賀蕾蕾(山東陽(yáng)谷恒泰實(shí)業(yè)有限公司，山東 聊城 252300)

0 引言

高密度聚乙烯(HDPE) 管材憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性、無(wú)毒無(wú)味、質(zhì)量輕、制造安裝費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)、維修方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于供水、排水、燃?xì)廨斔?、公路地下通信等領(lǐng)域。PE 管道料經(jīng)歷了從PE63、PE80 到PE100，并向著更高等級(jí)PE112 及PE125 方向發(fā)展，目前市場(chǎng)上普遍使用的是PE100 級(jí)管道料。PE100 是指在20 ℃條件下，PE 管道料在使用50 年后仍能保持10.0 MPa 的最小要求強(qiáng)度。PE100 級(jí)管道料繼承了普通PE 管道料的性能優(yōu)點(diǎn)，獨(dú)特的雙峰相對(duì)分子質(zhì)量分布結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的抗快速裂紋擴(kuò)展能力[1]，適合中低壓燃?xì)夤堋⒔o水管等中高檔管材的生產(chǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外PE100 級(jí)燃?xì)夤懿膶Ｓ昧?/h2>

1.1 國(guó)外PE100 級(jí)燃?xì)夤懿膶Ｓ昧系陌l(fā)展情況

國(guó)內(nèi)石化企業(yè)瞄準(zhǔn)了PE100 管材的廣闊市場(chǎng)，積極開(kāi)發(fā)高耐壓等級(jí)的PE100 級(jí)管材專用料，近年來(lái)已有多套聚乙烯裝置投產(chǎn)，但產(chǎn)品大都是以本色料為主，只能用于本色給排水管、工業(yè)用管等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)使用的PE100 級(jí)燃?xì)夤懿膶Ｓ昧现饕窟M(jìn)口，以北歐化工(Borealis)、英力士(INEOS)、利安德巴賽爾(LyondellBasell)、沙特基礎(chǔ)(Sabic)等國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)的燃?xì)鈱Ｓ昧蠟橹鳌?/p>

(1)北歐化工公司。北歐化工公司采用先進(jìn)的北星雙峰(Borstar) 工藝來(lái)生產(chǎn)BorSafeTM系列PE 管材專用料，生產(chǎn)的原料質(zhì)量穩(wěn)定、加工性能好，韌性好且強(qiáng)度高，在國(guó)際市場(chǎng)認(rèn)可度很高。其中HE 3490-LS管材專用料具有優(yōu)異的抗熔垂性能，適合大口徑厚壁PE 管材的生產(chǎn)。該公司典型的產(chǎn)品還有耐開(kāi)裂聚乙烯PE100-RC(RC：Resistant to Cracks 耐開(kāi)裂)，例如HE3492-LS-H(橙色) 和HE3490-LS-H(黑色)。PE100-RC 既保留了PE100 管材的性能和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)雙峰聚合工藝技術(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步提高了PE 管道的耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能(SCG)，特別適合于對(duì)PE 原料要求高的新施工方式(如管道無(wú)沙回填、非開(kāi)挖施工、舊管道更新和管道快速敷設(shè))[2]。

(2) 英力士聚烯烴公司。英力士聚烯烴公司采用InnoveneTMS 工藝生產(chǎn)ELTEX?系列PE 管材專用料。產(chǎn)品中典型的PE100 級(jí)管材專用料有TUB121N3000(黑色) 和TUB125N2025 (橙色)等[3]。另外，該公司也開(kāi)發(fā)出更耐開(kāi)裂的PE100-RC 管材專用料，能夠耐受裂紋的增長(zhǎng)和點(diǎn)載荷，可用于燃?xì)夤艿赖呐铺?hào)有TUB121N6000(黑色)和TUB125N6000(橙色)。

(3) 利安德巴塞爾工業(yè)公司。利安德巴塞爾工業(yè)公司采用雙峰串聯(lián)的赫斯特(Hostalen) 工藝生產(chǎn)Hostalen 系列具有優(yōu)異耐應(yīng)力開(kāi)裂和長(zhǎng)期靜液壓性能的PE100 級(jí)管材專用料。產(chǎn)品中具有代表性的專用料有CRP 100 black、CRP 100 orange 等。該公司采用先進(jìn)的ACP 三釜串聯(lián)聚合工藝，開(kāi)發(fā)出CRP 100 RESIST CR 系列耐開(kāi)裂聚乙烯專用料，具有優(yōu)異的耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能，且有黑色、橙色和藍(lán)色管材專用料可供選擇，滿足市場(chǎng)需求。

