PE100 级管材专用料的介绍及应用发展

贺蕾蕾(山东阳谷恒泰实业有限公司，山东 聊城 252300)

0 引言

高密度聚乙烯(HDPE) 管材凭借其优异的力学性能、耐化学腐蚀性、无毒无味、质量轻、制造安装费用低、使用寿命长、维修方便等特点，被广泛应用于供水、排水、燃气输送、公路地下通信等领域。PE 管道料经历了从PE63、PE80 到PE100，并向着更高等级PE112 及PE125 方向发展，目前市场上普遍使用的是PE100 级管道料。PE100 是指在20 ℃条件下，PE 管道料在使用50 年后仍能保持10.0 MPa 的最小要求强度。PE100 级管道料继承了普通PE 管道料的性能优点，独特的双峰相对分子质量分布结构使其具有优异的抗快速裂纹扩展能力[1]，适合中低压燃气管、给水管等中高档管材的生产。

1 国内外PE100 级燃气管材专用料

1.1 国外PE100 级燃气管材专用料的发展情况

国内石化企业瞄准了PE100 管材的广阔市场，积极开发高耐压等级的PE100 级管材专用料，近年来已有多套聚乙烯装置投产，但产品大都是以本色料为主，只能用于本色给排水管、工业用管等领域。目前，国内使用的PE100 级燃气管材专用料主要靠进口，以北欧化工(Borealis)、英力士(INEOS)、利安德巴赛尔(LyondellBasell)、沙特基础(Sabic)等国外企业生产的燃气专用料为主。

(1)北欧化工公司。北欧化工公司采用先进的北星双峰(Borstar) 工艺来生产BorSafeTM系列PE 管材专用料，生产的原料质量稳定、加工性能好，韧性好且强度高，在国际市场认可度很高。其中HE 3490-LS管材专用料具有优异的抗熔垂性能，适合大口径厚壁PE 管材的生产。该公司典型的产品还有耐开裂聚乙烯PE100-RC(RC：Resistant to Cracks 耐开裂)，例如HE3492-LS-H(橙色) 和HE3490-LS-H(黑色)。PE100-RC 既保留了PE100 管材的性能和优点，通过双峰聚合工艺技术的优化进一步提高了PE 管道的耐慢速裂纹增长性能(SCG)，特别适合于对PE 原料要求高的新施工方式(如管道无沙回填、非开挖施工、旧管道更新和管道快速敷设)[2]。

(2) 英力士聚烯烃公司。英力士聚烯烃公司采用InnoveneTMS 工艺生产ELTEX®系列PE 管材专用料。产品中典型的PE100 级管材专用料有TUB121N3000(黑色) 和TUB125N2025 (橙色)等[3]。另外，该公司也开发出更耐开裂的PE100-RC 管材专用料，能够耐受裂纹的增长和点载荷，可用于燃气管道的牌号有TUB121N6000(黑色)和TUB125N6000(橙色)。

(3) 利安德巴塞尔工业公司。利安德巴塞尔工业公司采用双峰串联的赫斯特(Hostalen) 工艺生产Hostalen 系列具有优异耐应力开裂和长期静液压性能的PE100 级管材专用料。产品中具有代表性的专用料有CRP 100 black、CRP 100 orange 等。该公司采用先进的ACP 三釜串联聚合工艺，开发出CRP 100 RESIST CR 系列耐开裂聚乙烯专用料，具有优异的耐慢速裂纹增长性能，且有黑色、橙色和蓝色管材专用料可供选择，满足市场需求。

(4)沙特基础工业公司。沙特基础工业公司是全球第三大聚乙烯生产商，生产的用于压力管道的聚乙烯专用料质量稳定，加工性能好。典型的PE100 级管材专用料牌号有P6006(黑色) 和P6006AD(黑色)。此外，SABIC 公司推出了SABIC®Vestolen A RELY系列双峰高密度聚乙烯。其中，SABIC®Vestolen A RELY 5924R(黑色) 具有优秀的低熔垂性能，适于大口径厚壁压力管道的生产。SABIC®Vestolen A RELY 5922R(黑色)耐慢速裂纹增长性能优异，可满足先进的非开挖管道施工对PE 原材料的高要求。

