高性能聚氯乙烯管道的发展与需求

高长全，勾 迈，王迎涛，周少鹏

（河北建投宝塑管业有限公司，河北 保定 071000）

1 概述

硬聚氯乙烯管材（以下简称PVC管材）在世界范围内的发展至今已有70多年的历史，中国从上世纪五十年代开始研发和生产，上世纪八十年代以来通过引进和消化国外先进设备和技术，促进了中国PVC管道业的快速发展，目前已成为中国主要的塑料管道品种，其产量占中国塑料管道总产量的50%左右，年生产量预计达到650万t。就中国现状而言，PVC树脂生产主要采用电石法，符合中国缺少石油资源的基本现状。而且由于PVC价格适中，强度远高于聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）材料，具有很高的性价比。

与PE和PP需要焊接相比，由于PVC管道采用承插连接和粘合剂粘接方式，施工速度快，效率高，安装成本低。所以在塑料管道发展初期，PVC管道在建筑给排水、室外给排水、护套管、农业、化工等领域得到广泛应用。

PVC优点突出，缺点也同样明显，主要体现在：

（1）韧性差。特别是在低温时，抗冲击性明显降低。

（2）产品质量参差不齐。企业自主设计配方，生产和加工难度较PE、PP大。有很多企业由于技术力量薄弱，装备落后，其生产的管材达不到标准要求。更有些企业在生产时为了降低成本，大量填充碳酸钙，使管材性能大幅降低，远低于标准要求。

（3）市场信心不足。施工现场对管材的拖拉、抛摔、不规范的回填施工导致本就韧性不足的PVC管道在工程中特别是给水工程中出现各种不确定性，使设计者和使用者对PVC管道在供水和配水工程中的使用失去信心，妨碍了PVC管道的推广应用。

尽管PVC管道存在韧性不足等缺点，但是国内外经验证明，PVC管道只要按标准生产、设计合理、规范施工，其仍不失为一个利国利民的好产品。而且韧性不足的缺点可以通过物理或化学改性得以克服。近年来国内开发的PVC-M管材就是通过在配方中添加抗冲改性剂，通过工艺调整，使PVC管材的常温抗冲击性得以大幅度提高。但是PVC-M管材同样存在着明显不足：（1）低温抗冲击性改善不够。（2）真假难辨，经多年研究，真正能体现PVC-M管材特点的是20 m高速冲击试验，只有通过了这项试验，又符合其他指标要求时，才能认为改性达到预期效果，才可以提高设计应力，减薄壁厚，否则不能称其为PVC-M管材。（3）PVC-M管材尽管韧性得到改善，但材料强度并未提高。因此国内外学者、生产企业、研究机构将更多的精力投入到开发在强度、韧性都得到提高或改善的新一代PVC管道产品—PVC-O管材。

2 拉伸自增强工艺技术

通过双向拉伸或单向拉伸自增强工艺技术，将待成型材料在同一平面内沿一个方向或两个垂直方向拉伸，改变材料的微观结构，使分子链或链段沿拉伸方向有序排列，使各向同性材料变为各向异性材料。微观上分子沿拉伸方向取向，宏观上改善或提高聚合物材料的光、声、电、物理和机械性能。拉伸一般在材料的玻璃化温度和熔融温度之间的任意温度下进行，一般在维卡软化点附近。温度太低分子链处于冻结状态难以流动，拉伸力大容易拉断分子链，造成材料破坏；拉伸温度高材料流动性好，拉伸力小，取向度难以保持，材料取向程度低，性能改善有限。因此拉伸温度是取向成型的重要控制参数之一。由于拉伸技术可以有效地改善材料的性能，通过拉伸技术制得的产品与日常生活息息相关，如吹塑膜，香烟包装膜（BOPP），PVC-O 管材，纤维及制品，中空制品，饮料瓶等。

2.1 高抗冲耐压PVC-O管材

PVC属于非结晶无定型聚合物，非常适合于取向加工。但是由于PVC管材壁厚较厚，而且PVC分子结构中的氯原子的存在，加大了分子间作用力，加工时物料流动性差，取向加工拉伸力大、难度高。

PVC-O取向管材的研制始于上世纪七十年代，据文献记载，1974年英国约克郡塑料公司首先研制成功。PVC-O管材于上世纪八十年代初形成规模化生产，后来澳大利亚威尼德斯、尤波诺公司、法国阿尔法康公司、荷兰瓦云公司、西班牙莫里克公司等著名管道制造商相继开发生产出PVC-O管材。

PVC-O管材的生产工艺分为一步法和两步法生产，一步法又称在线（in-line）工艺。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）连续地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。两步法又称离线（off-line）工艺或分批（In batch）工艺，其特点是将挤出厚料胚和双向拉伸取向分两步进行。取向是将挤出成型并已经冷却的PVC-U管材段（厚料胚）放在模具内，通过加热和加压膨胀到要求尺寸来实现的。

