PE给水管材和PE燃气管材标准中的重大技术指标及其对比.pdf

聚乙烯压力管标准的若干问题 利士通管路系统有限公司 孙 逊 ?山东胜利股份有限公司塑胶事业部 ?Georg Fischer（+GF+） ?亚大塑料制品有限公司 本报告的组成 ?聚乙烯管道的应用发展 ?聚乙烯给水管标准的若干问题 ?聚乙烯燃气管标准的若干问题 欧洲热塑性塑料塑料管的市场 情况 欧洲热塑性塑料塑料管的市场 情况 欧洲塑料管道总量 ?2000年，在欧洲（15国）塑料管道消耗了260 万吨塑料树脂，占当年欧洲塑料树脂年消耗量 的7% ?菲利普汤森联合公司公布的2001年欧洲热 塑性塑料管研究报告，2000年欧洲管材市场 所消耗的树脂总量为350万吨 ?IAL咨询公司2003年提供的数据，2002年欧洲 （15国）塑料管材市场营业额超过20亿欧元。 欧洲塑料管品种用量（质量）比较（2000年） HDPE/MDPE 29% LDPE 5% XLPE 2% PB 0% PP 5% ABS 0% PVC 59% 欧洲塑料管品种用量(质量)比较(1997年) PVC 60.6% HDPE/MDPE 27.4% XLPE 1.1% PB 0.3% PP 4.9% ABS 0.4% LDPE 5.2% 燃气 饮用水 工业 农业 护套 集中供热 地板采暖 污水/排水管 HDPE/MDPE LDPE XLPE PB PP ABS PVC 0 200,000 400,000 600,000 800,000 1,000,000 1,200,000 用量（T） 应用领域 品种 欧洲塑料管应用（2000年） HDPE/MDPE LDPE XLPE PB PP ABS PVC 2000年欧洲塑料饮用水管类型 HDPE/MDPE 87% LDPE 5% XLPE 3% PB 0% PP 0% ABS 0% PVC 5% 0 10 20 30 40 50 60 70 HDPE/MDPE LDPE XLPE PB PP ABS PVC % 1997 2000 2001年北美塑料管道市场（Walsh consulting Services，Dallas，2002） 2001年美国/加拿大PE管市场(Walsh Consulting,2002) 46% 11% 10% 9% 8% 7% 2% 2% 2% 3% 9% 波纹管 燃气输配 导管 工业/采矿 油气生产 水 排污/排水 农业 管件 其它 全球HDPE管消费量 绿色材料 ?绿色材料指在原料采取、材料制造、使 用或者再循环以及废料处理等环节中对 地球负荷最小和利于人类健康的材料。 塑料的处理 塑料制品 废 塑 料 重复利用 焚烧 废弃 产生热能 聚乙烯管道类型 ?实壁管 PE埋地燃气管PE给水管 PEX冷热水管PEX燃气管 PE-RT冷热水管 超高分子量聚乙烯（超高分子量聚乙烯（UHWPE）管）管 ?结构壁管（PE） ?复合管 IGU1988年 ?采用聚乙烯(PE)为原料的埋地燃气管道 ?质量可靠 ?运行安全 ?维护简便 ?费用经济。 PE燃气管的泄露统计 聚乙烯压力管标准 尺寸 ISO (metric) Europe North Africa South Amerika South East Asia Australia (inch) USA Canada Mexico ASTM (inch) GB Common wealth BSJIS (inch) Japan Korea 标准体系 适应标准统一化趋势 International Standards Organisation Comit Europen de Normalisation (European committee for standardisation)C E N National standards and directives DIN N F ?GB/T 136632000 给水用聚乙烯（PE） 管材 聚乙烯给水管标准的若干问题 ?标准背景 ?长期静液压强度 ?标准化结构设计 ?原料的工艺路线 ?耐慢速裂纹增长 ?耐侯性 ?主要指标评述 ?管材结构 标准背景 长期静液压强度 ?LPL：与20、50年、概率预测97.5% 相应的静液压强度，单位为MPa。 ?GB/T 18252-2000塑料管道系统 用外推 法对热塑性塑料管材长期静液压强度的 测定 ?GB 15558.11995 燃气用埋地聚乙烯 管材:长期静液压强度（20，50年， 95%） 意义 ?设计基础：标准化结构设计、工程设计 ?管材料分级命名基础（ISO 12162） ?综合的性能保障（不绝对） 标准化结构设计 I S O 方 程I S O 方 程桥梁桥梁 ?P为工作压力，P为工作压力， ?Dm为管材的平均直径， 即： Dm为管材的平均直径， 即： ?Dm=（D+d）/2=D-s， D为公称外径，S为公 称壁厚； Dm=（D+d）/2=D-s， D为公称外径，S为公 称壁厚； ?为设计应力。为设计应力。 SDD S P mm / 22 = 原料的工艺路线 混配料 关于色母粒路线 ?分散问题：杂质与应力集中、稳定作用 局部失效、稳定作用效力不高 ?