国内外PE100级管材专用料的发展和应用概况*

毕家林，李连鹏，胡建洪，陈光岩，王 硕

(1.中国石油吉林石化公司 铁路运输部，吉林 吉林 132022；2.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；3.中国石油吉林石化公司 生产技术处，吉林 吉林 132021；4.中国石油吉林石化公司 乙烯厂，吉林 吉林 132022)

聚乙烯(PE)管材具有突出的耐化学腐蚀性、耐低温性、耐热和耐磨性、焊接性能好、对输送介质无污染、使用寿命长、制造安装费用低等特点，被广泛地应用于市政工程建设、农业生产以及石油化工等领域。

PE管材料开发至今已经有50多年的历史，按照国际标准ISO9080—2012[1]和ISO12162—2009[2]将PE管材分为PE32、PE40、PE63、PE80、PE100、PE112以及PE125等级别，目前市场上以PE80和PE100级管材料为主。PE100是指在20 ℃条件下，PE管材专用料在使用50年后仍能保持10 MPa的最小必须强度，而且有优异的抵抗慢速裂纹生长和快速裂纹扩展的能力。PE100具有普通PE管材专用料的传统性能和优点，而且由于分子结构的改进，使其在物理力学性能方面有非常大的提高，如压力等级更高，管壁更薄，专用料的加工性能较好。因此在天然气、饮用水的输送等领域有着广泛的应用。

1 国内外PE100管材专用料发展概况

1.1 国外PE100管材专用料发展概况

自20世纪80年代末，随着PE材料技术和聚合工艺的进步，出现了第三代PE树脂，使得PE管道的性能得到了飞跃性的发展。国外各大石化公司开发的管材专用料质量稳定、加工性能好，牌号比较齐全，特别是一些欧洲企业，如北欧化工、英力士、道达尔石化等，在国际市场上信誉度很高。

(1) 北欧化工(Borealis)公司

北欧化工公司采用先进的环管反应器和气相反应器串联的北星双峰(Borstar)专利技术来生产PE管材料，开发的管材专用料具有优良的柔韧性和很好的强度，生产的管材口径从20～2 000 mm，其中典型的PE100管材牌号有HE3490-LS、HE3492-LS等。

(2) 英力士(INEOS)聚烯烃公司

英力士聚烯烃公司采用InnoveneTMS双环管淤浆聚合工艺来生产ELTEX系列管材专用料，产品种类较多，其中压力管道树脂是该套工艺最具有特色的产品。生产的PE100管材具有优秀的耐蠕变破坏、耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展性能，同时具有优异的加工性能。其中典型的PE100管材牌号有TUB121N3000及TUB125 N2025等。

(3) 利安德巴塞尔(LyondellBasell)工业公司

利安德巴塞尔工业公司采用赫斯特(Hostalen)淤浆聚合工艺，通过双峰串联来生产Hostalen系列PE100级管材料，产品具有良好的抗应力开裂和长期静液压性能。其中典型的PE100管材牌号有CRP100 Black、CRP100 Orange等。

(4) 道达尔石化(Total petrochemicals)公司

道达尔石化公司采用双环管淤浆工艺生产PE100级管材料，采用的共聚单体均为己烯。其中典型的PE100管材牌号有XS10B、XS10 Orange YCF等。

(5) 大韩油化工业株式会社(KPIC)

韩国大韩油化工业株式会社(简称大韩油化)采用双峰串联淤浆聚合工艺，通过对形态、规整度、密度和相对分子质量的控制，得到高密度聚乙烯(HDPE)管材专用料。该公司生产PE100级管材料的机械性能和加工性能优异。其中典型的PE100管材牌号有P600BL、P600YE等。

(6) 陶氏化学(DOW)公司

陶氏化学公司采用2个串联的气相流化床UNIPOLTMⅡ工艺技术生产双峰PE管材料，第一个反应器中生产高相对分子质量聚合物，第二个反应器中生产低相对分子质量聚合物，生产的管材具有杰出的耐慢速裂纹增长和抗快速裂纹扩展性能，其中典型的PE100管材牌号有DGDA-2490BK。

国外典型的PE100级管材专用料的性能指标如表1所示。

在欧洲，由Solvay、Borealis和Elenac(已并入Basell)于1999年成立了联盟——PE100+协会，该协会对PE压力管道行业具有重要影响。PE100+协会的宗旨是保证在生产和使用PE100树脂时，保持最高水平性能和安全性，对专用树脂有更高的性能要求。该联盟认证的树脂每隔7个月就重新认证一次，通过认证的产品代表着当今PE压力管道专用料的最高水平。目前通过PE100+联盟认证的PE管材专用料牌号及其生产商如表2所示。

