燃氣用埋地PE管材混配料的性能要求及發展

摘 要

摘要：比較了GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010對燃氣用埋地PE管材混配料性能要求的差異，建議對GB 15558.1—2003進行修訂。對混配料的合理選用
摘要：比較了GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010對燃氣用埋地PE管材混配料性能要求的差異，建議對GB 15558.1—2003進行修訂。對混配料的合理選用及應用發展進行了探討。
關鍵詞：燃氣用埋地聚乙烯管材；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
    燃氣用埋地PE管材(以下簡稱PE管材)混配料，是指能夠滿足PE管材產品標準對混配料的物理化學性能、力學性能、熱性能等指標的要求，尤其耐慢速裂紋增長(SCG)性能和耐快速裂紋擴展(RCP)性能優異，用于生產使用壽命可達50年的PE管材的專用原料。
    近年來，在混配料生產企業的不斷研發創新與市場應用需求的相互推動下，混配料生產企業的產能和規模不斷擴大，市場應用迅猛發展，客觀形勢要求相關國家標準應隨之更新和發展。現行國家標準GB 15558.1—2003《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》的制定依據(國際標準ISO 4437)已發生了較大變化，更新為2007版，ISO 4437：2007《燃氣用埋地聚乙烯管材-公制系列-規范》在總結實踐經驗和研究成果的基礎上，對混配料的性能提出了更高的要求。歐洲標準EN 1555.1《燃氣用塑料管道系統-聚乙烯(PE)-第1部分總則》也更新為2010版。本文對GB 15558.1—2003與IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010對混配料性能要求的差異進行分析。
1 對混配料的性能要求
1.1 對混配料以顆粒形式的性能要求
    ① 密度
    GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007均要求控制基礎樹脂的密度≥930kg/m3，而EN 1555.1—2010則要求混配料的密度≥930kg/m3，這是基于PE管材生產企業獲得的僅是混配料，為便于生產企業驗證混配料性能而修訂的。
   ② 熔體質量流動速率(MFR)
   GB 15558.1—2003、EN 1555.1—2010對MFR的要求為：0.02～0.14g/min，且最大偏差不超過混配料標稱值的±20%。IS0 4437：2007要求：最大偏差取混配料生產商標稱值的±20%或±0.01g/min，取其中最大值。尤其是對于MFR較低的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變動±20%后，變化區間為[0.024，0.036]，該變化區間小于按±0.01g/min計算的變化區間[0.02，0.04]。由此可見，IS0 4437：2007的衡量指標有所放寬。
    特別值得注意的是，對于混配料生產企業聲明的標稱值，只要生產工藝沒有重大改變，這個值就應該是一個相對固定的，能夠反映混配料MFR平均水平的值，不應隨意變動。
    通過對標稱值變化情況的評價，PE管材生產企業可直觀地判斷出每批}昆配料的生產穩定狀況及質量波動情況。
    一旦混配料生產工藝發生重大改變，混配料生產企業則應進行有關型式試驗，并主動向PE管材生產企業提供型式試驗報告。同時，PE管材生產企業一旦發現并確認混配料MFR的檢測值超出了標準要求的波動范圍，則應要求混配料生產企業提供有關型式試驗報告，以確認混配料是否仍然適用于PE管材的生產。
    ③ 炭黑分散度的外觀等級和炭黑粒徑
    GB 15558.1—2003僅規定炭黑分散度不大于3級，而IS0 4437：2007還要求炭黑在混配料中分散足夠均勻、無明顯堆積或空缺，達到評價分散表觀等級的顯微照片中示出的A1、A2、A3、B級(A1、A2、A3、B級是對炭黑分散均勻程度的表觀量度，是炭黑分散度自最佳級別依次降低的一個量度)且炭黑粒徑應滿足10～25nm。從而避免因炭黑粒徑不當或分散不均勻，導致PE管材應力集中甚至局部失效。
    雖然炭黑粒徑越小，比表面積越大，吸收紫外線的能力越強，但越難分散均勻且越易吸潮，易導致PE管材表面粗糙。當干燥處理效果不理想時，易在PE管材內部形成空洞從而影響外觀和性能。
    IS0 4437：2007明確將對炭黑粒徑的要求作為評價混配料是否合格的指標之一，雖然EN 1555.1—2010也有要求，但是未將其作為評判混配料合格與否的控制指標。
1.2 對混配料以管材形式的性能要求
    GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010要求對混配料制成的PE管材進行型式試驗以確認混配料性能，混配料性能與PE管材生產企業的生產設備和工藝技術條件的匹配性，以及混配料性能是否有效傳遞到了產品中，以確保對相關標準要求的充分滿足和燃氣用埋地PE管道系統的本質安全。
   ① 混配料定級
   雖然GB 15558.1—2003要求混配料按照GB/T 18475《熱塑性塑料壓力管材和管件用材料分級和命名總體使用(設計)系數》進行定級和命名，且要求達到PE80或PE100等級，但IS0 4437：2007對定級試驗的溫度選取與數據取舍提出了更加細致具體的要求。