目前PVC-O管材材料的MRS等级最高达到500级。一步法和两步法的生产工艺技术目前均有采用，二者优缺点对比见表1。

表1 一步法和两步法的生产工艺技术优缺点比较

2014年各种塑料管道产量达到1 300万t/a，PVC管道产量预计达到650万t/a，但是在PVC压力管道生产技术上与国外先进国家相比仍有不小的差距，特别是取向PVC-O管材的生产。

中国的四川大学、北京化工大学等科研院校尽管进行PVC-O管材研究多年，至今仍停留在两步法试验研究阶段，难以进行商业化生产。国外公司技术虽然成熟，但是设备和技术转让费太高，国内企业难以承受，迫使我们必须进行自主研发。

河北建投宝塑管业有限公司是一个具有几十年PVC管道生产与研发经验的创新型公司，该公司继2006年在国内率先开发出PVC-M管材后，于2014年又在国内率先系统推出PVC-M管材的升级换代产品——PVC-O管材。这是该公司技术团队集几十年的PVC管道生产经验和对PVC-O生产技术十几年的潜心研究所取得的丰硕成果。采取一步法生产技术，通过模拉法可生产PVC-O 400级的取向管材，产品各项指标达到或超过国际标准ISO 16422的相关要求，其独特的结构赋予了产品特殊的性能。

2.2 PVC-O规格与性能

（1）规格尺寸见表 2。

表2 规格尺寸表

（2）原料及产品的物理性能见表3。

表3 物理、力学性能

PVC-O管材与管配件的系统适用性见表4。

表4 系统适用性

2.3 产品特性

PVC-O管材除具有传统PVC、PE管材质量轻、安装方便、不结垢、内壁光滑、水力性能好、耐各种酸碱盐的腐蚀、寿命长等优点外，由于其特殊的成型工艺，赋予产品独特的片状分层结构和特殊的长期使用性能。

（1）优越的抗冲击性

PVC-O管材分子双轴取向而形成的网状结构，为管材带来无与伦比的抗冲击性能，这意味着在管线安装、试水乃至运行过程中，由于外物冲击碰撞而形成的破坏降至最低。

（2）更高的输水能力

PVC-O管材的材料强度与PVC-U和PE管材相比更高，使用相同压力下的同口径管材的壁厚更薄，输水能力提高20%～30%，见表5。

表5 常用塑料管道比较

PVC-O管材采用内定径成型工艺，使产品的内壁更加光滑，粗糙率更低，水力性能更加优异，输水量更大。

（3）更高的刚度

特殊的取向成型工艺，赋予PVC-O管材更高的刚度（弹性模量），根据弹性模量与环刚度，环刚度与负压性能的关系，见式1、式2，当环刚度≥4 kPa时，管材能够抵抗极端条件下出现的压屈失稳现象。

式中：Scalc计算的初始环刚度，kN/m2；

E弹性模量：管材材料等级为355及以上，E＝4.0×106kN/m2；

式中：Pcr无支撑下出现压屈失稳的临界压力，kPa；ν泊松比（0.45）。

（4）更长的使用寿命

特殊的取向结构（片状分层结构）避免了传统PVC、PE管材快速开裂和慢速裂纹增长的风险，使管材长期运行更安全，更可靠，免维护或少维护，使用寿命更长，长期寿命可达100年。裂纹终止示意图及管材的片状分层分别见图1、图2。

（5）更高的抗水锤冲击能力

水锤冲击压力计算公式如下：

式中：P—水锤压力，MPa；S—水锤波速，m/s；V—水流速度，m/s；g—重力加速度，m/s2。

图1 裂纹终止示意图

图2 管材的片状分层

图3 抗水锤性能比较

由式（3）可知，水锤波速S越大，则水锤压力越高，而水锤波速S与管材的弹性模量有关，与管径和管壁厚度有关。管材弹性模量小，管径大，壁厚薄，均可使水锤波速减小，也就使水锤压力减小，抗水锤性能比较见图3。

（6）优异的耐低温性能

特殊的取向结构，使PVC-O管材具有优异的耐低温性能。在-20℃的抗冲性能仍优于PVC-U管材常温下抗冲性能，耐温性能比较见图4。

该公司按照ISO 16422中对管材的0℃落锤冲击性能的要求，进行加严试验，取试验温度为-25℃进行试验，试验管段无任何变形或破裂，而PVC-U管材在0℃下按ISO 16422的标准要求进行落锤冲击性能试验，管材全部破裂。0℃下PVC-U管材和PVC-O管材的试验技术要求见表6。

（7）环保性最佳

就输送饮用水的管道材料而言，PVC-O管材是最节能的一个，每3 m管段耗能828 kWh，CO2排放最少，排放CO2363 kg。

传统PVC管材每3 m管段耗能1 041 kW·h，排放CO2452 kg。

HDPE管材，能量消耗1 055 kW·h，CO2排放454 kg；即较传统PVC高1.3%和0.4%。

未添加再生料的球铁管能量消耗和二氧化碳排放很多，每3 m管段耗能1 620 kW·h，有681 kg二氧化碳排放到空气中。

图4 耐低温性能比较

表6 锤头质量和冲击高度

2.4 施工规程

PVC-O管材的施工参考中华人民共和国国家标准GB 50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》和中国工程建设标准化协会标准《埋地双轴取向硬聚氯乙烯（PVC-O）管道工程技术规程》。需要重点注意以下几点。

