塑料管材耐氯性能評價現狀

李玉娥，者東梅，武志軍

（中國石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京100013）

0 前言

隨著城市飲用水管網的改造，由于塑料管材的質量輕、易安裝、耐腐蝕等優點，所以在輸送飲用水管材中塑料管材占的比重越來越大。

各國的飲用水來自不同種類的水源，各種水體是微生物廣泛分布的天然環境，大多數的微生物對人體無害，但是許多病原微生物可以通過糞便、污水和垃圾進入水體，從而有可能導致傳染病的爆發流行，對人類健康造成極大的威脅。因此，生活飲用水在使用之前必須經過嚴格的消毒處理。目前廣泛使用的飲用水消毒劑和消毒方法有：Cl2、O3和紫外線。其中O3具有較強的氧化消毒能力，但是它同紫外線消毒法一樣，都存在不具備持續消毒能力的弊端。目前多將O3與活性炭結合，用于飲用水的深度處理。而紫外線消毒法多用于水量較少的賓館用水或企業用純水、高純水消毒［1］。

自從1902年路易斯維爾市首次用Cl2大規模直接進行飲用水消毒以來，Cl2用于消毒已經有百年的歷史，由于操作簡單，便于控制，消毒持續性好，余氯便于檢測，以及消毒成本低，廣泛應用于大規模公共供水系統消毒。尤其是近半個世紀以來，加氯工藝和控制措施逐步完善，從而使消毒效果得到了進一步保證。世界各國普遍采用Cl2及其衍生物來消毒飲用水［1］。

經過Cl2消毒的飲用水中含有大量氯離子，由于鹵素的含氧酸都帶有一定的氧化性，例如次氯酸，當管材長期輸送飲用水時，塑料管材受到含氯酸氧化性能影響，管材長期性能下降，導致管材在未達到預期壽命就發生破壞。管材的耐氯氧化性能已引起各國研究人員關注，近些年來，國外管材實驗室和管材原料生產商也逐漸開始重視給水管材的耐氯性能進行評價工作。

在國內，原料生產商、測試機構和管材的終端用戶都沒有對給水塑料管材的耐氯性能進行研究，仍然屬于空白領域。同時，也沒有任何關于耐氯性能評價方面的國家標準或行業標準出臺。本文介紹了目前國際耐氯性能測試的原理、標準，并介紹了耐氯性能評價工作的進展。

1 耐氯性能現行評價方法

目前，國際上常用的耐氯測試方法主要有3種，分別是美國國家衛生基金會（NSF）制定的P171——塑料管材耐氯測試方法［2］；美國制定的 ASTMF2023－2008——熱水用交聯聚乙烯（PEX）管材和系統耐氧化性評價的標準試驗方法［3］和 ASTMF2263－2007——給水用聚乙烯（PE）管材耐氧化性評價的標準試驗方法［4］。3種方法的原理、設備、樣品要求以及測試過程大致相同。可以看出，國際上使用的方法大都為美國方法，其他國家以及我國還沒有相應的耐氯測試方法出臺。

1．1 應用范圍

國內外對于飲用水用塑料管材耐氯測試方法的適用范圍主要包括：聚乙烯管材、交聯聚乙烯管材、管材專用料3個領域。其中交聯聚乙烯在冷熱水傳輸中的用途最為廣泛，所以它的測試方法較常用，各國對于它的研究探索較為深入。

1．2 試驗原理

試驗是在終端使用的管材樣品上進行，樣品處于帶壓力的流動系統中。樣品在規定的溫度、氯含量、pH和壓力條件下進行測試，直到破壞。試驗方法中一般通過提高溫度來加速破壞。測試最少在3個溫度下進行，并且每個溫度下有2個應力水平，得到至少12個數據點，且數據點的破壞形式相同，脆性破壞或氧化破壞。然后根據應用多元線性回歸分析，確定一個在終端使用條件下的外推試驗壽命。最后，用 Miner’s規則來計算外推管材的耐氯壽命。

1．3 試驗過程

將樣品連接到動態流動壓力系統中，清除樣品中的所有空氣，讓流體在要求的溫度或壓力下流過樣品。這時的溫度和壓力是試驗條件的40%～50%。在接下來的1～3h，逐漸增加試驗流體的溫度和壓力到試驗條件。當試驗流體達到了試驗溫度、壓力、流率，外部環境達到了規定的試驗溫度，記錄開始時間。

維持試驗條件，直到所有的樣品已經破壞。任何流體從管壁或組成件流出都認為是破壞，記錄破壞時間。當多個樣品首尾相連時，移去每一個已破壞的樣品，繼續試驗，直到在試驗條件下所有剩余樣品全部破壞。

記錄破壞時間，以h為單位，對每個破壞都要有描述。每個破壞的描述包括：從流入口計算的線性位置、周向位置和初始點（管材里面或外面）。為了使試驗壽命外推得精確，所有的破壞必須是同一類型。混合模式的破壞和管材外部引發的破壞不應用于數據分析。

