李连鹏1，孙大勇2，赵胜利3
（1.中国石油吉林石化公司 研究院.吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司北方公司.吉林 吉林 132022；3.中国石油吉林石化公司 质量检验中心中部质检一车间.吉林 吉林 132021）
摘要：本文介绍了聚乙烯(PE)管材的优点和应用领域，从承压给水管材、燃气管材、耐热聚乙烯管材、耐开裂聚乙烯管材等方面详细介绍了相关的生产情况和标准，并结合国内未来的产业政策，提出了我国PE管材的发展方向。
关键词：聚乙烯；管材；耐热聚乙烯；耐开裂聚乙烯
聚乙烯(PE)是由乙烯均聚或者与α-烯烃共聚而成的高分子化合物，是通用合成树脂中应用最为广泛的品种之一。由于PE具有良好的耐化学腐蚀性能、化学稳定性能好和优异的电绝缘性能等，因此广泛的应用在石油化工、市政工程、农业生产以及建筑行业等领域。近几年来，随着国内煤化工项目和炼化一体化项目得投产，PE产能得到快速释放，2022年国内PE总产能已经超过3000万吨。
于PE管材在耐化学腐蚀性能、耐热和耐低温性能、焊接性能、对输送介质无污染、制造安装费用低以及使用寿命长等方面具有突出的优越性，成为PE树脂下游主要消费领域之一。2022年2月国务院办公厅转发发改委《关于加快推进城镇环境基础设施建设指导意见的通知》，提出“新增和改造污水收集管网8万公里”。2022年6月，国务院办公厅发布了《城市燃气管道等老化更新改造实施方案(2022-2025年)》，提出了“2025年底前，基本完成城市燃气管道等老化更新改造任务。2023年7月，发改委、环境部、住建部三部门发布了《环境基础设施建设水平提升行动( 2023-2025年)》，提出到2025年新增和改造污水收集管网4.5万公里。这些对于PE管材今后的发展创造了良好的战略机遇。
PE管材下游主要应用在建筑和市政建设的给排水及采暖、农业给排水以及灌溉用管、排污和工业流体介质输送、燃气管材、电力通信护套管等，其中给水管、燃气管和地暖管是目前应用较大的领域[1-2]。
1承压给水管材
常PE管材的分级方法按照GB/T 18252-2020《塑料管道系统用外推法确定热塑性塑料材料以管材形式的长期静液压强度》和GB/T 18475-2001《热塑性塑料压力管材和管件用材料分级和命名总体使用(设计)系数》，根据最小要求强度(MRS)将PE管材分为PE63,PE80,PE100,PE112和PE125等级别。目前，国内石化企业主要生产PE100级和PE80级管材(如表1所示)。
表1 国内主要给水PE管材用树脂生产情况
从表1可以看出，国内生产PE100级管材料所采用的生产工艺以Hostalen淤浆工艺和Hostalen ACP淤浆工艺为主，PE80级管材料生产的企业相对较少[3-4]。扬子石化公司开发的高密度聚乙烯管材专用料YEM-4902T，获得了国际权威检测机构瑞典Bodycote实验室的PE112等级认证，是国内第一家获得PE112等级认证的产品。对于PE给水管材，国内主要执行GB/T 13663.1-2017《给水用聚乙烯(PE)管道系统第1部分:总则》和GB/T 13663.2-2018《给水用聚乙烯(PE)管道系统第2部分:管材》标准，在这两个标准中主要针对PE80级和PE100级管材制定了相关标准，删除了原有的PE63级管材分级和命名。
在生产大口径PE管材时(通常DN≥800mm)，由于管材壁厚较大，因此冷却固化时的速度慢，在重力作用下熔体下垂即熔垂效应，导致管材下面壁厚大，上面壁厚小，生产的管材不能满足使用要求。国内的一些生产企业，根据大口径PE管材结构的特点，通过对聚合生产工艺条件的优化，开发了适合生产大口径PE管材的专用树脂[5-6]，取得了非常好的效果（如表2所示）。
表2 国内大口径PE管材用树脂生产情况
2燃气管材
PE燃气管材主要应用于城镇中低压埋地气管材领域，由于涉及到燃气的安全输送和使用，因此对原料要求非常严格。根据国家标准GB 15558.1-2015《燃气用埋地聚乙烯(PE）管道系统第1部分:管材》要求，生产燃气用埋地聚乙烯管材的原料应采用混配料，该标准是强制性国家标准。
在国内，为了促进聚乙烯燃气管道市场的健康发展，2008年在中国城市燃气协会指导下，由北京燃气集团、香港中华煤气有限公司(包括港华燃气)发起，成都城市燃气有限责任公司、广州燃气集团、深圳市燃气集团参与，组成了燃气企业聚乙烯(PE)输配系统质量控制合作小组(以下简称"G5+合作小组”)。该组织借鉴了国际相关技术标准及管理经验，制定了一系列严格的相关产品技术要求，明确了其所有的供应商向其提供的原料必须为指定原料，而进人其指定原料目录的全部为混配料。
在欧洲，为了保证在生产和使用PE100树脂时，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+协会，该协会对专用树脂有更高的性能要求，在PE压力管道行业具有重要影响。该联盟认证的树脂每隔7个月就蠕变破坏强度、耐慢速裂纹增长、耐快速裂纹扩展三个性能重复测试一次，通过认证的产品代表着当今PE压力管道专用料的最高水平，全球高端燃气生产商均把欧洲PE100+协会产品目录作为原料供应商的准入门槛。在我国虽然上海石化公司、齐鲁石化公司、扬子石化公司和独山子石化公司均进行过聚乙烯燃气混配料的开发工作，但是长期量产的只有上海石化公司的YUH041T和独山子石化公司的TUI3121N3000I3(如表3所示)，这两种混配料分别在2015年和2017年入选PE100+协会产品目录[7]。