（1）产品存放环境温度不超过60℃。

（2）长期使用温度不超过50℃。

（3）管材与管材/管件连接宜采用柔性接口连接，与其它材质的管材宜采用法兰连接。

（4）当输水温度≥25℃时，应对最大允许工作压力进行折减。当输水温度不同时，应按表7给出的不同温度对应的折减系数（ft）修正工作压力。

用折减系数乘以公称压力得到最大允许工作压力。

表7 不同温度的折减系数

（5）同样的输水量下，可以选择更小的管材口径。

（6）管配件可以选择PVC-U注塑管件、球磨铸铁管件和钢塑管件等柔性接口连接件。

2.5 检测报告

（1）卫生性能。PVC-O管材的卫生安全性能符合《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》的要求。

（2）物理力学性能。PVC-O管材的物理力学性能符合国际标准ISO 16422：2014《带压给水用双轴取向硬聚氯乙烯（PVC-O）管材及连接件》的要求。

（3）材料的MRS定级测试。材料定级示意图见图5。

图5 材料定级

3 新型PVC（PVC-O）管材对PVC树脂的需求

3.1 传统PVC管材对PVC树脂的要求

PVC树脂的重要应用领域之一是生产PVC管材（件），用量不低于树脂总消耗量的三分之一，这些产品包括输水、供配水管；建筑排水、排污；室外排水、排污；化工领域流体输送管；护套管；农业灌溉用管等。

在这些应用领域尤以压力管材对树脂性能提出了更高的要求，依据国内外相关标准的规定：

（1）生产PVC压力输水管材的原料应是PVC-U的混配料，混配料应该主要由PVC树脂构成，只加入为生产符合标准要求的管材所必需的添加剂，所有添加剂应分散均匀。

（2）按照 GB/T 3401（ISO1628-2）进行测试，选用的PVC树脂的K值不小于64。

（3）按照 GB/T 8802（ISO2507）进行测试时混配料的维卡软化温度应不低于80℃。

（4）混配料应按照 GB/T18252（ISO9080）进行定级，评定为PVC-250。

（5）如果输送或可能接触生活饮用水时，材料的卫生性能应符合GB/T17219和《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》的要求。

3.2 新型PVC（PVC-O）管材对PVC树脂的需求

PVC管道应用，考验的是管道的综合性能，要求耐内压强度、耐外压强度（耐负压性能）、耐冲击强度等性能共同保持在较高水平，管道才具有较长的使用寿命。

PVC-U混配料应适应PVC管道更新换代的发展要求，在提升管道综合性能，延长管道使用寿命方面进行创新。

同时还应满足管道加工工艺的要求，和挤出机械的适用性强，耗能低、挤出量高，加工成型工艺简单，对挤出工艺工程师的依赖降低，使管道性能稳定。

作为PVC管道加工企业，希望PVC树脂生产企业有针对性地开发压力管道专用料并制定相关标准。

（1）建议专用料应基于PVC-O管材生产对树脂的较高要求进行开发，这样既可以满足PVC-O管材的生产也可以满足传统PVC-U管材和PVC-M管材的生产，当然也可以针对PVC-M管材对抗冲击性的特殊要求开发专用料。

（2）专用料宜按照相关标准进行定级，评定为PVC-250.

（3）虽然树脂中残留氯乙烯单体5×10-6能满足生产饮用水管的要求，但基于生产环境环保的要求，建议专用料的单体残留在1×10-6以下。

（4）杂质和鱼眼可能是引发PVC-O生产过程中扩张开裂和PVC管使用过程中慢速裂纹增长的诱因之一，建议作出更严格的规定，至少符合优等品的要求。

（5）综合国外标准的相关要求和实际经验，专用料的K值不宜小于66。

（6）由于在线PVC-O管材生产至少要进行三次加热-冷却过程，除配方的必要调整外，树脂的热稳定性至关重要，建议开发稳定性能更好的PVC树脂，以减少稳定剂用量利于加工和管道的卫生指标符合要求。

（7）专用料应有较高的增塑剂吸收量（或多孔性），以利于加工过程的凝胶化，同时为保证生产效率，专用料的表观密度又不宜过度降低。

（8）专用料样条的拉伸强度不低于48 MPa。

综上所述：专用料的开发宜以SG-5优等品的技术指标为基础，针对PVC-O管材加工特点，对影响加工和制品长期使用性能的关键技术指标进行必要的调整，并最终按GB/T 18252（ISO9080）进行材料定级试验，确定材料等级为PVC-250。

4 结语

提高PVC管材的综合性能，使之在工程应用中更安全可靠、寿命更长，需要生产工艺的创新（实施主体在PVC管道加工企业），更加需要PVC树脂的性能提高和标准化（实施主体在聚氯乙烯树脂生产企业）。

中国对PVC树脂的需求是巨大的，通过开发高性能树脂，不仅可以使树脂企业和加工企业获利，还将增强这些企业的竞争力。同时，必将促进PVC行业的发展。