1.2 国内PE100 级燃气管材专用料的发展情况

国内大型石化企业—上海石化公司、独山子石化公司、齐鲁石化公司、燕山石化公司等均已开展PE100级燃气管材专用料的开发工作[4]，已有YGH041T、TUB121N3000B、DGDB2480HBK 及7600MBL 等牌号。目前只有量产的上海石化公司的YGH041T 和独山子石化公司的TUB121N3000B 打入国际黑色燃气专用料市场，采用的工艺分别为Borstar 工艺及InnoveneTMS 双环管淤浆聚合工艺。

1.3 产品性能

将国内外性能优异，得到市场认可的典型的燃气专用料的主要牌号、性能指标汇总，如表1 所示。

表1 国内外典型的PE100 级燃气专用料性能指标

2 PE100+协会认证的原材料质量

为保证PE100 级管材专用料在生产和使用中始终保持最高水平，1999 年，五大管道料生产商联合成立了PE100+协会。PE100+协会引领全球管道料的生产与应用，对产品的检测标准在强度、耐慢速裂纹增长和耐快速裂纹扩展等项目均高于欧洲标准[5]。全球高端燃气、给水管生产商普遍选择与通过该协会认证的管材专用料生产商合作。国内上海石化公司的YGH041T和独山子石化公司的TUB121N3000B 管材专用料先后通过PE100+协会认证，表明了产品的高品质。

PE100+协会检测方法、监测标准要比一般国际标准和国家标准更严格、更苛刻。PE100+协会通过连续监测管道蠕变断裂强度、耐应力开裂性及耐快速裂纹扩展性能这三项关键指标，确保PE100 产品质量始终处于最高水平，具体技术要求见表2。

表2 PE100+协会检测关键技术指标

(1)蠕变断裂强度—内部压力测试。恒温、恒内压试验符合标准ISO 1167《流体输送用热塑性塑料管道系统耐内压性能的测定》。该试验规定了管道系统在恒定温度下对恒定内压的耐受性的测定方法。PE100+协会的测试是在外径110 mm-SDR 11 管道上进行的“水-水”测试。PE100+协会对蠕变断裂强度的要求高于一般国际标准和国家标准。ISO 标准规定PE100材料在20 ℃，12.0 MPa 的测试时间为100 h。在相同测试条件下，PE100+协会对材料的要求增加了1 倍，达到200 h。

(2)耐应力开裂性—管道缺口试验。聚乙烯管材慢速裂纹增长性能是影响管材使用寿命的关键因素。管材慢速裂纹增长导致的破坏特征是管材承受较小的环应力，裂纹经历长时间的增长最终导致管材的破坏[6]，属于典型的脆性破坏。管道在生产、运输以及施工安装等过程中产生的划痕往往成为慢速裂纹扩展的敏感区，导致应力集中，从而引起裂纹逐步增长。管道缺口试验按照ISO 13479 《流体输送用聚烯烃管材耐裂纹扩展的测定—切口管材裂纹慢速增长的试验方法(切口试验)》进行。该试验在管材外表面预制缺陷，模拟了切口管材的裂纹慢速增长，采用切口试样在静液压条件下的破坏时间长短来表征管材耐慢速裂纹增长性能的好坏。

PE100+协会要求PE100 级管材专用料在80 ℃，0.92 MPa 条件下切口管材破坏时间为500 h 以上。现行ISO 标准、国家标准提高了对慢速裂纹增长性能的要求，要求具有大于500 h 的破坏时间。随着聚乙烯管材专用料的发展，现燃气管材、给水管材料可以很好地满足这一性能指标。

