燃?xì)庥寐竦豍E管材混配料的性能要求及發(fā)展

摘 要

摘要：比較了GB 15558.1—2003、IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010對(duì)燃?xì)庥寐竦豍E管材混配料性能要求的差異，建議對(duì)GB 15558.1—2003進(jìn)行修訂。對(duì)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(duì)燃?xì)庥寐竦豍E管材混配料性能要求的差異，建議對(duì)GB 15558.1—2003進(jìn)行修訂。對(duì)混配料的合理選用及應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕懿?；混配料；炭?/span>
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?xì)庥寐竦豍E管材(以下簡(jiǎn)稱PE管材)混配料，是指能夠滿足PE管材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混配料的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能、熱性能等指標(biāo)的要求，尤其耐慢速裂紋增長(zhǎng)(SCG)性能和耐快速裂紋擴(kuò)展(RCP)性能優(yōu)異，用于生產(chǎn)使用壽命可達(dá)50年的PE管材的專用原料。
    近年來(lái)，在混配料生產(chǎn)企業(yè)的不斷研發(fā)創(chuàng)新與市場(chǎng)應(yīng)用需求的相互推動(dòng)下，混配料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能和規(guī)模不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)應(yīng)用迅猛發(fā)展，客觀形勢(shì)要求相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)隨之更新和發(fā)展?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1—2003《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》的制定依據(jù)(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4437)已發(fā)生了較大變化，更新為2007版，ISO 4437：2007《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕懿?公制系列-規(guī)范》在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)混配料的性能提出了更高的要求。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1555.1《燃?xì)庥盟芰瞎艿老到y(tǒng)-聚乙烯(PE)-第1部分總則》也更新為2010版。本文對(duì)GB 15558.1—2003與IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010對(duì)混配料性能要求的差異進(jìn)行分析。
1 對(duì)混配料的性能要求
1.1 對(duì)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(chǔ)樹(shù)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(chǎn)企業(yè)獲得的僅是混配料，為便于生產(chǎn)企業(yè)驗(yàn)證混配料性能而修訂的。
   ② 熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)
   GB 15558.1—2003、EN 1555.1—2010對(duì)MFR的要求為：0.02～0.14g/min，且最大偏差不超過(guò)混配料標(biāo)稱值的±20%。IS0 4437：2007要求：最大偏差取混配料生產(chǎn)商標(biāo)稱值的±20%或±0.01g/min，取其中最大值。尤其是對(duì)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(dòng)±20%后，變化區(qū)間為[0.024，0.036]，該變化區(qū)間小于按±0.01g/min計(jì)算的變化區(qū)間[0.02，0.04]。由此可見(jiàn)，IS0 4437：2007的衡量指標(biāo)有所放寬。
    特別值得注意的是，對(duì)于混配料生產(chǎn)企業(yè)聲明的標(biāo)稱值，只要生產(chǎn)工藝沒(méi)有重大改變，這個(gè)值就應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)固定的，能夠反映混配料MFR平均水平的值，不應(yīng)隨意變動(dòng)。
    通過(guò)對(duì)標(biāo)稱值變化情況的評(píng)價(jià)，PE管材生產(chǎn)企業(yè)可直觀地判斷出每批}昆配料的生產(chǎn)穩(wěn)定狀況及質(zhì)量波動(dòng)情況。
    一旦混配料生產(chǎn)工藝發(fā)生重大改變，混配料生產(chǎn)企業(yè)則應(yīng)進(jìn)行有關(guān)型式試驗(yàn)，并主動(dòng)向PE管材生產(chǎn)企業(yè)提供型式試驗(yàn)報(bào)告。同時(shí)，PE管材生產(chǎn)企業(yè)一旦發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)混配料MFR的檢測(cè)值超出了標(biāo)準(zhǔn)要求的波動(dòng)范圍，則應(yīng)要求混配料生產(chǎn)企業(yè)提供有關(guān)型式試驗(yàn)報(bào)告，以確認(rèn)混配料是否仍然適用于PE管材的生產(chǎn)。
    ③ 炭黑分散度的外觀等級(jí)和炭黑粒徑