(4)沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司。沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司是全球第三大聚乙烯生產(chǎn)商，生產(chǎn)的用于壓力管道的聚乙烯專用料質(zhì)量穩(wěn)定，加工性能好。典型的PE100 級(jí)管材專用料牌號(hào)有P6006(黑色) 和P6006AD(黑色)。此外，SABIC 公司推出了SABIC?Vestolen A RELY系列雙峰高密度聚乙烯。其中，SABIC?Vestolen A RELY 5924R(黑色) 具有優(yōu)秀的低熔垂性能，適于大口徑厚壁壓力管道的生產(chǎn)。SABIC?Vestolen A RELY 5922R(黑色)耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能優(yōu)異，可滿足先進(jìn)的非開(kāi)挖管道施工對(duì)PE 原材料的高要求。

1.2 國(guó)內(nèi)PE100 級(jí)燃?xì)夤懿膶Ｓ昧系陌l(fā)展情況

國(guó)內(nèi)大型石化企業(yè)—上海石化公司、獨(dú)山子石化公司、齊魯石化公司、燕山石化公司等均已開(kāi)展PE100級(jí)燃?xì)夤懿膶Ｓ昧系拈_(kāi)發(fā)工作[4]，已有YGH041T、TUB121N3000B、DGDB2480HBK 及7600MBL 等牌號(hào)。目前只有量產(chǎn)的上海石化公司的YGH041T 和獨(dú)山子石化公司的TUB121N3000B 打入國(guó)際黑色燃?xì)鈱Ｓ昧鲜袌?chǎng)，采用的工藝分別為Borstar 工藝及InnoveneTMS 雙環(huán)管淤漿聚合工藝。

1.3 產(chǎn)品性能

將國(guó)內(nèi)外性能優(yōu)異，得到市場(chǎng)認(rèn)可的典型的燃?xì)鈱Ｓ昧系闹饕铺?hào)、性能指標(biāo)匯總，如表1 所示。

表1 國(guó)內(nèi)外典型的PE100 級(jí)燃?xì)鈱Ｓ昧闲阅苤笜?biāo)

2 PE100+協(xié)會(huì)認(rèn)證的原材料質(zhì)量

為保證PE100 級(jí)管材專用料在生產(chǎn)和使用中始終保持最高水平，1999 年，五大管道料生產(chǎn)商聯(lián)合成立了PE100+協(xié)會(huì)。PE100+協(xié)會(huì)引領(lǐng)全球管道料的生產(chǎn)與應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)在強(qiáng)度、耐慢速裂紋增長(zhǎng)和耐快速裂紋擴(kuò)展等項(xiàng)目均高于歐洲標(biāo)準(zhǔn)[5]。全球高端燃?xì)?、給水管生產(chǎn)商普遍選擇與通過(guò)該協(xié)會(huì)認(rèn)證的管材專用料生產(chǎn)商合作。國(guó)內(nèi)上海石化公司的YGH041T和獨(dú)山子石化公司的TUB121N3000B 管材專用料先后通過(guò)PE100+協(xié)會(huì)認(rèn)證，表明了產(chǎn)品的高品質(zhì)。

PE100+協(xié)會(huì)檢測(cè)方法、監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要比一般國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格、更苛刻。PE100+協(xié)會(huì)通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)管道蠕變斷裂強(qiáng)度、耐應(yīng)力開(kāi)裂性及耐快速裂紋擴(kuò)展性能這三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，確保PE100 產(chǎn)品質(zhì)量始終處于最高水平，具體技術(shù)要求見(jiàn)表2。

