论文部分内容阅读
摘要：塑料管因安全、环保而广泛应用于建筑给排水、城镇给排水以及燃气管等领域。2013—2017年，全球塑料管材的需求量将以年均8.5%的速率增加，而亚洲需求量的年均增长率为9.7%[1]。塑料管能够稳定增长的基础是技术发展快，不断有新材料，新技术，和新应用出现。本文综述了建筑给排水、城乡给水管、燃气用水管、工业用管等领域中常用管材的种类、应用及新型管材的研究进展，并对其特性及优缺点进行了详细的阐述。对比分析了塑料管材与传统管材的性能，并论述了目前塑料管材在应用上存在的问题。
一、建筑给排水领域
1、各种塑料管材的特点及其研究进展
1.1、UPVC与PVC管材UPVC管材的化学稳定性好、耐化学药品腐蚀性强。UPVC管内壁光滑、安全卫生、水流阻力小；但UPVC管在低温条件下较脆，在温度较高时易变软，因此不适合做热水管，也不适用于寒冷地区。与其他管材相比，UPVC管材具有较高的模量、强度和硬度，即使在不增强的情况下也能满足普通有压液体的输送要求；UPVC管的耐化学药品腐蚀性强、耐老化、使用寿命长、安装维修方便、外形美观、成本较低。UPVC管材的弯曲应力和弯曲模量较高，承受外部荷载的性能较好，因此在相同的使用条件下用料最少。
1.2、PPR管材PPR的化学稳定性好，耐化学药品腐蚀性强， 力学性能优异。PPR管内壁光滑，阻力小，不易积垢，质轻，运输、维修方便。PPR管分为热水管和冷水管，加热到一定温度时，同材质的管与管件在几秒钟内就可以完全融为一体，解决了管道连接处漏水的问题。PPR管的最高使用温度为95℃，长期使用温度为70℃，其导热系数为0.21W/（m？℃），约为钢管的1/200，保温性能良好；但PPR管的膨胀系数是钢管的12倍，长期使用会因热胀冷缩而使管体变形。2015年6月，中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司生产的管材专用PPR T4401在国家化学建筑材料测试中心通过了PPR 100级认证。PPR T4401的熔体流动速率为0.5 g/10min，具有优异的加工流动性和刚韧平衡性，并且具备典型的无规共聚物序列结构[6]。
二、城乡给水领域：
近十几年国际上不断在探索提高聚氯乙烯管道系统的性能和拓宽聚氯乙烯管道系统的应用，取得了显著的成果。主要的方向是：
1.1、通过改性提高韧性，开发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，PVC-HI）。PVC-M在不少国家已经大量生产，广泛地应用于城乡和建筑给水，矿山用管道等，英国，澳大利亚，南非都制定了国家标准[Z1]。PVC-M完全克服了PVC-U的脆性，韧性得到非常显著的改善，同时保持和PVC-U接近的强度。因此可以采用较高的设计应力具有节省材料（30%）和增加通径的优点，符合节约资源的大方向。日本近年十分重视管道抗地震性能的试验研究。和欧洲不同，日本开发的改性聚氯乙烯管道系统主要目标在提高抗地震性能。
1.2、通过管材加工过程中的双向拉伸，使分子取向，形成具有高强度、高韧性、抗冲击、抗疲劳，性能远优于普通PVC-U的新型PVC管材。通常称为PVC-O（或BO-PVC）。PVC-O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，国际标准组织也已在去年发布PVC-O标准（ISO 16422：2006）。
1.3、扩大应用领域，如：通过改性提高韧度使PVC管材可以弯曲，可以折叠，甚至可以对接熔焊。在北美聚氯乙烯管道已经进入非开挖铺设和修复市场。在南非等应用于矿山深井等恶劣环境中水和压缩空气的输送管道。
三、燃气用管领域
全球能源结构的大趋势是越来越多越来越多地采用天然气，聚乙烯燃气管道的市场自然不断在扩大。众所周知，已经在我国经济发展中发挥重大作用的‘西气东送’大工程带动了我国聚乙烯燃气管的大发展。现在‘川气东送’大工程又开始了，将推动沿线广大地区对天然气的应用，为聚乙烯燃气管道开辟新的市场空间。
国际上聚乙烯燃气管道技术发展的一个动向是采用要求更高的标准，有重要变化的聚乙烯燃气管道新国际标准ISO 4437-2007已经批准即将发布。我国的标准肯定也要跟上去。
另外一个动向是探索把塑料管应用到天然气的高压输送管道。
高压天然气塑料输送管的探索
国内外塑料管应用于天然气的输送管道长期来局限于低压的输配管网，压力不超过1MPa（我国过去的标准是0.4MPa）。近年国外在积极探索把RTP应用于天然气的高压输送管道。据报道2000年德国就铺设了试验线（DN75 PN100长900米）。RTP的优势在抗腐蚀性强和铺设便捷（可以长盘管供应，采用非开挖铺设。）2004年德国给水和燃气协会DVGW已经发布了标准：‘VP642用于运行压力16bar以上天然气的纤维增强PE管（RTP）和附带的连接件’。
