賀蕾蕾(山東陽谷恒泰實業(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、無毒無味、質(zhì)量輕、制造安裝費用低、使用壽命長、維修方便等特點，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PE112 及PE125 方向發(fā)展，目前市場上普遍使用的是PE100 級管道料。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 級管道料繼承了普通PE 管道料的性能優(yōu)點，獨特的雙峰相對分子質(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 國內(nèi)外PE100 級燃?xì)夤懿膶Ｓ昧?/h2>

1.1 國外PE100 級燃?xì)夤懿膶Ｓ昧系陌l(fā)展情況

國內(nèi)石化企業(yè)瞄準(zhǔn)了PE100 管材的廣闊市場，積極開發(fā)高耐壓等級的PE100 級管材專用料，近年來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，國內(nèi)使用的PE100 級燃?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，在國際市場認(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)品還有耐開裂聚乙烯PE100-RC(RC：Resistant to Cracks 耐開裂)，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，通過雙峰聚合工藝技術(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步提高了PE 管道的耐慢速裂紋增長性能(SCG)，特別適合于對PE 原料要求高的新施工方式(如管道無沙回填、非開挖施工、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 級管材專用料有TUB121N3000(黑色) 和TUB125N2025 (橙色)等[3]。另外，該公司也開發(fā)出更耐開裂的PE100-RC 管材專用料，能夠耐受裂紋的增長和點載荷，可用于燃?xì)夤艿赖呐铺栍蠺UB121N6000(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)力開裂和長期靜液壓性能的PE100 級管材專用料。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，開發(fā)出CRP 100 RESIST CR 系列耐開裂聚乙烯專用料，具有優(yōu)異的耐慢速裂紋增長性能，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 級管材專用料牌號有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)耐慢速裂紋增長性能優(yōu)異，可滿足先進(jìn)的非開挖管道施工對PE 原材料的高要求。

1.2 國內(nèi)PE100 級燃?xì)夤懿膶Ｓ昧系陌l(fā)展情況

國內(nèi)大型石化企業(yè)—上海石化公司、獨山子石化公司、齊魯石化公司、燕山石化公司等均已開展PE100級燃?xì)夤懿膶Ｓ昧系拈_發(fā)工作[4]，已有YGH041T、TUB121N3000B、DGDB2480HBK 及7600MBL 等牌號。目前只有量產(chǎn)的上海石化公司的YGH041T 和獨山子石化公司的TUB121N3000B 打入國際黑色燃?xì)鈱Ｓ昧鲜袌?，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

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

表1 國內(nèi)外典型的PE100 級燃?xì)鈱Ｓ昧闲阅苤笜?biāo)

2 PE100+協(xié)會認(rèn)證的原材料質(zhì)量

為保證PE100 級管材專用料在生產(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。PE100+協(xié)會引領(lǐng)全球管道料的生產(chǎn)與應(yīng)用，對產(chǎn)品的檢測標(biāo)準(zhǔn)在強(qiáng)度、耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴(kuò)展等項目均高于歐洲標(biāo)準(zhǔn)[5]。全球高端燃?xì)?、給水管生產(chǎn)商普遍選擇與通過該協(xié)會認(rèn)證的管材專用料生產(chǎn)商合作。國內(nèi)上海石化公司的YGH041T和獨山子石化公司的TUB121N3000B 管材專用料先后通過PE100+協(xié)會認(rèn)證，表明了產(chǎn)品的高品質(zhì)。

PE100+協(xié)會檢測方法、監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)要比一般國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格、更苛刻。PE100+協(xié)會通過連續(xù)監(jiān)測管道蠕變斷裂強(qiáng)度、耐應(yīng)力開裂性及耐快速裂紋擴(kuò)展性能這三項關(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)要求見表2。