表2 获得PE100+协会认证的专用料牌号1)

续表

1) 有效期至2014年7月。

1.2 国内PE100管材专用料发展概况

近年来，随着我国建筑业、市政工程、农业、工业、电力和通讯等行业对塑料管道的需求不断加大，拉动了我国塑料管道行业的快速增长。预计在“十二五”期间，塑料管道产量保持在10%左右的增长速度，2015 年全国塑料管道产量将超过1 320万t，塑料管道在各类管道中市场占有率超过50%。HDPE管材性能价格比优于其它塑料管材，市场潜力很大。

目前我国管材原料企业主要以生产本色PE100专用料为主，只有少数几家企业能够生产黑色混配料，在蓝色和橙色PE100管材专用料方面还是空白。国内主要PE100管材专用料的生产工艺如表3所示。

表3 国内主要PE100管材专用料生产工艺

2 PE100管材专用料的发展趋势

近些年来，国外各大公司在PE100管材料的基础上，推出了适合于大口径管材生产的低熔垂材料和耐开裂PE(PE100-RC)材料，如图1所示，由于其具有优异的性能，已经被管材生产厂家所接受。

年份图1 PE管材的发展阶段

2.1 低熔垂大口径PE管材专用料

由于PE管道具有耐腐蚀性、柔韧性好以及焊接性能好等优异性能，使得大口径PE管道在生活给水、海水养殖、海水淡化工程、输送腐蚀性介质或淤浆、应用于腐蚀性的土壤环境以及用于内衬法修复旧管道等领域，具有得天独厚的优势，因此市场需求保持持续稳定的增长。

在大口径管材挤出过程中，由于管壁厚，冷却固化的速度慢，熔体会在重力作用下下垂，造成上面壁薄，下面壁厚，即熔垂效应。通过调整口模间隙即增加上部间隙、减小下部间隙，虽可以在一定程度上进行补偿，但这种补偿能起到的效果也很有限。研究结果表明，HDPE管材的抗“熔垂”性能好坏和零切粘度大小有关，零切粘度越大抗“熔垂”性能越好[3]。从PE材料结构的角度而言，双峰相对分子质量分布结构设计是低熔垂材料研究的方向，因为低相对分子质量部分决定了材料的加工性能，高相对分子质量部分决定了抗“熔垂”性能，抗“熔垂”性能好的双峰管材料的重均相对分子质量更高，高相对分子质量部分的含量更多[4]。因此，国外公司一般通过对PE双峰聚合工艺条件的优化，平衡产品的加工性能和力学性能的关系，开发出大口径PE管材专用料。国外典型的黑色大口径PE管材专用料的性能指标如表4所示。

表4 国外典型的黑色大口径PE管材专用料的性能指标

在国内，2013年4月，独山子石化公司在UNIPOL装置上利用进口的PRODIGY BMC-200催化剂，通过控制相对分子质量分布和共聚单体的组成，开发了单釜双峰大口径PE管材专用料UHXP-4808。2013年5月，吉林石化公司在双峰PE100级管材料JHMGC100S的工艺基础上进行了工艺优化，开发了大口径PE管材专用料，同时完成了该批产品的加工应用实验，产品质量得到了用户的认可。

2.2 PE100-RC管材专用料

在过去的10年里，为寻求新的应用领域，PE100管材料的进一步发展之一被锁定在耐慢速裂纹增长(SCG)或耐应力开裂性能上。通过优化双峰或多峰PE的聚合工艺，采用适宜的α烯烃共聚单体，成功聚合的PE100专用料已经展现出超高耐慢速裂纹增长性能，如图2和图3所示。

在全缺口蠕变实验(FNCT)测试条件下，其耐慢速裂纹增长时间超过8 760 h，被称为第4代管材树脂。德国标准化学会支持完成的PAS1075“采用非传统安装技术的聚乙烯管材”中，将这种高抗SCG性能的材料取名为PE100-RC(Resist Crack,耐开裂)[5]。PE100-RC继承了PE管材的技术优点，可用于管道更新、非开挖安装和管道快速敷设技术，并在德国、波兰、奥地利、比利时和邻近国家越来越多地使用，如德国规定：在直接回填、非开挖管道施工、老旧管道修复中必须使用PE100-RC管道。因此，PE100-RC管材专用料的发展已经成为管材发展的一种趋势。