最后，用3參數或4參數模型進行多元線性回歸分析。

1．4 試驗結果

試驗結束后，列出所有測試樣品的試驗溫度、環應力和破壞時間，詳細給出每個破壞樣品的描述。應用回歸分析，不同材料的管材，給出在不同溫度下的預測破壞時間，以及應用Miner’s規則得到的預測破壞時間，評估最小耐氯工作壽命應該大于40年。

例如交聯聚乙烯管材的試驗結果中要給出60℃的估算破壞時間；25%的60℃和75%的23℃的估算破壞時間；82℃的估算破壞時間等。

2 含氯飲用水對塑料管材長期壽命的影響

為了評價含氯飲用水對塑料管材長期壽命的影響，國外一些實驗室做了大量工作，也獲得了耐氯試驗的相關測試數據。下面以Jana的交聯聚乙烯管材試驗數據為例，介紹在這方面的基礎數據及降解情況［5］。

根據ASTMD2023進行交聯聚乙烯管材的耐氯性能測試，樣品選用直徑為12．7mm的交聯聚乙烯管材，試驗流體的pH 值為6．8，氯含量為4．3mg／L，氧化還原電位（ORP）是860mV。當流體從管壁滲出時，用計算機監控濕度傳感器記錄樣品的破壞情況。測試在8個不同的溫度和壓力條件下進行，共得到16個數據點。試驗條件和試驗數據如表1所示，圖1～圖4為樣品的破壞情況。

表1 交聯聚乙烯管材專用料在含氯飲用水中的破壞時間Tab．1 Failure times for PE－X pipe material exposed to chlorinated potable water

圖1為交聯聚乙烯管材內壁接觸表面根據接觸時間變化的圖片。圖2是通過管材橫截面看到的相同樣品（每個圖片的底部是接觸內表面）。在10%的使用壽命時，接觸表面形成了一個降解層，如圖1（a）和圖2（a）。在50%的使用壽命時，在接觸內表面能看到細微的龜裂［圖1（b）］，降解層厚度增加［圖2（b）］，細微龜裂開始沿著管壁呈放射裝擴展。在最終破壞時，可以看到接觸內表面有幾個很大的細微裂紋［圖1（c）］，降解層厚度明顯增加［圖2（c）］。當細微龜裂發展成貫穿整個壁厚，并引起大約2mm長的脆性裂縫破壞時，管材發生最終破壞。

圖1 氯誘導交聯聚乙烯管材料的降解過程：管材內表面Fig．1 Progression of chlorine induced degradation at inner pipe surface of PE－X pipe material

圖2 氯誘導交聯聚乙烯管材料的降解過程：整個管壁Fig．2 Progression of chlorine induced degradation at the pipe wall of PE－X pipe material

圖3 交聯聚乙烯管材料輻射裂紋增長Fig．3 Radial crack growth in PE－X pipe material

圖4 交聯聚乙烯管材料軸向橫截面Fig．4 Axial cross－section of PE－X pipe material

從以上的數據和樣品破壞圖片可以看出飲用水中的氯對塑料管材的長期使用壽命的影響。同時，也可以得到一些經驗：首先，試驗溫度越高破壞時間越短，溫度的選擇直接關系到試驗周期的長短。其次，在同一溫度下選擇不同的壓力時，在相同壓力下樣品的破壞時間可能會出現很大差異，為了保證在同一壓力下得到2個數據點，至少應該進行3個相同應力水平的試驗。

3 耐氯性能評價工作進展

由于開展塑料管材耐氯測試的機構較少，年限較短，所以此項測試還處在研究初級階段。有些研究機構經過幾年的試驗研究得到了一些塑料管材的測試數據，了解了部分樣品破壞情況。但從目前可見的文獻中，各研究機構主要是從耐氯試驗的影響因素、破壞機理和耐氯試驗的動力學模型等方面對管材耐氯性能進行研究。

Solvin公司的Joel Fumire研究了消毒劑對飲用水用聚氯乙烯管材的影響。他把樣品分別在不同試驗溫度和消毒劑含量下進行處理，應用拉伸試驗、熱穩定試驗、相對分子質量測試和樣品表面的電鏡分析等測試方法對樣品進行評價。最后，他認為在正常消毒劑含量下，不管是ClO2還是NaClO都不會對聚氯乙烯管材產生影響；在苛刻的條件下（溫度40℃，消毒劑含量非常高）消毒劑僅對聚氯乙烯管材的表面產生了有限的影響；在不同的穩定劑系統之間沒有發現明顯的區別；這些結論說明聚氯乙烯對于消毒劑的影響非常不敏感［6］。

