力、运输、搬运和铺设上有明显优点。由于比较薄的壁厚和稍低的弹性模量,和 PVC-U 管比水锤波的速度较低。 5-2 矿山用管道 采矿业是管道的重要市场,因为环境特别恶劣和安全要求特别严格,矿山用管道必须满足特殊的要求。在 潮湿和有腐蚀性的地下环境中,强度大、韧性高、抗冲击、不腐蚀和重量轻的 PVC-M 和 PVC-O 管道有竞争优势。 PVC-M 管已经在南非非常恶劣的矿山环境中成功地应用了 25 年(图 9 ) [6] 。为了达到矿山严格的安全要求,设计系数采用 2 ,设计应力采用 12.5Mpa 。值得注意的是为了在抗道中连接方便专门开发了一种机械连接的接头(图 10 ) [13] 。 5-3 非开挖铺设和修复用管道市场 众所周知,采用非开挖技术铺设新管道和修复旧管道是一个有巨大需求的市场。因为非开挖铺设和修复技术对于采用的管材通常要求具有柔韧性和连续性(能够以长盘卷管材供应或者能够实现承受轴向力连接),过去通常都采用聚烯烃管材,认为刚性大,采用承插连接的 PVC 管材无法应用于此领域。近年国外 PVC-M 和 PVC-O 新技术的发展,已经突破了 PVC 管材进入非开挖铺设和修复市场的障碍,为 PVC 管材的应用开拓了新的天地。 非开挖技术修复旧管道**常采用的技术是衬管技术。其中可以利用旧管道承受负载能力的紧配合衬管技术要求衬管在插入前预先缩径或折叠。以前都是采用可以缩径或折叠的 HDPE 管材来实现。近年 PVC-M 和 PVC-O 管材也已经被采用 [14][15] 。 例如: Omega-Liner? 修复方法 :衬管材料是用乙烯基共聚物( ethylene copolymer )改性的聚氯乙烯 PVC-A 。该衬管在生产工厂被预折叠,并盘卷在鼓轴上送到建设工地。因为是预先折叠管材的直径暂时地减小了 30-40% 。用绞盘把预先加温的衬管从鼓轴上拉下来进入要修复的管道,再把低压蒸汽引入 Omega-Liner? 管使其恢复到原来的圆形。此方法可应用于修复直径范围在 150-450mm 的已损坏旧管道(图 11 )。 Duraliner? 修复方法 :用常规的加工工艺挤出的厚壁的 PVC 管胚,直径比要修复的旧管小 50mm 。采用对接熔焊(图 12 )连接起来后插入要修复的旧管,端头用管件堵上后引入严格控制温度的热水并且加压,造成 PVC 管膨胀贴到要修复的旧管壁,同时 PVC 分子在环向实现取向。在维持压力下把冷水送入膨胀的管内,把 PVC 分子的取向‘冻住",其方法直接模拟制造取向聚氯乙烯 PVC-O 管的两步法。完成铺设和再连接后, Duraliner? 方法修复的管道工作压力可以达到 10 bar 。已经完成的一批工程证明用这个管道修复方法可以显著地节约费用。 非开挖技术铺设新管道**常采用的技术是水平取向钻孔后拖入管道的 HDD 方法。根据报告北美市场上已经有三种可承受 HDD 方法施工中牵引力的 PVC 压力管产品 [15] ,头两种管材的密封圈接头已改成具有限位固定的方式,以确保管材在回拉过程中接头不脱开。第三种 PVC 管材具有类似 PE 材料的连接系统,其对熔焊接可提供连续长的管线。目前还没有这三种管材配方和性能的资料,从能够适应 HDD 方法施工的柔韧性估计是改性的聚氯乙烯 PVC-M 管。 IPEX, Inc. 公司 的 Terra Brute ? 管道 : 这是符合 AWWA C900 标准的压力管,具有为了 HDD 铺设开发的限位固定接头(图 13 ),在承插连接处将一组小直径的不锈钢销钉穿过外环和管材承口插入位于插口开槽中的内层钢环。 CertainTeed 公司的 Certa-Lok TM C900/RJ 管道 : 这是符合 AWWA C900 标准的压力管,具有为了 HDD 铺设开发的限位固定接头(图 14 ),在管材和连接套(承插连接)上有一机加工的凹槽,凹槽中可插入柔性的热塑性塑料‘键条",形成一个在 360 °方向上载荷分布均匀的限位固定接头。 Underground Solutions, Inc. 公司的可熔接的 C900?/C905? PVC 管道 : 性能特点是和 PE 管道相似可以采用对接熔焊。这种管道符合 AWWA C900 和 C905 标准的**低要求,直径范围从 4 英寸到 48 英寸。 5-4 燃气管网 抗冲击改性 PVC 管道( PVC-HI )已经在荷兰的供燃气管网中应用 35 年,是该市场中**的材料。 PVC-HI 管道应用在 工作压力 < 200 mbar 的末端输配管网,提供了强度、刚度和韧度的良好平衡。根据 Gastec 的一项新的调查说明 PVC-HI 的材料和铺设费用比竞争材料低到 30% ,计算出来的全寿命周期的费用也较低(荷兰燃气管网较高压力处则采用 PE 或其他材料)。 6 加快创新开发 PVC-M 和 PVC-O 的建议 6-1 建议我国**的塑料管道企业在新的历史时期更加重视技术创新,重视 PVC-M 和 PVC-O 管材的开发和应用。发展 PVC-M 和 PVC-O 管材可以在提高质量和保证安全的同时显著地节约原材料,兼有良好的经济效益和社会效益,建议政府和协会等各方面都尽力给以支持。 6-2 PVC-M 管材不需要特殊的**设备,国内对于增韧改性技术又有较好基础,赶上国际水平的难度较小,建议优先开发和推广。在开发 PVC-O 生产技术方面要注意知识产权(专利)的问题。 6-3 建议尽早着手制定 PVC-M 和 PVC-O 管材的标准,保证我国 PVC-M 和 PVC-O 管材的开发从一起步一上市就达到国际公认的高水平。