图2 PE100和PE100-RC综合性能对比

图3 不同等级管材专用料的FNCT测试对比

在国外，PE100-RC专用料的生产厂家较多，牌号也较为丰富。利安德巴塞尔工业公司利用先进的ACP(Advanced Cascade Process)3釜串联工艺技术，开发了耐应力开裂专用料CRP100 RESIST CR，满足市场对新型PE100管材料的需求。道达尔石化公司采用双环管淤浆工艺开发的Xsene系列管材中，XRC20B具有极高的抗裂纹开裂和慢速裂纹增长性能，能够有效地解决PE管道在使用过程中遇到的划痕伤害及慢速裂纹增长问题。北欧化工公司采用北星双峰(Borstar)专利技术开发的耐开裂PE100-RC管道专用料HE3490-LS-H(黑色)、HE3492-LS-H(橙色)和HE3494-LS-H(蓝色)，该类管材料继承了PE100管材的技术优点，并可用于管道无沙回填、旧管道更新、非开挖安装和管道快速敷设技术。英力士聚烯烃公司采用InnoveneTMS双环管淤浆聚合工艺，通过分子结构设计，优化聚合物链缠结和结晶度之间的平衡，开发了ELTEXSUPERSTRESS系列PE100-RC管材专用料：TUB121N6000(黑色)、TUB125N6000(橙色)和TUB124N6000(蓝色)。国外典型的PE100-RC管材专用料的性能指标如表5所示。

表5 国外典型的PE100-RC管材专用料的性能指标

3 PE100管材专用料的应用情况

3.1 给水管领域

PE管材具有卫生性好、利于环境保护、柔韧、可熔接、铺设方便经济、使用安全可靠等优点，在室外给水领域获得了快速发展[6]。由于PE100管材具有耐压等级更高、输送安全系数最高、相同压力等级下更薄，因此PE100管材在市政供水以及海水淡化等给水领域取得了广泛的应用。

根据国际标准ISO4427—2007以及国家标准GB/T 13663—2000的要求[7-8]，PE管材专用料应采用黑色或蓝色的混配料。对于饮用给水管，管材的颜色为蓝色或者黑色管材加蓝条。虽然国家标准规定给水管应采用混配料，但是目前国内PE给水管多采用“白(PE管材基础树脂)加黑(炭黑色母料)”的方法来生产。

3.2 燃气管领域[9]

由于PE管道具有良好的快速裂纹传递抵抗能力，使其成为城镇中低压埋地燃气管材的首选材料。根据国际标准ISO 4437—2007和GB/T 1558.1—2003的要求[10-11]，生产燃气用埋地PE管材的原料应采用混配料。其中PE100级树脂的颜色为橙色或者黑色，生产的管材颜色为橙色或黑色管材加橙色标记。

在国外，PE燃气管道最早应用于20世纪50年代，1956年美国率先在燃气管系统中使用PE管材。由于PE管道具有的良好特性，很快就在欧洲和北美的燃气市场得到推广应用。经过几十年的发展与竞争，PE燃气管道在国外已成为最成熟的塑料管道品种，被公认为最适宜用作燃气输送的管材。这不仅是由于PE材料制作管道具有非常独到的技术经济优势，更是由于PE管道的原料性能、管材、管件制造工艺、连接方法、连接机具以及运行中的维修手段等在多年的实践中，已形成了完善的配套系统。英国、丹麦等国PE燃气管道普及率已经超过90%，法国从1998年开始新敷设的中低压燃气管道几乎100%采用PE管道。

我国PE管材用于输送燃气始于20世纪80年代。当时，建设部、中国石化和和上海煤气公司共同承担国家“七五”攻关项目，在我国推广应用塑料煤气管材，但在以后很长一段时期内进展并不大。一是由于当时国内还不能生产高质量的PE管道系统，特别是缺乏配套的管件和焊接施工机械及施工规范；二是由于当时我国用的燃气主要是人工煤气，含有可能侵蚀PE材料的成分。进入21世纪，我国开始实施能源结构调整计划，充分利用天然气资源，大幅度提高天然气在能源中的比例，特别是城市能源要大部分转换为天然气，PE燃气管的市场潜力开始显现。在住房城乡建设部门编制的《全国城镇燃气发展“十二五”规划》中，对“十二五”城镇燃气管网建设提出如下发展规划：“十二五”期间，新建城镇燃气管道约25万km，到“十二五”期末，城镇燃气管道总长度达到60万km，使得PE燃气用管材的需求将保持持续增长。