表2 PE100+協(xié)會(huì)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

(1)蠕變斷裂強(qiáng)度—內(nèi)部壓力測(cè)試。恒溫、恒內(nèi)壓試驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)ISO 1167《流體輸送用熱塑性塑料管道系統(tǒng)耐內(nèi)壓性能的測(cè)定》。該試驗(yàn)規(guī)定了管道系統(tǒng)在恒定溫度下對(duì)恒定內(nèi)壓的耐受性的測(cè)定方法。PE100+協(xié)會(huì)的測(cè)試是在外徑110 mm-SDR 11 管道上進(jìn)行的“水-水”測(cè)試。PE100+協(xié)會(huì)對(duì)蠕變斷裂強(qiáng)度的要求高于一般國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PE100材料在20 ℃，12.0 MPa 的測(cè)試時(shí)間為100 h。在相同測(cè)試條件下，PE100+協(xié)會(huì)對(duì)材料的要求增加了1 倍，達(dá)到200 h。

(2)耐應(yīng)力開(kāi)裂性—管道缺口試驗(yàn)。聚乙烯管材慢速裂紋增長(zhǎng)性能是影響管材使用壽命的關(guān)鍵因素。管材慢速裂紋增長(zhǎng)導(dǎo)致的破壞特征是管材承受較小的環(huán)應(yīng)力，裂紋經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)最終導(dǎo)致管材的破壞[6]，屬于典型的脆性破壞。管道在生產(chǎn)、運(yùn)輸以及施工安裝等過(guò)程中產(chǎn)生的劃痕往往成為慢速裂紋擴(kuò)展的敏感區(qū)，導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而引起裂紋逐步增長(zhǎng)。管道缺口試驗(yàn)按照ISO 13479 《流體輸送用聚烯烴管材耐裂紋擴(kuò)展的測(cè)定—切口管材裂紋慢速增長(zhǎng)的試驗(yàn)方法(切口試驗(yàn))》進(jìn)行。該試驗(yàn)在管材外表面預(yù)制缺陷，模擬了切口管材的裂紋慢速增長(zhǎng)，采用切口試樣在靜液壓條件下的破壞時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)表征管材耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能的好壞。

PE100+協(xié)會(huì)要求PE100 級(jí)管材專用料在80 ℃，0.92 MPa 條件下切口管材破壞時(shí)間為500 h 以上?，F(xiàn)行ISO 標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提高了對(duì)慢速裂紋增長(zhǎng)性能的要求，要求具有大于500 h 的破壞時(shí)間。隨著聚乙烯管材專用料的發(fā)展，現(xiàn)燃?xì)夤懿?、給水管材料可以很好地滿足這一性能指標(biāo)。

(3)耐快速裂紋擴(kuò)展—S4 試驗(yàn)。聚乙烯管材的快速裂紋擴(kuò)展(RCP) 現(xiàn)象是指PE 管材受到如建筑施工機(jī)械損傷、不規(guī)范的焊接等外力，在管內(nèi)介質(zhì)(如水、天然氣等)的壓力作用下，由應(yīng)力引發(fā)裂紋，裂紋沿管長(zhǎng)方向以穩(wěn)定的高速向前擴(kuò)展的現(xiàn)象[7]。為盡可能地避免PE 管材因快速裂紋擴(kuò)展引發(fā)的破壞，開(kāi)展PE 管材耐快速裂紋擴(kuò)展的性能檢測(cè)工作至關(guān)重要。模擬塑料管道快速裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象的小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)(S4 試驗(yàn)) 按照ISO 13477 《流體輸送用熱塑性塑料管材耐快速裂紋擴(kuò)展(RCP)的測(cè)定小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)(S4 試驗(yàn))》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種測(cè)定熱塑性塑料管材在規(guī)定的溫度和內(nèi)壓下裂紋終止或裂紋擴(kuò)展的小尺寸的試驗(yàn)方法。

PE100+ 協(xié)會(huì)進(jìn)行的S4 試驗(yàn)選擇的是規(guī)格為φ110 mm-SDR 11 管材。S4 試驗(yàn)臨界壓力(PC,S4)定義為低于最低裂紋擴(kuò)展壓力的最高裂紋終止壓力。ISO 13477 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定耐快速裂紋擴(kuò)展S4 試驗(yàn)PC,S4≥MOP/2.4-0.072(MPa)。PE100 級(jí)φ110 mm-SDR11 燃?xì)庥肞E 管道的最大工作壓力(MOP)為1 MPa，則臨界壓力PC,S4僅為0.34 MPa。PE100+協(xié)會(huì)采用S4 試驗(yàn)作為耐快速裂紋擴(kuò)展性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，要求比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛，只有在0 ℃條件下滿足PC≥1 MPa 時(shí)的原料才有可能被列入PE100+協(xié)會(huì)的推薦原料名單中。