颜色的指示作用 ?质量的保障责任问题 ?标准问题：颜料分散、液压、热稳定 （a）（b） 图2-1 炭黑分散的显微照片（放大64倍） （a）混配料；（b）采用添加色母料挤出管材。 PPR混料工艺管的液压试验 可选择的聚烯烃压力管材料路线 聚烯烃压力管原材料的性能要 求 ?有明确的等级命名 独立第三方 文件 ?满足相关标准的要求 ?关键性能： 良好的耐应力开裂性（SCG，PE) 氧化稳定性 耐快速裂纹扩展( RCR,PE) ?良好的加工性与焊接性能 ?其他：工艺路线，粒子尺寸等 聚烯烃管验收检验的难点 ?液压试验的问题 产生的原因 ?可能的解决办法 依据标准 打印材料牌号：示踪 其他试验：稳定性试验、分散试验 耐慢速裂纹增长 切口管试验（NPT） 密封 端帽 剩余壁厚位置 沿圆周均布的四条“V”形切口 图NPT试验试样 NPT的试验设计 ?管子表面切口的目的是造成平面应变三轴应力 状态，以促进裂纹的引发和增长。 ?选择四条切口是因为四条切口可使压力试验时 的应力应变更均衡，可减小试验数据的离散。 ?切口在管外壁上，使是内壁保持完整；因为内 壁的残余抗张应力最大，压力试验时，该应力 与内压导致的环向应力叠加。 ?约20%的切口深度是考虑到施工安装中可能造 成的最大的破坏。 ISO/TC138/SC4 :循环试验 ?该试验对于不同材料的性能表现有比较明显的区分； 对于一种第一代HDPE材料制造的管子试验，八个试验 室平行试验的结果表明破坏时间没有超过100h。该种 材料在七十年代早期以前使用，现在已不用于燃气管 和供水管。而一种PE 80级的HDPE和一种MDPE管均远 超过此值。 ?严格试验程序可明显改进不同试验室间结果的再现性， NPT试验的精度较高，因为切口尖端作为裂纹的引发 位置，消除了裂纹引发位置的随意性和变化很大的酝 酿时间。所以严格试验程序很好地改善了NPT试验的 再现性和精度，使之成为评价PE管材和管材料SCG性 能的一个有效手段。 ?NPT试验比较好地反映了管子制造过程中加工参数的 变化，因而该试验也是一个非常好的质量控制试验方 法。 英国科学家Beech对此进行了详细的研究。 PE100检验程序 NPT NPT在GB/T 136632000中的 结局 耐侯性 聚烯烃常用的光稳定措施 ?加入炭黑及抗氧剂。 ?激发态猝灭剂（如有机镍络合物）与紫 外线吸收剂并用。 ?采用受阻胺（HALS）类光稳定剂。 聚乙烯管材的户外曝晒老化方 法 ?ISO 46071978“塑料自然气候曝露 试验方法” ?GB /T36811983 塑料自然气候曝露试 验方法进行。 ?管材试样曝晒表面面向赤道并与水平面 成45。 不含炭黑聚乙烯管的耐侯性要 求 管材曝露在户外，积累接受至少3.5GJ/ 太阳能后，应满足 ?1）在80，4.6MPa环向应力下，进行 管材的静液压强度试验，165h不破坏； ?2)取自曝晒一侧试样的断裂伸长率不应 小于350； ?3) 取自管材老化表面试样的氧化诱导时 间（200）至少为10min”。 最大公称外径1000mm 大口径聚乙烯实壁管目前？ ?国外 ?国内： 应力集中 氧化降解 内应力控制 管材性能要求比较 与使用条件有关的定义 ?公称压力（PN）：本标准中公称压力PN 相当于管材在20时的最大工作压力， 单位为MPa。 ?最大工作压力(MOP)：管道系统中允许连 续使用的流体的最大有效压力，单位为 MPa。 系统/管线部件压力关系图 CJJ 101-2004 选用管材设计内水压力应是管道系统正常 工作压力1.5倍。一般应选用1.0MPa、 1.60MPa等级的管材。 聚乙烯燃气管标准的若干问题 ?标准背景 ?适用范围 ?“总体使用（设计）系数”和“设计应力” ?耐快速裂纹扩展（RCP） ?水分含量 为什么要修订GB 15558.1-1995 ?口径 ?压力 ?材料等级 ?SCG ?RCP 城镇燃气输送压力分级 名称压力（Mpa） A4.0P6.4 B2.5P4.0 高压燃气管道 C 1.6P2.5 A 0.8P1.6次高压燃气管道 B 0.4P0.8 A 0.2P0.4中压燃气管道 B0.005P0.2 低压燃气管道P0.005 10bar的燃气管 德国PE 100燃气管应用 ?90年代：开始使用（传统规范）( 4 bar) ?1997年：SDR 17 4bar ?1997年：钢管内衬 5.6 bar ?1998年：7 & 8 bar 代替16 bar钢管:费 用节约64 % ?1998年：SDR11 10 bar DVGW 472 PE 80PE100 171bar4bar 114bar10bar SDR SDR PE燃气管压力设计 ?产品标准与设计规范 ?CJJ63-95 ?GB50028 ?