    GB 15558.1—2003僅規(guī)定炭黑分散度不大于3級(jí)，而IS0 4437：2007還要求炭黑在混配料中分散足夠均勻、無(wú)明顯堆積或空缺，達(dá)到評(píng)價(jià)分散表觀等級(jí)的顯微照片中示出的A1、A2、A3、B級(jí)(A1、A2、A3、B級(jí)是對(duì)炭黑分散均勻程度的表觀量度，是炭黑分散度自最佳級(jí)別依次降低的一個(gè)量度)且炭黑粒徑應(yīng)滿足10～25nm。從而避免因炭黑粒徑不當(dāng)或分散不均勻，導(dǎo)致PE管材應(yīng)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(qiáng)，但越難分散均勻且越易吸潮，易導(dǎo)致PE管材表面粗糙。當(dāng)干燥處理效果不理想時(shí)，易在PE管材內(nèi)部形成空洞從而影響外觀和性能。
    IS0 4437：2007明確將對(duì)炭黑粒徑的要求作為評(píng)價(jià)混配料是否合格的指標(biāo)之一，雖然EN 1555.1—2010也有要求，但是未將其作為評(píng)判混配料合格與否的控制指標(biāo)。
1.2 對(duì)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(duì)混配料制成的PE管材進(jìn)行型式試驗(yàn)以確認(rèn)混配料性能，混配料性能與PE管材生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)條件的匹配性，以及混配料性能是否有效傳遞到了產(chǎn)品中，以確保對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的充分滿足和燃?xì)庥寐竦豍E管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全。
   ① 混配料定級(jí)
   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(jí)和命名總體使用(設(shè)計(jì))系數(shù)》進(jìn)行定級(jí)和命名，且要求達(dá)到PE80或PE100等級(jí)，但I(xiàn)S0 4437：2007對(duì)定級(jí)試驗(yàn)的溫度選取與數(shù)據(jù)取舍提出了更加細(xì)致具體的要求。
   IS0 4437：2007要求按照IS0 9080：2003《塑料管道和導(dǎo)管系統(tǒng)-用外推法以管材形式測(cè)定熱塑性塑料的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度》進(jìn)行定級(jí)試驗(yàn)。定級(jí)試驗(yàn)要求的溫度分別為20、80℃，且要求在80℃的長(zhǎng)期強(qiáng)度試驗(yàn)的回歸曲線上，5000h內(nèi)不能出現(xiàn)拐點(diǎn)，這是對(duì)PE管材在50年壽命內(nèi)不產(chǎn)生脆性破壞的有力保障。
    由于混配料的定級(jí)試驗(yàn)是對(duì)混配料基礎(chǔ)性能的確認(rèn)，因此非常重要。為此，PE管材生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)首先取得有關(guān)混配料的定級(jí)報(bào)告，驗(yàn)證其定級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足要求，隨后才是依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混配料的性能要求確認(rèn)其具體性能。只有全部性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，才是合格的混配料。
    ② 定級(jí)范圍的擴(kuò)展
    G13 15558.1—2003根據(jù)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(nèi)部水壓下、20℃、50年的預(yù)測(cè)的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度的97.5%置信下限，而對(duì)σLCL大于11.20MPa的混配料沒(méi)有進(jìn)行定級(jí)。IS0 4437：2007將σLCL≥10.00MPa的混配料都?xì)w為PE100，這在聚乙烯合成技術(shù)迅速發(fā)展的形勢(shì)下，為混配料的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。
    ③ SCG
    混配料優(yōu)異的SCG性能，對(duì)于確保燃?xì)庥寐竦豍E管道系統(tǒng)的長(zhǎng)期壽命十分重要。以壁厚大于5mm的PE管材為試樣進(jìn)行SCG性能試驗(yàn)，GB 15558.1—2003要求破壞時(shí)間≥165h，IS0 4437：2007則要求破壞時(shí)間≥500h，兩種標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件一致。
    考慮到施工過(guò)程對(duì)PE管材的劃傷，以及施工現(xiàn)場(chǎng)很難保證規(guī)定的安裝環(huán)境，IS0 4437：2007提高了對(duì)PE管材韌性的要求，以克服不良安裝條件對(duì)燃?xì)庥寐竦豍E管道系統(tǒng)壽命的影響，也為采用非開(kāi)挖施工提供了更好的產(chǎn)品質(zhì)量保障。
   ④ 耐候性
   耐候性是檢測(cè)混配料以PE管材形式抗陽(yáng)光照射不良影響的能力，由此決定混配料及產(chǎn)品的儲(chǔ)存條件及儲(chǔ)存期。為準(zhǔn)確判斷氣候老化對(duì)管材試樣的影響，GB 15558.1—2003要求PE管材生產(chǎn)企業(yè)就非黑色管道制品進(jìn)行耐候性檢測(cè)，而IS0 4437：2007則要求混配料生產(chǎn)企業(yè)檢測(cè)并證明其混配料滿足耐候性要求，后者符合科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)高效原則。