四、工业用管领域
1、石油天然气开采用高压增强热塑性塑料管
石油天然气开采对于国家的重要性是众所周知的。石油天然气开采业需要的大量管道传统上采用钢管，但近年越来越多采用非金属管道。由于石油天然气资源很多在沙漠，沼泽，海滩和海洋（从浅海到深海）中，耐腐蚀抗高压又柔韧可曲挠，可以制成很长连续盘管的增强热塑性塑料管（RTP）具有独特的优势。在陆地和浅海使用的RTP通常是三层结构。在深海使用的RTP通常由很多层构成（除承受内压外还要承受外压等其他负载），石油天然气开采业统称其为‘挠性管’。对于‘挠性管’的设计，制造，铺设和应用国际上进行了大量研究试验，积累了丰富的经验，目前国际上采用的标准是ISO标准（ISO 13628-）和美国石油组织API的规范和规程（API 17J，API17B…）。
我国几大油田也已经采用增强热固性塑料管（玻璃钢管）和增强热塑性塑料管（RTP）。
2、矿山管道的开发
国外在矿山根据不同需求采用不同材料和结构的塑料管道。例如在矿业发达的南非，在煤矿和金矿成功低大量使用高抗冲击的聚氯乙烯管道系统（PVC-M和PVC-O），积累了丰富的经验。我国是矿业大国，煤产量近世界的1/3，。目前塑料管已经应用到煤矿的输水和排气（抽瓦斯），但由于缺乏经验存在很多问题。例如目前国内基本上都采用聚乙烯（抗静电和阻燃的）的实壁管（煤炭行业标准MT 558.1—1996煤矿用聚乙烯管材）。已经有企业在开发煤矿专用的高抗冲聚氯乙烯管。
3、工業中的特殊管道
在化学工业，电子工业，电力工业等各个领域都需要有特殊性能的塑料管道，如化工产品生产中输送各种强腐蚀的流体管道，电子产品生产中输送高度纯净水的管道，发电站输送强磨损介质的管道。国外有一些塑料管道企业以特殊要求的工业管道为主业，可以根据用户需求从设计到铺设施工配套服务。例如，对于输送特别危险的流体，可以设置双层管道系统，万一发生泄漏只是流到内外管之间，并自动报警，可以确保安全。
五、结语
随着材料科技与工艺的进步，塑料管材的研究与应用得到了高速的发展，绿色无害化管材成为未来管材发展的趋势。但在应用过程中必须结合实际情况选用合适的管材。
参考文献：
[1]许庆开.塑料管材在给排水领域的发展及应用[J].山西建筑，2009，35（10）：168.
[2]刘继纯，张肖楠，王伟晓，等.阻燃抗静电耐冲击UPVC管材料的研制[J].合成树脂及塑料，2010，25（1）：10-12.
一、建筑给排水领域
1、各种塑料管材的特点及其研究进展
1.1、UPVC与PVC管材UPVC管材的化学稳定性好、耐化学药品腐蚀性强。UPVC管内壁光滑、安全卫生、水流阻力小；但UPVC管在低温条件下较脆，在温度较高时易变软，因此不适合做热水管，也不适用于寒冷地区。与其他管材相比，UPVC管材具有较高的模量、强度和硬度，即使在不增强的情况下也能满足普通有压液体的输送要求；UPVC管的耐化学药品腐蚀性强、耐老化、使用寿命长、安装维修方便、外形美观、成本较低。UPVC管材的弯曲应力和弯曲模量较高，承受外部荷载的性能较好，因此在相同的使用条件下用料最少。
1.2、PPR管材PPR的化学稳定性好，耐化学药品腐蚀性强， 力学性能优异。PPR管内壁光滑，阻力小，不易积垢，质轻，运输、维修方便。PPR管分为热水管和冷水管，加热到一定温度时，同材质的管与管件在几秒钟内就可以完全融为一体，解决了管道连接处漏水的问题。PPR管的最高使用温度为95℃，长期使用温度为70℃，其导热系数为0.21W/（m？℃），约为钢管的1/200，保温性能良好；但PPR管的膨胀系数是钢管的12倍，长期使用会因热胀冷缩而使管体变形。2015年6月，中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司生产的管材专用PPR T4401在国家化学建筑材料测试中心通过了PPR 100级认证。PPR T4401的熔体流动速率为0.5 g/10min，具有优异的加工流动性和刚韧平衡性，并且具备典型的无规共聚物序列结构[6]。
二、城乡给水领域：
近十几年国际上不断在探索提高聚氯乙烯管道系统的性能和拓宽聚氯乙烯管道系统的应用，取得了显著的成果。主要的方向是：