吸取铝塑复合管的教训,防止重蹈覆辙,不要等到假冒伪劣泛滥后再整顿。对于检测 PVC-M 和 PVC-O 管材的一些国内目前还没有掌握的测试项目应该尽快建立。 6-4 建议在配套开发 PVC-M 和 PVC-O 管道系统产品的同时注意应用技术的开发和应用市场的开拓,例如应用在矿山,非开挖管道铺设和修复等。 6-5 建议塑料管道业要主动和有关各方面合作调查和研究塑料管道(特别是 PVC 类管道)的抗地震性能问题。争取早日制定出一套检测塑料管道抗地震性能的方法和规范。建议在我国 抗震设防要求较高的地区推广采用韧度高的 PVC-M 和 PVC-O 管材。 9 参考文献: [1] PVC 在第 3 个千年中PVC in the third millennium ; D Thompson ( EVC International, Belgium ); 2001 年第 11 届国际塑料管道 [2] 书 - 塑料压力管的力学破坏和对策 董孝理 四川大学 化学工业出版社 2006 年 [3] 城市供水行业 2010 年技术进步发展规划和 2020 年远景目标 中国水协 2004 年 [4] 当前我国 PVC 树脂市场浅析 ;杨洪献 中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会; 2005 中国塑料加工工业协会专家委员会 [5] PVC-A 聚氯乙烯合金管道 , 在破坏模式中韧性和脆性转换 , 评价抗裂纹增长性能的新测试方法 PVC-A PIPES. DUCTILE-BRITTLE TRANSITION IN FAILURE MODE. NEW TESTS TO EVALUATE THE RESISTANCE OF THE CRACK GROWTH ; S. C OOK Hepworth, Water Pressure Systems, Sheffield South Yorkshire, UK , C. D AL P OZZO Greenpipe, Correggio ( RE ) , Italy ; 2004 年第 12 届国际塑料管道会议 [6] PVC-U, PVC-M 和 PVC-O 管的**新发展和设计标准 PVC PIPES FOR LIFE – MODERN DEVELOPMENTS AND DESIGN CRITERIA : PVC-U, PVC-M AND PVC-O ; : M.A. Osry DPI Plastics ( Pty ) Ltd., South Africa . 2004 年第 12 届国际塑料管道会议 [7] ESLON 高抗冲管材合金 设计施工手册 ‘ スロン HI パイプ·ゴ - ルド设计施工マニユアル; 日本积水化学工业株式会社 [8] 改性 PVC 管材强度和韧度的评定 ASSESSMENT OF THE STRENGTH AND TOUGHNESS OF MODIFIED PVC PIPES ; A Whittle ( Iplex Pipelines, Australia ) , RP Burford, ( University of New South Wales, Australia ); 2001 年第 11 届塑料管道国际会议资料 [9] 压力管道用改性 PVC 性能的优化 Optimising the performance of modified PVC for pressure pipe applications ; A Whittle ( Iplex Pipelines, Australia ) , RP Burford, ( University of New South Wales, Australia ); 1998 年第 10 届塑料管道国际会议资料 [10] 在线制造双轴取向聚氯乙烯管的新工艺 A NEW TECHNOLOGY FOR IN-LINE MANUFACTURING OF BIAXIALLY ORIENTED PVC PIPES ; P G Chapman and L Agren 1998 年第 10 届塑料管道国际会议资料 [11] 双向自增强塑料管材成型装置的研究进展 王晓洁 , 吴大鸣 , 杨 凯; 北京化工大学机电工程学院 塑料 2005 年 34 卷第 6 期 [12] 用连续工艺制造的双轴取向 PVC 管材的属性与性能 ; L R Holloway , Wavin Industrial Products 1998 年第 10 届塑料管道国际会议资料 [13] PVC 压力管道系统的创新发展和非常规应用 INNOVATIVE DEVELOPMENTS IN PVC PRESSURE PIPE SYSTEMS AND UNCONVENTIONAL APPLICATIONS 南非 DPI Plastics ( Pty ) Ltd 。 