    GB 15558.1—2003要求對(duì)經(jīng)輻照度為3.5GJ/m2太陽(yáng)能曝曬后的管材試樣進(jìn)行熱穩(wěn)定性、靜液壓強(qiáng)度(80℃，破壞時(shí)間≥165h)、斷裂伸長(zhǎng)率檢測(cè)。而IS0 4437：2007要求進(jìn)行斷裂伸長(zhǎng)率、靜液壓強(qiáng)度(80℃，破壞時(shí)間≥1000h)、曝曬后管材的電熔熔接性能檢測(cè)。為確?；炫淞霞癙E管材耐候性，IS0 4437：2007改變了原來(lái)通過(guò)檢測(cè)PE管材的熱穩(wěn)定性來(lái)衡量其抗氧化性能，調(diào)整為檢測(cè)曝曬后PE管材的電熔熔接性能，以重點(diǎn)判斷混配料以管材形式的耐候性。
1.3 小結(jié)
   綜上所述，GB 15558.1—2003對(duì)混配料及PE管材的要求還停留在較低水平，客觀形勢(shì)迫切需要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)隨著混配料技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)用的發(fā)展不斷完善。與IS0 4437：2007、EN 1555.1—2010相比，GB 15558.1—2003主要表現(xiàn)在對(duì)MFR、炭黑分散度的外觀等級(jí)評(píng)價(jià)和炭黑粒徑、混配料定級(jí)、SCG、耐候性的要求上有較大差距，不利于更加有效地確保燃?xì)庥寐竦豍E管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全與長(zhǎng)期壽命，不能很好地指導(dǎo)PE管材生產(chǎn)企業(yè)對(duì)混配料的合理選用。
2 混配料的合理選用
    標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混配料及制品提出的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，不能割裂開(kāi)來(lái)去理解，應(yīng)針對(duì)混配料的各種特性和相關(guān)要求，進(jìn)行全面綜合評(píng)估。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，混配料不僅應(yīng)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(jí)結(jié)果或僅以某一項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果合格來(lái)說(shuō)明其性能和使用壽命得到了保障是不對(duì)的，必須結(jié)合其他項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果來(lái)判斷。只有通過(guò)全項(xiàng)目的型式試驗(yàn)證明混配料的相關(guān)性能已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，方可應(yīng)用于燃?xì)廨斉漕I(lǐng)域。
    顯然，本文涉及標(biāo)準(zhǔn)列明的要求都是對(duì)混配料的最低要求。作為PE管材生產(chǎn)企業(yè)，在選用混配料時(shí)，不能僅停留在GB 15558.1—2003要求的水平上，而應(yīng)更多關(guān)注國(guó)內(nèi)外行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，以超前的意識(shí)、高度負(fù)責(zé)的態(tài)度，以最大限度保障燃?xì)庥寐竦豍E管道系統(tǒng)本質(zhì)安全和長(zhǎng)期壽命的理念，綜合控制并正確選用混配料，將潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)降到最低，杜絕一切安全隱患。
    通常，對(duì)混配料的選用可從以下3方面入手：①根據(jù)產(chǎn)品類別、應(yīng)用條件等篩選混配料牌號(hào)，然后查看該牌號(hào)混配料定級(jí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，確認(rèn)是否達(dá)到了PE80或PE100等級(jí)。②檢查型式試驗(yàn)報(bào)告的完整性。以前瞻性的思路審查型式試驗(yàn)報(bào)告是否已包含較嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，且無(wú)缺項(xiàng)和遺漏。③驗(yàn)證混配料的適用性。制取試件，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證，并與混配料生產(chǎn)企業(yè)提供的型式試驗(yàn)報(bào)告對(duì)比，以確?；炫淞霞捌渲破返男阅軡M足相關(guān)要求，確保本質(zhì)安全。
3 混配料的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀
    當(dāng)前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的混配料主要從國(guó)際上大型混配料生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)口，截至2010年10月，國(guó)際上獲得PE100+協(xié)會(huì)認(rèn)證的混配料牌號(hào)有來(lái)自北歐化工、博祿、道達(dá)爾石化、英力士、利安德巴塞爾、普瑞曼、沙特、SCG石化的共計(jì)15個(gè)牌號(hào)。國(guó)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(lái)越普遍。雖然國(guó)內(nèi)大型石化企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在密切關(guān)注混配料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)，努力加快混配料及其催化劑的研制，并取得了一定進(jìn)展，但能夠滿足要求的生產(chǎn)企業(yè)少，存在著混配料牌號(hào)少、質(zhì)量性能不穩(wěn)定等問(wèn)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(fèi)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)