1.1、通过改性提高韧性，开发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，PVC-HI）。PVC-M在不少国家已经大量生产，广泛地应用于城乡和建筑给水，矿山用管道等，英国，澳大利亚，南非都制定了国家标准[Z1]。PVC-M完全克服了PVC-U的脆性，韧性得到非常显著的改善，同时保持和PVC-U接近的强度。因此可以采用较高的设计应力具有节省材料（30%）和增加通径的优点，符合节约资源的大方向。日本近年十分重视管道抗地震性能的试验研究。和欧洲不同，日本开发的改性聚氯乙烯管道系统主要目标在提高抗地震性能。
1.2、通过管材加工过程中的双向拉伸，使分子取向，形成具有高强度、高韧性、抗冲击、抗疲劳，性能远优于普通PVC-U的新型PVC管材。通常称为PVC-O（或BO-PVC）。PVC-O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，国际标准组织也已在去年发布PVC-O标准（ISO 16422：2006）。
1.3、扩大应用领域，如：通过改性提高韧度使PVC管材可以弯曲，可以折叠，甚至可以对接熔焊。在北美聚氯乙烯管道已经进入非开挖铺设和修复市场。在南非等应用于矿山深井等恶劣环境中水和压缩空气的输送管道。
三、燃气用管领域
全球能源结构的大趋势是越来越多越来越多地采用天然气，聚乙烯燃气管道的市场自然不断在扩大。众所周知，已经在我国经济发展中发挥重大作用的‘西气东送’大工程带动了我国聚乙烯燃气管的大发展。现在‘川气东送’大工程又开始了，将推动沿线广大地区对天然气的应用，为聚乙烯燃气管道开辟新的市场空间。
国际上聚乙烯燃气管道技术发展的一个动向是采用要求更高的标准，有重要变化的聚乙烯燃气管道新国际标准ISO 4437-2007已经批准即将发布。我国的标准肯定也要跟上去。
另外一个动向是探索把塑料管应用到天然气的高压输送管道。
高压天然气塑料输送管的探索
国内外塑料管应用于天然气的输送管道长期来局限于低压的输配管网，压力不超过1MPa（我国过去的标准是0.4MPa）。近年国外在积极探索把RTP应用于天然气的高压输送管道。据报道2000年德国就铺设了试验线（DN75 PN100长900米）。RTP的优势在抗腐蚀性强和铺设便捷（可以长盘管供应，采用非开挖铺设。）2004年德国给水和燃气协会DVGW已经发布了标准：‘VP642用于运行压力16bar以上天然气的纤维增强PE管（RTP）和附带的连接件’。
四、工业用管领域
1、石油天然气开采用高压增强热塑性塑料管
石油天然气开采对于国家的重要性是众所周知的。石油天然气开采业需要的大量管道传统上采用钢管，但近年越来越多采用非金属管道。由于石油天然气资源很多在沙漠，沼泽，海滩和海洋（从浅海到深海）中，耐腐蚀抗高压又柔韧可曲挠，可以制成很长连续盘管的增强热塑性塑料管（RTP）具有独特的优势。在陆地和浅海使用的RTP通常是三层结构。在深海使用的RTP通常由很多层构成（除承受内压外还要承受外压等其他负载），石油天然气开采业统称其为‘挠性管’。对于‘挠性管’的设计，制造，铺设和应用国际上进行了大量研究试验，积累了丰富的经验，目前国际上采用的标准是ISO标准（ISO 13628-）和美国石油组织API的规范和规程（API 17J，API17B…）。
我国几大油田也已经采用增强热固性塑料管（玻璃钢管）和增强热塑性塑料管（RTP）。
2、矿山管道的开发
国外在矿山根据不同需求采用不同材料和结构的塑料管道。例如在矿业发达的南非，在煤矿和金矿成功低大量使用高抗冲击的聚氯乙烯管道系统（PVC-M和PVC-O），积累了丰富的经验。我国是矿业大国，煤产量近世界的1/3，。目前塑料管已经应用到煤矿的输水和排气（抽瓦斯），但由于缺乏经验存在很多问题。例如目前国内基本上都采用聚乙烯（抗静电和阻燃的）的实壁管（煤炭行业标准MT 558.1—1996煤矿用聚乙烯管材）。已经有企业在开发煤矿专用的高抗冲聚氯乙烯管。
3、工業中的特殊管道
在化学工业，电子工业，电力工业等各个领域都需要有特殊性能的塑料管道，如化工产品生产中输送各种强腐蚀的流体管道，电子产品生产中输送高度纯净水的管道，发电站输送强磨损介质的管道。国外有一些塑料管道企业以特殊要求的工业管道为主业，可以根据用户需求从设计到铺设施工配套服务。例如，对于输送特别危险的流体，可以设置双层管道系统，万一发生泄漏只是流到内外管之间，并自动报警，可以确保安全。
五、结语
随着材料科技与工艺的进步，塑料管材的研究与应用得到了高速的发展，绿色无害化管材成为未来管材发展的趋势。但在应用过程中必须结合实际情况选用合适的管材。
参考文献：
[1]许庆开.塑料管材在给排水领域的发展及应用[J].山西建筑，2009，35（10）：168.
[2]刘继纯，张肖楠，王伟晓，等.阻燃抗静电耐冲击UPVC管材料的研制[J].合成树脂及塑料，2010，25（1）：10-12.