燃气用埋地PE管材混配料的性能要求及发展

摘 要

摘要：比较了GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010对燃气用埋地PE管材混配料性能要求的差异，建议对GB 15558.1—2003进行修订。对混配料的合理选用
摘要：比较了GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010对燃气用埋地PE管材混配料性能要求的差异，建议对GB 15558.1—2003进行修订。对混配料的合理选用及应用发展进行了探讨。
关键词：燃气用埋地聚乙烯管材；混配料；炭黑
Performance Requirements and Development of Buried PE Gas Pipe Mix Ingredient
LU Peifeng，ZOU Lijun，PAN Hao，LIU Wei，SHANG Fenling
Abstract：The different performance requirements for buried PE gas pipe mix ingredient in GB 15558.1—2003，IS0 4437：2007 and EN 1555.1—2010 are compared.It is suggested that GB 15558.1—2003 should be amended.The reasonable selection and application development of buried PE gas pipe mix ingredient are discussed.
Key words：buried PE gas pipe；mix ingredient：carbon black
    燃气用埋地PE管材(以下简称PE管材)混配料，是指能够满足PE管材产品标准对混配料的物理化学性能、力学性能、热性能等指标的要求，尤其耐慢速裂纹增长(SCG)性能和耐快速裂纹扩展(RCP)性能优异，用于生产使用寿命可达50年的PE管材的专用原料。
    近年来，在混配料生产企业的不断研发创新与市场应用需求的相互推动下，混配料生产企业的产能和规模不断扩大，市场应用迅猛发展，客观形势要求相关国家标准应随之更新和发展。现行国家标准GB 15558.1—2003《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》的制定依据(国际标准ISO 4437)已发生了较大变化，更新为2007版，ISO 4437：2007《燃气用埋地聚乙烯管材-公制系列-规范》在总结实践经验和研究成果的基础上，对混配料的性能提出了更高的要求。欧洲标准EN 1555.1《燃气用塑料管道系统-聚乙烯(PE)-第1部分总则》也更新为2010版。本文对GB 15558.1—2003与IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010对混配料性能要求的差异进行分析。
1 对混配料的性能要求
1.1 对混配料以颗粒形式的性能要求
    ① 密度
    GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007均要求控制基础树脂的密度≥930kg/m3，而EN 1555.1—2010则要求混配料的密度≥930kg/m3，这是基于PE管材生产企业获得的仅是混配料，为便于生产企业验证混配料性能而修订的。
   ② 熔体质量流动速率(MFR)
   GB 15558.1—2003、EN 1555.1—2010对MFR的要求为：0.02～0.14g/min，且最大偏差不超过混配料标称值的±20%。IS0 4437：2007要求：最大偏差取混配料生产商标称值的±20%或±0.01g/min，取其中最大值。尤其是对于MFR较低的PE100混配料，其典型的MFR通常小于0.05g/min，大多在0.03g/min左右。典型值0.03g/min变动±20%后，变化区间为[0.024，0.036]，该变化区间小于按±0.01g/min计算的变化区间[0.02，0.04]。由此可见，IS0 4437：2007的衡量指标有所放宽。
    特别值得注意的是，对于混配料生产企业声明的标称值，只要生产工艺没有重大改变，这个值就应该是一个相对固定的，能够反映混配料MFR平均水平的值，不应随意变动。
    通过对标称值变化情况的评价，PE管材生产企业可直观地判断出每批}昆配料的生产稳定状况及质量波动情况。
    一旦混配料生产工艺发生重大改变，混配料生产企业则应进行有关型式试验，并主动向PE管材生产企业提供型式试验报告。同时，PE管材生产企业一旦发现并确认混配料MFR的检测值超出了标准要求的波动范围，则应要求混配料生产企业提供有关型式试验报告，以确认混配料是否仍然适用于PE管材的生产。
    ③ 炭黑分散度的外观等级和炭黑粒径
    GB 15558.1—2003仅规定炭黑分散度不大于3级，而IS0 4437：2007还要求炭黑在混配料中分散足够均匀、无明显堆积或空缺，达到评价分散表观等级的显微照片中示出的A1、A2、A3、B级(A1、A2、A3、B级是对炭黑分散均匀程度的表观量度，是炭黑分散度自最佳级别依次降低的一个量度)且炭黑粒径应满足10～25nm。从而避免因炭黑粒径不当或分散不均匀，导致PE管材应力集中甚至局部失效。
    虽然炭黑粒径越小，比表面积越大，吸收紫外线的能力越强，但越难分散均匀且越易吸潮，易导致PE管材表面粗糙。当干燥处理效果不理想时，易在PE管材内部形成空洞从而影响外观和性能。
    IS0 4437：2007明确将对炭黑粒径的要求作为评价混配料是否合格的指标之一，虽然EN 1555.1—2010也有要求，但是未将其作为评判混配料合格与否的控制指标。
1.2 对混配料以管材形式的性能要求
    GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010要求对混配料制成的PE管材进行型式试验以确认混配料性能，混配料性能与PE管材生产企业的生产设备和工艺技术条件的匹配性，以及混配料性能是否有效传递到了产品中，以确保对相关标准要求的充分满足和燃气用埋地PE管道系统的本质安全。