3.3 地源热泵领域

地源热泵系统是利用地球表面浅层水源和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，是既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵作为迄今为止最舒适、高效、环保的技术，代表的是目前国际上最新、最高档次的空调和暖气系统技术，正逐渐被人们所接受。地源热泵系统的管道部分主要采用PE(PE100、PE80级)管道和聚丁烯(PB)管道2种，由于PE管道显著的经济性，多数工程采用PE管道。PE100凭借着高强度性能使管壁尽可能变薄，从而最大限度地提高了系统的热传导效率，成为地源热泵系统管道的首选。

4 发展建议

随着我国城镇化建设的快速推进以及国家加大对农业、水利、城市管网等基础设施建设的投入，将为塑料管道发展带来新的发展机遇。近些年来，虽然国内石化企业在技术水平和规模化生产上取得了一定的成就，但是和国外管材原料生产厂家相比，还存在着一定的差距和不足。建议在以下几个方面开展工作。

(1) 开发高性能高附加值的PE100管材专用料。与国外厂家相比，国内PE100树脂以本色料为主，黑色燃气管道专用料牌号较少，颜色单一。因此需要开发具有颜色管理和抗吸水性能优势的橙色PE100管材料，满足市场的需求。此外，国外各大公司在PE100管材料的基础上，推出了适合于大口径管材生产的低熔垂材料和PE100-RC抗划痕材料，由于其具有优异的性能，已经被管材生产厂家所接受。因此国内企业需要加大创新力度，开发高性能高附加值的管材专用料，提高企业的市场竞争力。

(2) 及时更新相关标准，与国际标准接轨。随着塑料管道原料生产企业的产能和规模不断扩大，国际标准ISO4437《燃气用埋地聚乙烯管材(PE)-公制标准-规范》和欧洲标准EN 1555.1《燃气输送用塑料管道系统-聚乙烯(PE)》在总结实践和研究成果的基础上，对燃气管材专用料的性能提出了更高的要求，分别在2007年和2010年进行了标准更新。而在我国，主要执行的标准为GB/T 1558.1—2003《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》和GB/T 15558.2—2005《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第2部分：管件》，与更新后的国际标准和欧洲标准存在着较大的差距，因此需要及时更新国内相关标准，对PE100专用树脂提出更高的性能要求，保证管道使用的安全性。

(3) 逐步建立完善的技术服务体系，提高技术支持水平。面对日益加剧的市场竞争，如何提供高水平的技术服务，稳定用户群显得格外重要。国内各大石化企业应当建立产销研一体化的工作思路，充分发挥科研院所在表征、测试和加工方面的技术优势，组建高水平的技术服务队伍，从材料鉴别、管材加工和施工质量等方面入手，为客户提供强有力的技术支持。

参 考 文 献：

[1] 国际标准化组织.ISO 9080—2012 Plastics piping and ducting systems-Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation[S].瑞士：国际标准化组织，2012:1-29.

[2] 国际标准化组织.ISO 12162—2009 Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applications-Classification,designation and design coefficient[S].瑞士：国际标准化组织，2009:1-8.

[3] DesLauriers P J,McDaniel M P,Rohlfing,et al.A comparative study of multimodal vs.bimodal polyethylene pipe resins for PE-100 applications[J].Polymer Engineering and Science,2005,45(9):1203-1213.

[4] 沈继红.用固体核磁技术分析PE100管材料的抗熔垂性[J].合成树脂及塑料,2007,24(4):12-15.

[5] 德国标准化学会.DIN PAS 1075(2009-04) Pipes made from polyethylene for alternative installation techniques-Dimensions,technical requirements and testing[S].德国：德国标准化学会，2009:18-33.

[6] 李金玲,卢春华,石明霞，等.国内聚乙烯管材专用料生产现状及市场分析[J].弹性体，2010,20(2):83-88.

[7] 国际标准化组织.ISO 4427.2—2007 Plastics piping systems-Polyethylene(PE)pipes and fittings for water supply-part 2:Pipes[S].瑞士：国际标准化组织，2007:1-18.

[8] 全国文献标准化委员会.GB/T 13663—2000给水用聚乙烯(PE)管材[S].北京:中国标准出版社，2000:1-13.

[9] 张春宇，李连鹏,王硕，等.国内外聚乙烯燃气管材专用料的发展概况[J].弹性体，2013,23(5):67-73.

[10] 国际标准化组织.ISO 4437—2007 Buried polyethylene(PE) pipes for the supply of gaseous fuels—Metric series—Specifications[S].瑞士：国际标准化组织，2007:1-22.

[11] 全国文献标准化委员会.GB 15558.1—2003 燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第1部分[S].北京：中国标准出版社，2003:1-19.