   IS0 4437：2007要求按照IS0 9080：2003《塑料管道和導管系統-用外推法以管材形式測定熱塑性塑料的長期靜液壓強度》進行定級試驗。定級試驗要求的溫度分別為20、80℃，且要求在80℃的長期強度試驗的回歸曲線上，5000h內不能出現拐點，這是對PE管材在50年壽命內不產生脆性破壞的有力保障。
    由于混配料的定級試驗是對混配料基礎性能的確認，因此非常重要。為此，PE管材生產企業應首先取得有關混配料的定級報告，驗證其定級試驗數據是否滿足要求，隨后才是依據有關標準對混配料的性能要求確認其具體性能。只有全部性能都滿足標準要求，才是合格的混配料。
    ② 定級范圍的擴展
    G13 15558.1—2003根據GB/T 18475，僅將10.00MPa≤σLCL≤11.19MPa的混配料歸為PE100。GB 15558.1—2003將置信下限σLCL定義為：在內部水壓下、20℃、50年的預測的長期靜液壓強度的97.5%置信下限，而對σLCL大于11.20MPa的混配料沒有進行定級。IS0 4437：2007將σLCL≥10.00MPa的混配料都歸為PE100，這在聚乙烯合成技術迅速發展的形勢下，為混配料的推廣應用提供了依據。
    ③ SCG
    混配料優異的SCG性能，對于確保燃氣用埋地PE管道系統的長期壽命十分重要。以壁厚大于5mm的PE管材為試樣進行SCG性能試驗，GB 15558.1—2003要求破壞時間≥165h，IS0 4437：2007則要求破壞時間≥500h，兩種標準的試驗條件一致。
    考慮到施工過程對PE管材的劃傷，以及施工現場很難保證規定的安裝環境，IS0 4437：2007提高了對PE管材韌性的要求，以克服不良安裝條件對燃氣用埋地PE管道系統壽命的影響，也為采用非開挖施工提供了更好的產品質量保障。
   ④ 耐候性
   耐候性是檢測混配料以PE管材形式抗陽光照射不良影響的能力，由此決定混配料及產品的儲存條件及儲存期。為準確判斷氣候老化對管材試樣的影響，GB 15558.1—2003要求PE管材生產企業就非黑色管道制品進行耐候性檢測，而IS0 4437：2007則要求混配料生產企業檢測并證明其混配料滿足耐候性要求，后者符合科學合理、經濟高效原則。
    GB 15558.1—2003要求對經輻照度為3.5GJ/m2太陽能曝曬后的管材試樣進行熱穩定性、靜液壓強度(80℃，破壞時間≥165h)、斷裂伸長率檢測。而IS0 4437：2007要求進行斷裂伸長率、靜液壓強度(80℃，破壞時間≥1000h)、曝曬后管材的電熔熔接性能檢測。為確保混配料及PE管材耐候性，IS0 4437：2007改變了原來通過檢測PE管材的熱穩定性來衡量其抗氧化性能，調整為檢測曝曬后PE管材的電熔熔接性能，以重點判斷混配料以管材形式的耐候性。
1.3 小結
   綜上所述，GB 15558.1—2003對混配料及PE管材的要求還停留在較低水平，客觀形勢迫切需要國家標準隨著混配料技術和市場應用的發展不斷完善。與IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010相比，GB 15558.1—2003主要表現在對MFR、炭黑分散度的外觀等級評價和炭黑粒徑、混配料定級、SCG、耐候性的要求上有較大差距，不利于更加有效地確保燃氣用埋地PE管道系統的本質安全與長期壽命，不能很好地指導PE管材生產企業對混配料的合理選用。
2 混配料的合理選用
    標準對混配料及制品提出的各項性能指標要求，不能割裂開來去理解，應針對混配料的各種特性和相關要求，進行全面綜合評估。依據標準要求，混配料不僅應符合以顆粒形式的性能要求，還要符合以管材形式的性能要求和以電熔熔接形式的兼容性要求。僅以混配料的定級結果或僅以某一項檢測結果合格來說明其性能和使用壽命得到了保障是不對的，必須結合其他項目的檢測結果來判斷。只有通過全項目的型式試驗證明混配料的相關性能已達到標準要求，方可應用于燃氣輸配領域。
    顯然，本文涉及標準列明的要求都是對混配料的最低要求。作為PE管材生產企業，在選用混配料時，不能僅停留在GB 15558.1—2003要求的水平上，而應更多關注國內外行業的發展趨勢，以超前的意識、高度負責的態度，以最大限度保障燃氣用埋地PE管道系統本質安全和長期壽命的理念，綜合控制并正確選用混配料，將潛在質量風險降到最低，杜絕一切安全隱患。
    通常，對混配料的選用可從以下3方面入手：①根據產品類別、應用條件等篩選混配料牌號，然后查看該牌號混配料定級數據的準確性和有效性，確認是否達到了PE80或PE100等級。②檢查型式試驗報告的完整性。以前瞻性的思路審查型式試驗報告是否已包含較嚴格標準的各項性能指標，且無缺項和遺漏。③驗證混配料的適用性。制取試件，按照標準試驗驗證，并與混配料生產企業提供的型式試驗報告對比，以確保混配料及其制品的性能滿足相關要求，確保本質安全。
3 混配料的應用與發展現狀
    當前，國內市場上應用的混配料主要從國際上大型混配料生產企業進口，截至2010年10月，國際上獲得PE100+協會認證的混配料牌號有來自北歐化工、博祿、道達爾石化、英力士、利安德巴塞爾、普瑞曼、沙特、SCG石化的共計15個牌號。國際上采用黃色或橙色混配料取代高性能黑色混配料的情況越來越普遍。雖然國內大型石化企業和科研機構在密切關注混配料技術發展趨勢的同時，努力加快混配料及其催化劑的研制，并取得了一定進展，但能夠滿足要求的生產企業少，存在著混配料牌號少、質量性能不穩定等問題。
 
(本文作者：盧培豐1 鄒麗君1 潘浩1 劉偉2 尚粉玲3 1.上海喬治費歇爾亞大塑料管件制品有限公司 上海 201708；2.上海亞大塑料制品有限公司 上海 201708；3.上海亞大汽車塑料制品有限公司 上海 201708)