3 國(guó)內(nèi)PE100 級(jí)管材專用料市場(chǎng)機(jī)遇及努力方向

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，西氣東輸，城際天然氣新管網(wǎng)的鋪設(shè)和老城區(qū)舊管網(wǎng)的改造在逐年快速推進(jìn)。2022 年5 月國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《城市燃?xì)夤艿赖壤匣赂脑鞂?shí)施方案(2022—2025 年)》，國(guó)內(nèi)燃?xì)夤艿腊l(fā)展迎來(lái)利好消息。國(guó)內(nèi)淡水資源匱乏以及雨污分流、污水治理等政策，也加快了海水凈化以及雨污分流、污水處理管網(wǎng)改造的步伐，HDPE 給水管、排水管、排污管等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)塑料管道行業(yè)得到快速發(fā)展，但面臨競(jìng)爭(zhēng)激烈，同質(zhì)化發(fā)展困境。國(guó)內(nèi)石化企業(yè)和國(guó)外石化企業(yè)相比，還存在著一定的差距。國(guó)內(nèi)石化企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，在科技創(chuàng)新和規(guī)?；a(chǎn)上尋求突破發(fā)展，今后努力方向：

(1)加大研發(fā)創(chuàng)新力度，實(shí)現(xiàn)工藝催化劑的國(guó)產(chǎn)化。催化劑是聚乙烯聚合工藝的核心。國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的多套聚乙烯裝置引進(jìn)的是國(guó)外的聚合工藝及催化劑，催化劑價(jià)格相對(duì)昂貴。而在聚烯烴催化劑方面，我國(guó)的研究水平一直處于世界領(lǐng)先行列。加強(qiáng)政府引導(dǎo)下的產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，加快科技成果轉(zhuǎn)化，早日實(shí)現(xiàn)高端催化劑的國(guó)產(chǎn)化，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 目前我國(guó)石化企業(yè)生產(chǎn)的PE100 原料以本色料為主，黑色燃?xì)饣炫淞吓铺?hào)較少；在橙色和藍(lán)色PE100 管材專用料方面還是空白，嚴(yán)重依賴進(jìn)口，價(jià)格較高，制約了我國(guó)橙色和藍(lán)色管材專用料的應(yīng)用。因此建議相關(guān)石化企業(yè)開(kāi)發(fā)黑色、橙色以及藍(lán)色混配料，避免同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，滿足市場(chǎng)的需求。此外，國(guó)產(chǎn)PE100 燃?xì)夤懿膶Ｓ昧闲枰獜?qiáng)化國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)的等級(jí)認(rèn)證工作，保證產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)市場(chǎng)認(rèn)可度，推動(dòng)聚乙烯燃?xì)夤懿膶Ｓ昧蠂?guó)產(chǎn)化。

(3)開(kāi)發(fā)高附加值聚乙烯管材專用料。國(guó)外各大原料企業(yè)相繼開(kāi)發(fā)出具有優(yōu)異耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能的耐開(kāi)裂PE100-RC 管道專用料，適用于非傳統(tǒng)管道安裝技術(shù)。受聚合工藝、催化劑等因素制約，目前我國(guó)PE100-RC 管材專用料產(chǎn)量較低，國(guó)內(nèi)PE100-RC 專用料有中沙(天津) 石化PN049RC 和上海石化公司YHG041RC 等[8-9]。此外，需加強(qiáng)低熔垂大口徑管材專用料、耐熱聚乙烯(PE-RT)管材專用料等高附加值產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)石化企業(yè)注重創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)高附加值聚乙烯專用料，且在市場(chǎng)的培育方面加強(qiáng)與管材生產(chǎn)廠家的聯(lián)系，加大市場(chǎng)開(kāi)發(fā)力度。