表2 PE100+協(xié)會檢測關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

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

(2)耐應(yīng)力開裂性—管道缺口試驗。聚乙烯管材慢速裂紋增長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)歷長時間的增長最終導(dǎo)致管材的破壞[6]，屬于典型的脆性破壞。管道在生產(chǎn)、運輸以及施工安裝等過程中產(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。管道缺口試驗按照ISO 13479 《流體輸送用聚烯烴管材耐裂紋擴(kuò)展的測定—切口管材裂紋慢速增長的試驗方法(切口試驗)》進(jìn)行。該試驗在管材外表面預(yù)制缺陷，模擬了切口管材的裂紋慢速增長，采用切口試樣在靜液壓條件下的破壞時間長短來表征管材耐慢速裂紋增長性能的好壞。

PE100+協(xié)會要求PE100 級管材專用料在80 ℃，0.92 MPa 條件下切口管材破壞時間為500 h 以上?，F(xiàn)行ISO 標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)提高了對慢速裂紋增長性能的要求，要求具有大于500 h 的破壞時間。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。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，開展PE 管材耐快速裂紋擴(kuò)展的性能檢測工作至關(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(S4 試驗) 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)的測定小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(S4 試驗)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種測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)展的小尺寸的試驗方法。

PE100+ 協(xié)會進(jìn)行的S4 試驗選擇的是規(guī)格為φ110 mm-SDR 11 管材。S4 試驗臨界壓力(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PC,S4≥MOP/2.4-0.072(MPa)。PE100 級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)會采用S4 試驗作為耐快速裂紋擴(kuò)展性能評價指標(biāo)，要求比國際標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛，只有在0 ℃條件下滿足PC≥1 MPa 時的原料才有可能被列入PE100+協(xié)會的推薦原料名單中。

3 國內(nèi)PE100 級管材專用料市場機(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 月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《城市燃?xì)夤艿赖壤匣赂脑鞂嵤┓桨?2022—2025 年)》，國內(nèi)燃?xì)夤艿腊l(fā)展迎來利好消息。國內(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，國內(nèi)塑料管道行業(yè)得到快速發(fā)展，但面臨競爭激烈，同質(zhì)化發(fā)展困境。國內(nèi)石化企業(yè)和國外石化企業(yè)相比，還存在著一定的差距。國內(nèi)石化企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，應(yīng)對挑戰(zhàn)，在科技創(chuàng)新和規(guī)模化生產(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，實現(xiàn)工藝催化劑的國產(chǎn)化。催化劑是聚乙烯聚合工藝的核心。國內(nèi)投產(chǎn)的多套聚乙烯裝置引進(jìn)的是國外的聚合工藝及催化劑，催化劑價格相對昂貴。而在聚烯烴催化劑方面，我國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，早日實現(xiàn)高端催化劑的國產(chǎn)化，提高企業(yè)的市場競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 目前我國石化企業(yè)生產(chǎn)的PE100 原料以本色料為主，黑色燃?xì)饣炫淞吓铺栞^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，價格較高，制約了我國橙色和藍(lán)色管材專用料的應(yīng)用。因此建議相關(guān)石化企業(yè)開發(fā)黑色、橙色以及藍(lán)色混配料，避免同質(zhì)化競爭，滿足市場的需求。此外，國產(chǎn)PE100 燃?xì)夤懿膶Ｓ昧闲枰獜?qiáng)化國內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)的等級認(rèn)證工作，保證產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)市場認(rèn)可度，推動聚乙烯燃?xì)夤懿膶Ｓ昧蠂a(chǎn)化。

(3)開發(fā)高附加值聚乙烯管材專用料。國外各大原料企業(yè)相繼開發(fā)出具有優(yōu)異耐慢速裂紋增長性能的耐開裂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PE100-RC 管材專用料產(chǎn)量較低，國內(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)。國內(nèi)石化企業(yè)注重創(chuàng)新，開發(fā)高附加值聚乙烯專用料，且在市場的培育方面加強(qiáng)與管材生產(chǎn)廠家的聯(lián)系，加大市場開發(fā)力度。