(3)耐快速裂纹扩展—S4 试验。聚乙烯管材的快速裂纹扩展(RCP) 现象是指PE 管材受到如建筑施工机械损伤、不规范的焊接等外力，在管内介质(如水、天然气等)的压力作用下，由应力引发裂纹，裂纹沿管长方向以稳定的高速向前扩展的现象[7]。为尽可能地避免PE 管材因快速裂纹扩展引发的破坏，开展PE 管材耐快速裂纹扩展的性能检测工作至关重要。模拟塑料管道快速裂纹扩展现象的小尺寸稳态试验(S4 试验) 按照ISO 13477 《流体输送用热塑性塑料管材耐快速裂纹扩展(RCP)的测定小尺寸稳态试验(S4 试验)》标准进行。该标准规定了一种测定热塑性塑料管材在规定的温度和内压下裂纹终止或裂纹扩展的小尺寸的试验方法。

PE100+ 协会进行的S4 试验选择的是规格为φ110 mm-SDR 11 管材。S4 试验临界压力(PC,S4)定义为低于最低裂纹扩展压力的最高裂纹终止压力。ISO 13477 标准规定耐快速裂纹扩展S4 试验PC,S4≥MOP/2.4-0.072(MPa)。PE100 级φ110 mm-SDR11 燃气用PE 管道的最大工作压力(MOP)为1 MPa，则临界压力PC,S4仅为0.34 MPa。PE100+协会采用S4 试验作为耐快速裂纹扩展性能评价指标，要求比国际标准更为严苛，只有在0 ℃条件下满足PC≥1 MPa 时的原料才有可能被列入PE100+协会的推荐原料名单中。

3 国内PE100 级管材专用料市场机遇及努力方向

随着城镇化建设的快速发展，西气东输，城际天然气新管网的铺设和老城区旧管网的改造在逐年快速推进。2022 年5 月国务院办公厅印发《城市燃气管道等老化更新改造实施方案(2022—2025 年)》，国内燃气管道发展迎来利好消息。国内淡水资源匮乏以及雨污分流、污水治理等政策，也加快了海水净化以及雨污分流、污水处理管网改造的步伐，HDPE 给水管、排水管、排污管等领域具有广阔的应用前景。近年来，国内塑料管道行业得到快速发展，但面临竞争激烈，同质化发展困境。国内石化企业和国外石化企业相比，还存在着一定的差距。国内石化企业应抓住机遇，应对挑战，在科技创新和规模化生产上寻求突破发展，今后努力方向：

(1)加大研发创新力度，实现工艺催化剂的国产化。催化剂是聚乙烯聚合工艺的核心。国内投产的多套聚乙烯装置引进的是国外的聚合工艺及催化剂，催化剂价格相对昂贵。而在聚烯烃催化剂方面，我国的研究水平一直处于世界领先行列。加强政府引导下的产、学、研、用联合技术攻关，加快科技成果转化，早日实现高端催化剂的国产化，提高企业的市场竞争力和经济效益。

(2) 目前我国石化企业生产的PE100 原料以本色料为主，黑色燃气混配料牌号较少；在橙色和蓝色PE100 管材专用料方面还是空白，严重依赖进口，价格较高，制约了我国橙色和蓝色管材专用料的应用。因此建议相关石化企业开发黑色、橙色以及蓝色混配料，避免同质化竞争，满足市场的需求。此外，国产PE100 燃气管材专用料需要强化国内外权威机构的等级认证工作，保证产品质量，加强市场认可度，推动聚乙烯燃气管材专用料国产化。

(3)开发高附加值聚乙烯管材专用料。国外各大原料企业相继开发出具有优异耐慢速裂纹增长性能的耐开裂PE100-RC 管道专用料，适用于非传统管道安装技术。受聚合工艺、催化剂等因素制约，目前我国PE100-RC 管材专用料产量较低，国内PE100-RC 专用料有中沙(天津) 石化PN049RC 和上海石化公司YHG041RC 等[8-9]。此外，需加强低熔垂大口径管材专用料、耐热聚乙烯(PE-RT)管材专用料等高附加值产品的研发生产。国内石化企业注重创新，开发高附加值聚乙烯专用料，且在市场的培育方面加强与管材生产厂家的联系，加大市场开发力度。