   ① 混配料定级
   虽然GB 15558.1—2003要求混配料按照GB/T 18475《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》进行定级和命名，且要求达到PE80或PE100等级，但IS0 4437：2007对定级试验的温度选取与数据取舍提出了更加细致具体的要求。
   IS0 4437：2007要求按照IS0 9080：2003《塑料管道和导管系统-用外推法以管材形式测定热塑性塑料的长期静液压强度》进行定级试验。定级试验要求的温度分别为20、80℃，且要求在80℃的长期强度试验的回归曲线上，5000h内不能出现拐点，这是对PE管材在50年寿命内不产生脆性破坏的有力保障。
    由于混配料的定级试验是对混配料基础性能的确认，因此非常重要。为此，PE管材生产企业应首先取得有关混配料的定级报告，验证其定级试验数据是否满足要求，随后才是依据有关标准对混配料的性能要求确认其具体性能。只有全部性能都满足标准要求，才是合格的混配料。
    ② 定级范围的扩展
    G13 15558.1—2003根据GB/T 18475，仅将10.00MPa≤σLCL≤11.19MPa的混配料归为PE100。GB 15558.1—2003将置信下限σLCL定义为：在内部水压下、20℃、50年的预测的长期静液压强度的97.5%置信下限，而对σLCL大于11.20MPa的混配料没有进行定级。IS0 4437：2007将σLCL≥10.00MPa的混配料都归为PE100，这在聚乙烯合成技术迅速发展的形势下，为混配料的推广应用提供了依据。
    ③ SCG
    混配料优异的SCG性能，对于确保燃气用埋地PE管道系统的长期寿命十分重要。以壁厚大于5mm的PE管材为试样进行SCG性能试验，GB 15558.1—2003要求破坏时间≥165h，IS0 4437：2007则要求破坏时间≥500h，两种标准的试验条件一致。
    考虑到施工过程对PE管材的划伤，以及施工现场很难保证规定的安装环境，IS0 4437：2007提高了对PE管材韧性的要求，以克服不良安装条件对燃气用埋地PE管道系统寿命的影响，也为采用非开挖施工提供了更好的产品质量保障。
   ④ 耐候性
   耐候性是检测混配料以PE管材形式抗阳光照射不良影响的能力，由此决定混配料及产品的储存条件及储存期。为准确判断气候老化对管材试样的影响，GB 15558.1—2003要求PE管材生产企业就非黑色管道制品进行耐候性检测，而IS0 4437：2007则要求混配料生产企业检测并证明其混配料满足耐候性要求，后者符合科学合理、经济高效原则。
    GB 15558.1—2003要求对经辐照度为3.5GJ/m2太阳能曝晒后的管材试样进行热稳定性、静液压强度(80℃，破坏时间≥165h)、断裂伸长率检测。而IS0 4437：2007要求进行断裂伸长率、静液压强度(80℃，破坏时间≥1000h)、曝晒后管材的电熔熔接性能检测。为确保混配料及PE管材耐候性，IS0 4437：2007改变了原来通过检测PE管材的热稳定性来衡量其抗氧化性能，调整为检测曝晒后PE管材的电熔熔接性能，以重点判断混配料以管材形式的耐候性。
1.3 小结
   综上所述，GB 15558.1—2003对混配料及PE管材的要求还停留在较低水平，客观形势迫切需要国家标准随着混配料技术和市场应用的发展不断完善。与IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010相比，GB 15558.1—2003主要表现在对MFR、炭黑分散度的外观等级评价和炭黑粒径、混配料定级、SCG、耐候性的要求上有较大差距，不利于更加有效地确保燃气用埋地PE管道系统的本质安全与长期寿命，不能很好地指导PE管材生产企业对混配料的合理选用。
2 混配料的合理选用
    标准对混配料及制品提出的各项性能指标要求，不能割裂开来去理解，应针对混配料的各种特性和相关要求，进行全面综合评估。依据标准要求，混配料不仅应符合以颗粒形式的性能要求，还要符合以管材形式的性能要求和以电熔熔接形式的兼容性要求。仅以混配料的定级结果或仅以某一项检测结果合格来说明其性能和使用寿命得到了保障是不对的，必须结合其他项目的检测结果来判断。只有通过全项目的型式试验证明混配料的相关性能已达到标准要求，方可应用于燃气输配领域。
    显然，本文涉及标准列明的要求都是对混配料的最低要求。作为PE管材生产企业，在选用混配料时，不能仅停留在GB 15558.1—2003要求的水平上，而应更多关注国内外行业的发展趋势，以超前的意识、高度负责的态度，以最大限度保障燃气用埋地PE管道系统本质安全和长期寿命的理念，综合控制并正确选用混配料，将潜在质量风险降到最低，杜绝一切安全隐患。
    通常，对混配料的选用可从以下3方面入手：①根据产品类别、应用条件等筛选混配料牌号，然后查看该牌号混配料定级数据的准确性和有效性，确认是否达到了PE80或PE100等级。②检查型式试验报告的完整性。以前瞻性的思路审查型式试验报告是否已包含较严格标准的各项性能指标，且无缺项和遗漏。③验证混配料的适用性。制取试件，按照标准试验验证，并与混配料生产企业提供的型式试验报告对比，以确保混配料及其制品的性能满足相关要求，确保本质安全。
3 混配料的应用与发展现状
    当前，国内市场上应用的混配料主要从国际上大型混配料生产企业进口，截至2010年10月，国际上获得PE100+协会认证的混配料牌号有来自北欧化工、博禄、道达尔石化、英力士、利安德巴塞尔、普瑞曼、沙特、SCG石化的共计15个牌号。国际上采用黄色或橙色混配料取代高性能黑色混配料的情况越来越普遍。虽然国内大型石化企业和科研机构在密切关注混配料技术发展趋势的同时，努力加快混配料及其催化剂的研制，并取得了一定进展，但能够满足要求的生产企业少，存在着混配料牌号少、质量性能不稳定等问题。
 
(本文作者：卢培丰1 邹丽君1 潘浩1 刘伟2 尚粉玲3 1.上海乔治费歇尔亚大塑料管件制品有限公司 上海 201708；2.上海亚大塑料制品有限公司 上海 201708；3.上海亚大汽车塑料制品有限公司 上海 201708)