2005 年巴西 PVC 会议报告 [14] PVC 管道的创新 — 为了提高安全性和改善经济性 Innovative PVC Pipe Systems--for Increased Safety and Improved Economics ; S.R.Tan, and A. Bos, European Vinyls Corporation, www.evc-int.com ; 2004 年 第 12 届国际塑料管会议报告 [15] 非开挖应用 PVC 管道在北美的发展 DEVELOPMENTS IN NORTH AMERICAN PVC PIPING PRODUCTS FOR TRENCHLESS APPLICATIONS ; Shah Rahman, Uni-Bell PVC 管道协会, Dallas, Texas, U.S.A. 2004 年第 12 届国际塑料管会议报告 附件 1 PVC-M ( PVC-A )、 PVC-O 和 PVC-U 产品标准和有关检测方法标准 标准组织 标准号 标准名称 备注 PVC-U 国际标准 ISO 4422-2 :1996 给水用硬聚氯乙烯 ( PVC-U ) 管材管件规范 第二部分 ; 管材(代或不带整体承口) Pipes and fittings made of unplasticized poly ( vinyl chloride ) ( PVC-U ) for water supply --Specifications Part 2: Pipes ( with or without integral sockets ) 国家标准 GB/T 10002.1 -2006 给水用硬聚氯乙烯( PVC-U )管材 unplasticized poly ( vinyl chloride )( PVC-U ) pipes for water supply PVC-M ( PVC-A ) 英国规范 BS PAS 27 -1999 压力输水用聚氯乙烯合金( PVC-A )管材和弯头 Unplasticized poly ( vinyl chloride ) alloy ( PVC-A ) pipes and bends for water under pressure 澳大利亚 标准 AS/NZS 4765 ( Int ) :2000 用于压力管的改性聚氯乙烯( PVC-M )管材 Modified PVC ( PVC-M ) pipes for pressure application 南非标准 SANS 966-2 : 2006 压力管道系统标准 第二部分:改性聚氯乙烯( PVC-M )压力管道系统 Components of pressure pipe systems Part 2:Modified poly ( vinyl chloride )( PVC-M ) pressure pipe systerms 建设行业 标准 CJ/T 218 -2005 给水用丙烯酸共聚聚氯乙烯管材和管件 Pipe and fittings of Acrylic ester/vinyl chloride graft co-polymer resin for water supply PVC-O 国际标准 ISO/DIS 16422 ( 2003 ) 输水用取向硬聚氯乙烯 ( PVC-O )管材和接透 - 总则 Pipes and joints made of oriented unplasticized poly ( vinyl chloride ) ( PVC-O ) for the conveyance of water — Specifications 美国 ASTM 标准 ASTM F1483 取向聚氯乙烯 PVCO 压力管材标准 Standard Specification for Oriented Poly ( Vinyl Chloride ) , PVCO, Pressure Pipe 澳大利亚 标准 AS 4441 ( Int ) -2003 Oriented PVC ( PVC-O ) pipes for pressure application 有关检测方法标准 国际标准 ISO 11673 : 2005 硬聚氯乙烯( PVC-U )管断裂韧度的测定 Determination of the fracture toughness of unplasticized poly ( vinyl chloride ) ( PVC-U ) pipes
附件 2 国际市场上部分 PVC-M 和 PVC-O 管材和生产企业的资料 PVC-M ( PVC-A ) 企业名称 企业网站 商品名称 规格 改性剂 英国 Hepworth www.hepworthplumb .co.uk Hep3O? 63-630 8-16bar CPE+ Acrylic Uponor Omega-Liner? ECR 美国 IPEX, Inc. Terra Brute? 100-300 CertainTeed Certa-Lok C900/RJ 4 -12 ” 澳大 利亚 IPLEX RHINO IPLEX 100-375 南非 DPI Plastics ( Pty ) Ltd. Ultraflo -630 6-25bar 日本 积水化学 ESLON ( AGR ) 台湾 南亚塑胶 HIP PVC
PVC-O 企业名称 企业网站 商品名称 规格 英国 Wavin Apollo 110 -315mm 10,12.5,16bar 美国 Underground Solutions, Inc Duraliner? 澳大利亚 Vinidex www.vinidex.com.au Supermain 100-300 南非 DPI Plastics ( Pty ) Ltd. Genimi-Biax 160 -250mm 12,16bar 比利时 SOTRA SEPEREF www.sotra-seperef.com BI-OROC? 100 -300mm PN16 PN25