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 質量檢驗中心中部質檢一車間.吉林 吉林 132021）
摘要：本文介紹了聚乙烯(PE)管材的優點和應用領域，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的生產情況和標準，并結合國內未來的產業政策，提出了我國PE管材的發展方向。
關鍵詞：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用最為廣泛的品種之一。由于PE具有良好的耐化學腐蝕性能、化學穩定性能好和優異的電絕緣性能等，因此廣泛的應用在石油化工、市政工程、農業生產以及建筑行業等領域。近幾年來，隨著國內煤化工項目和煉化一體化項目得投產，PE產能得到快速釋放，2022年國內PE總產能已經超過3000萬噸。
于PE管材在耐化學腐蝕性能、耐熱和耐低溫性能、焊接性能、對輸送介質無污染、制造安裝費用低以及使用壽命長等方面具有突出的優越性，成為PE樹脂下游主要消費領域之一。2022年2月國務院辦公廳轉發發改委《關于加快推進城鎮環境基礎設施建設指導意見的通知》，提出“新增和改造污水收集管網8萬公里”。2022年6月，國務院辦公廳發布了《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。2023年7月，發改委、環境部、住建部三部門發布了《環境基礎設施建設水平提升行動( 2023-2025年)》，提出到2025年新增和改造污水收集管網4.5萬公里。這些對于PE管材今后的發展創造了良好的戰略機遇。
PE管材下游主要應用在建筑和市政建設的給排水及采暖、農業給排水以及灌溉用管、排污和工業流體介質輸送、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用較大的領域[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(設計)系數》，根據最小要求強度(MRS)將PE管材分為PE63,PE80,PE100,PE112和PE125等級別。目前，國內石化企業主要生產PE100級和PE80級管材(如表1所示)。
表1 國內主要給水PE管材用樹脂生產情況
從表1可以看出，國內生產PE100級管材料所采用的生產工藝以Hostalen淤漿工藝和Hostalen ACP淤漿工藝為主，PE80級管材料生產的企業相對較少[3-4]。揚子石化公司開發的高密度聚乙烯管材專用料YEM-4902T，獲得了國際權威檢測機構瑞典Bodycote實驗室的PE112等級認證，是國內第一家獲得PE112等級認證的產品。對于PE給水管材，國內主要執行GB/T 13663.1-2017《給水用聚乙烯(PE)管道系統第1部分:總則》和GB/T 13663.2-2018《給水用聚乙烯(PE)管道系統第2部分:管材》標準，在這兩個標準中主要針對PE80級和PE100級管材制定了相關標準，刪除了原有的PE63級管材分級和命名。
在生產大口徑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，導致管材下面壁厚大，上面壁厚小，生產的管材不能滿足使用要求。國內的一些生產企業，根據大口徑PE管材結構的特點，通過對聚合生產工藝條件的優化，開發了適合生產大口徑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 國內大口徑PE管材用樹脂生產情況
2燃氣管材
PE燃氣管材主要應用于城鎮中低壓埋地氣管材領域，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。根據國家標準GB 15558.1-2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE）管道系統第1部分:管材》要求，生產燃氣用埋地聚乙烯管材的原料應采用混配料，該標準是強制性國家標準。
在國內，為了促進聚乙烯燃氣管道市場的健康發展，2008年在中國城市燃氣協會指導下，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，組成了燃氣企業聚乙烯(PE)輸配系統質量控制合作小組(以下簡稱"G5+合作小組”)。該組織借鑒了國際相關技術標準及管理經驗，制定了一系列嚴格的相關產品技術要求，明確了其所有的供應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+協會，該協會對專用樹脂有更高的性能要求，在PE壓力管道行業具有重要影響。該聯盟認證的樹脂每隔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測試一次，通過認證的產品代表著當今PE壓力管道專用料的最高水平，全球高端燃氣生產商均把歐洲PE100+協會產品目錄作為原料供應商的準入門檻。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工作，但是長期量產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+協會產品目錄[7]。
表3國內燃氣PE管材用樹脂生產情況
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，國內主要以1-丁烯和1-己烯為主(如表4所示)。PE-RT由于分子結構的改進，使其在高溫條件下仍具有良好的耐環境應力開裂性能和耐靜液壓強度，因此該類產品主要用于冷熱水輸送管、地面輻射采暖系統以及在油田集輸油領域等領域[8-15]。
表4 國內PE-RT管材用樹脂生產情況
在國內，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拐點。國內市場上典型的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管材的技術優點，并可用于管道更新、非開挖安裝和管道快速敷設技術，可以降低管材施工難度，大大降低施工費用。在我國生產PE100-RC樹脂的企業相對較少，具體情況如表5所示[16-19]。
表5 國內PE-RT管材用樹脂生產情況
在國家標準GB 15558.1-2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統第一部分:管材》附錄D和GB/T 13663.2-2018《給水用聚乙烯(PE)管道系統第2部分:管材》附錄D中，推薦采用一些特殊敷設環境(如無沙床回填)或者非開挖施工等領域，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建設行業標準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，進行管道鋪設或修復更新的管道工程，材料為具有優異耐慢速裂紋增長(耐應力開裂)性能的PE100管道混配料。
5其他管材
（1）交聯聚乙烯管材
交聯聚乙烯(PEX)是HDPE通過交聯改性的方法，形成三維立體網狀熱固性高分子，得到的管材制品具有耐熱性、耐腐蝕性和耐壓性等，主要應用在熱水輸送和地板采暖等領域。國內執行的標準有GB/T 18992.1-2003《冷熱水用交聯聚乙烯(PE-X)管道系統第1部分:總則》和GB/T18992.2-2003《冷熱水用交聯聚乙烯(PE-X)管道系統第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、膨脹系數大易發生漏水等缺點，在地熱采暖領域主要采用PE-RT管材，目前國內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無污染等優異性能，因此在礦漿輸送、礦井井下充填、電廠粉煤灰輸送、河道清淤輸沙等領域得到了廣泛應用。行業標準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液體以及低溫下的流體。在國內能夠生產UHMWPE管材專用料的企業有很多，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發展建議
隨著國內經濟“雙循環”，國家大力推動水利重大工程建設、城鎮化建設、城市燃氣管材等管網更新改造、農村集中供水和灌溉等基礎設施建設，這些因素為我國PE管材的發展創造了條件。各個石化企業應把握好機遇，建議重點做好以下幾個方面工作:
（1）加大高端催化劑研發力度，推進催化劑國產化進程。催化劑作為聚烯烴生產過程中的核心技術，其性能直接決定終端產品的性能。目前，生產PE-RT管材使用的茂金屬催化劑，對外依存度較高，限制了生產裝置的發展。
（2）開發高性能PE管材料，提高產品附加值。目前，國內PE100級管材料以本色料為主，主要用于承壓給水管材領域，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有著很大的差距和不足，需要進一步加大企業創新力度，實現管材差別化，避免同質競爭，提高企業的市場競爭力。
（3）完善產品質量體系，強化管材專用料的認證工作。在各大PE管材生產企業，下游用戶對于PE管材原料的要求非常嚴格，特別是燃氣管材領域，在保證產品質量穩定的前提下，需要開展國內外權威機構的等級認證，確保產品滿足下游客戶的需求，使國產原料與進口料站在同一科技水平上，同時也為產品的出口做好鋪墊。
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