表3国内燃气PE管材用树脂生产情况
3耐热聚乙烯管材
热聚乙烯(PE-RT)是一种采用齐格勒-纳塔催化剂或者茂金属催化剂，进行乙烯与共聚单体α-烯烃共聚得到的中密度聚乙烯(MDPE)或者高密度聚乙烯(HDPE），其中共聚单体α-烯烃包括1-丁烯、1-己烯及1-辛烯，国内主要以1-丁烯和1-己烯为主(如表4所示)。PE-RT由于分子结构的改进，使其在高温条件下仍具有良好的耐环境应力开裂性能和耐静液压强度，因此该类产品主要用于冷热水输送管、地面辐射采暖系统以及在油田集输油领域等领域[8-15]。
表4 国内PE-RT管材用树脂生产情况
在国内，PE-RT管材主要标准有GB/T 28799.1-2020《冷热水用耐热聚乙烯（PE-RT）管道系统第1部分：总则》和GB/T 28799.2-2020《冷热水用耐热聚乙烯（PE-RT）管道系统第2部分：管材》。标准中将PE-RT管材分为PE-RTI型和PE-RTII型管材，其中PE-RTII型管材在110℃以下各个温度条件下静液压曲线不能出现拐点。国内市场上典型的PE-RTI型管材专用料齐鲁石化的QHM22F、大庆石化公司的DQDN3711和独山子石化公司的DGDZ3606等，PE-RTII型管材专用料有中沙(天津)石化公司的PN049-030-122RTII和兰州石化公司的mPE3010等。
4耐开裂聚乙烯管材
耐开裂聚乙烯(PE100-RC)是一种具有高抗慢速裂纹增长的PE100材料，在全缺口蠕变试验(FNCT)测试条件下，其耐慢速裂纹增长时间超过8760h。PE100-RC继承了PE管材的技术优点，并可用于管道更新、非开挖安装和管道快速敷设技术，可以降低管材施工难度，大大降低施工费用。在我国生产PE100-RC树脂的企业相对较少，具体情况如表5所示[16-19]。
表5 国内PE-RT管材用树脂生产情况
在国家标准GB 15558.1-2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第一部分:管材》附录D和GB/T 13663.2-2018《给水用聚乙烯(PE)管道系统第2部分:管材》附录D中，推荐采用一些特殊敷设环境(如无沙床回填)或者非开挖施工等领域，可能需要采用具有高耐慢速裂纹增长性能PE100混配料。同时，中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T358-2019《非开挖工程用聚乙烯管》明确了非开挖工程为在地表少开挖或不开挖的情况下，进行管道铺设或修复更新的管道工程，材料为具有优异耐慢速裂纹增长(耐应力开裂)性能的PE100管道混配料。
5其他管材
（1）交联聚乙烯管材
交联聚乙烯(PEX)是HDPE通过交联改性的方法，形成三维立体网状热固性高分子，得到的管材制品具有耐热性、耐腐蚀性和耐压性等，主要应用在热水输送和地板采暖等领域。国内执行的标准有GB/T 18992.1-2003《冷热水用交联聚乙烯(PE-X)管道系统第1部分:总则》和GB/T18992.2-2003《冷热水用交联聚乙烯(PE-X)管道系统第2部分:管材》。由于PEX管材不能用热熔焊接的方法连接和修复、膨胀系数大易发生漏水等缺点，在地热采暖领域主要采用PE-RT管材，目前国内主要由中国石化燕山石化公司采用三井CX淤浆聚合工艺生产的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、自润滑、耐冲击和对输送介质无污染等优异性能，因此在矿浆输送、矿井井下充填、电厂粉煤灰输送、河道清淤输沙等领域得到了广泛应用。行业标准QB/T 2668.1-2017《超高分子量聚乙烯管材》对UHMWPE管材进行了分类，该标准规定的管材适用于输送浆体、粉体、颗粒状固体、水、45℃以下某些腐蚀性化学液体以及低温下的流体。在国内能够生产UHMWPE管材专用料的企业有很多，其中典型牌号有辽阳石化的PZUH2600/PZUH2300以及北京燕化高科公司的GKO1/GK02/GK03等[21-22]。
6发展建议
随着国内经济“双循环”，国家大力推动水利重大工程建设、城镇化建设、城市燃气管材等管网更新改造、农村集中供水和灌溉等基础设施建设，这些因素为我国PE管材的发展创造了条件。各个石化企业应把握好机遇，建议重点做好以下几个方面工作:
（1）加大高端催化剂研发力度，推进催化剂国产化进程。催化剂作为聚烯烃生产过程中的核心技术，其性能直接决定终端产品的性能。目前，生产PE-RT管材使用的茂金属催化剂，对外依存度较高，限制了生产装置的发展。
（2）开发高性能PE管材料，提高产品附加值。目前，国内PE100级管材料以本色料为主，主要用于承压给水管材领域，用于燃气管材的混配料大部分需要国外进口。同时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还与国外石化企业有着很大的差距和不足，需要进一步加大企业创新力度，实现管材差别化，避免同质竞争，提高企业的市场竞争力。
（3）完善产品质量体系，强化管材专用料的认证工作。在各大PE管材生产企业，下游用户对于PE管材原料的要求非常严格，特别是燃气管材领域，在保证产品质量稳定的前提下，需要开展国内外权威机构的等级认证，确保产品满足下游客户的需求，使国产原料与进口料站在同一科技水平上，同时也为产品的出口做好铺垫。
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