建议：两步校核法 MOP10bar 应用规范：燃气 ?ISO/TS 10839 Polyethylene pipes and fittings for the supply of gaseous fuels-Code of practice for design, handling and installation ?DVGW G 472 Gas pipe system up to 10 bar operating pressure made from polyethylene (PE 80, PE 100 und PE-Xa) establishment ?GB50028-93 城镇燃气设计规范 （2002年版） 应用规范：燃气 ?EN 12007-1:2000 Gas supply systems - Pipelines for maximum operating pressure up to and including 16 bar - Part 1: General functional recommendations ?EN 12007-2:2000 Gas supply systems - Gas pipelines for maximum operating pressure up to and including 16 bar - Part 2: Specific functional recommendations for polyethylene (MOP up to and including 10 bar) ?CJJ 63-95 聚乙烯燃气管道工程技术规程 适用范围 ?在输送人工煤气和液化石油气时，应考 虑燃气中存在的其他组分在一定浓度下 对管材性能的不利影响 EN 1555-1:2002 (E) ： gaseous fuel ?any fuel which is in gaseous state at a temperature of 15 C, at the atmospheric pressure 什么是快速裂纹扩展（RCP） ?管道的快速开裂是指在管道偶然发生开 裂时，裂纹以几百米/秒的速度迅速增长， 瞬间造成几十米甚至上千米管道破坏的 大事故。 Steel pipe 25 mm thick wall Re: BG Corp RCP initiation pipe Re: ADVANTICA IrwinCorten公式 2/1 ) 8 ( 1 D EG SDR p D c = Becetel Full Scale test site (up to 630 mm) Pneumatic device for the initiation of brittle crack S4 test rigs (up to 900 mm) 全尺寸与小尺寸试验 ?全尺寸（FS）试验 ?小尺寸（S4）试验 ?ISO 4437：pc/ pcs4=3.6 ?pc=3.6 pcs4+2.6 对PE燃气管RCP的认识 ?实际应用中从没有发生过； ?试验过程中产生过； ?发生几率非常低不可抗力； ?研究动力：灾难性后果及学术价值 ?已存在一些有效的设计控制方法 ?研究尚有许多不明之处，认识的混乱 ?对标准的尊重 RCP的安全区域 压 力 温度 开裂扩展 开裂止裂 临界 压力 临界 温度 开裂止裂 ISO 4437：1997 ?RCP试验适合于在以下条件下使用的PE管材： 最大工作压力MOP0.01MPa,dn250 mm 的输配系统； 最大工作压力MOP0.4MPa,dn90 mm的输 配系统； 对于恶劣的工作条件（如温度在0以下），也 建议做RCP试验。 ?如果S4试验结果不符合要求，可以按照全尺寸 试验重新进行测试，以全尺寸试验的结果作为 最终依据。 ISO 4437：1997 全 尺 寸 （ FS） 试 验： dn250 mm 或 S4试验： 适用于所 有直径 MPa MPa 全 尺 寸 试 验 的临界压力 pC， FS1.5MOP S4 试 验 的 临 界压力 pC,S4MOP/2 .4-0.0724） 0 0 RCP准则校核 ?校核前提 最大工作压力MOP0.01MPa,dn250 mm的输配系统； 最大工作压力MOP0.4MPa,dn90 mm的输配系统； 对于恶劣的工作条件（如温度在0以 下），也建议做RCP试验。 pC，FS1.5MOP 最大工作压力（bar）/总体使用 （设计）系数 的校核 C2 标准化的C并不包含DF DF=f0f1f2f3f4f5 ?介质（f0）：天然气（ 1.0）、LPG（1.1） ?管形状（f1） ：直管（ 1.0）、盘管（ 1.2） ?土壤温度（f2） ：-10/0（ 1.2）、0/20（ 1.0） ?应用（f3） ：配气（ 1.0）、输气（ 0.9） ?RCP （f4） ： 1.0（？） ?人口密度（f5） ：空旷区（ 0.9）、居民区 （ 1.05）、工业区（ 1.2） 水分含量 ?ASTM D 4019：1994a 通过五氧化二磷 的库仑再生测定塑料中水分的试验方法 ?EN 12118, Plastics piping systems Determination of moisture content in thermoplastics by coulometry. ?ISO 15512, Plastics Determination of water content 谢 谢 ！