加拿大Jana的Sarah等研究了3種飲用水用消毒劑對塑料管材的性能影響，其中主要對消毒劑種類、消毒劑含量及消毒劑的接觸時間進行了分析［7］。他還對塑料管材的耐氯氧化機理和測試方法進行了深入研究。在對破壞機理的研究中，Oliphant博士發現樣品的破壞時間與溫度無關（溫度在60～90℃），而且破壞時間與溫度呈 Arrhenius關系［8－9］。

Oliphant博士提出使用內部開口管材進行試驗作為評價飲用水材料的加速方法。他發現管材的破壞時間和管材的開口深度成線性關系；而且增加應力強度，破壞時間與應力強度因子也成線性關系。他認為這個加速方法可以用于評價飲用水用管材的抗氧化性，但要對不同種類的聚乙烯材料，不同管徑，不同開口深度，不同測試條件進行試驗才能得到這種試驗方法的全面適用性和局限性［10］。

Suez水公司聯合實驗室和原料開發商一同對管材的耐氯性能進行了研究，經過幾年，幾組不同試驗人員共同研究了幾種建筑物內給水管材的耐氯性能，可見管材的終端用戶已經開始對其耐氯性能提出要求［11］。

4 國內水質情況及建議

在我國水質標準不斷發展的形勢下，現行生活飲用水水質標準——生活飲用水衛生規范，符合我國國情，與國際標準較為接近，縮小了我國飲用水標準與國際標準的差距。但由于我國幅員遼闊，水源條件差異很大，地區經濟發展也不平衡［12］，造成各地區的水質存在差異。因此我國的生活飲用水水質與國外水質較為接近，但還存在差距。在消毒劑殘余量的指標上，國外的出廠水的余氯量一般小于0．8mg／L［13］，而我國出廠水的余氯量在0．5～1．2mg／L之間［14］，略高于其他國家。

通過對國內外水質差異的原因分析和飲用水中余氯量數據的差異，我國在制定耐氯測試方法時，對試驗用水中的含氯量的要求應略高于國外方法的要求，以滿足在國內輸配水管道中使用的需要。

5 結語

隨著人們對水資源重視程度的提高，對輸送飲用水用塑料管材的要求將不斷增加。同時，在國際對管材耐氯性能方面提出要求的大環境下，管材使用的終端用戶必然會提出對耐氯性能進行評價的要求。所以，開展管材耐氯性能評價工作將成為飲用水用塑料管材評價的新方向。

［1］ 韓永萍，付建立．二氧化氯消毒劑在飲用水處理中的應用［J］．北京聯合大學學報：自然科學版，2004，18（4）：71－75．Han Yongping，Fu Jianli．The Application of ClO2as a Disinfectant in Drinking Water Disposal［J］．Journal of Beijing Union University：Natural Sciences，2004，18（4）：71－75．

［2］ NSF Protocol．P171Chlorine Resistance of Plastic Piping Materials［S］．USA：NSF International，1999．

［3］ ASTM．F2023Standard Test Method for Evaluating the Oxidative Resistance of Crosslinked Polyethylene（PEX）Tubing and Systems to Hot Chlorinated Water［S］．United States：ASTM，2005．

［4］ ASTM．F2263Standard Test Method for Evaluating the Oxidative Resistance of Polyethylene（PE）Pipe to Chlorinated Water［S］．United States：ASTM，2007．

［5］ Vibien P，Couch J，Oliphant K．．Chlorine Resistance Testing of Cross－linked Polyethylene Piping Materials［EB／OL］．［2012－02－28］．http：／／www．janalab．com／init＿file＿provider．php？file＝chlorine＿resistance＿pex．pdf．

［6］ Joel Fumire．Resistance of PVC Pipes Against Disinfectants［C／CD］．Plastic Pipes XIV，2008．

［7］ Chung S，Couch J，KimD J．Environmental Factors In Performance Forecasting of Plastic Piping Materials［C／CD］．2003．

［8］ Sarah Chumg，Tieqi Li，Ken Oliphant．The Mechanisms of Chlorine Dioxide Oxidation of Plastic Piping Systems［C／CD］．Plastic Pipes XIV，2008．

［9］ Chung S，Oliphant K，Vibien P，et al．An Examination of the Relative Impact of Common Potable Water Disinfectants（Chlorine，Chloramines and Chlorine Dioxide）on Plastic Piping SystemComponents［C／CD］．Plastic Pipes XIII，2006．

［10］ Sarah Chumg，Tieqi Li，Ken Oliphant，et al．Characterizing Long－termPerformance of Plastic Piping Materials in Potable Water Applications［C／CD］．Plastic Pipes XIV，2008．

［11］ MRozental－Evesque，Rabaud B，Sanchez M，et al．The No．1Ring Test an Improved Tool for Characterising the Mechanical Degradation of Non－failed Polyethylene Pipe House Connections［C／CD］．Plastic Pipes XIV，2008．

［12］ 高 娟，李貴寶．國內外生活飲用水水質標準的現狀與比對［J］．水利技術監督，2005，（3）：61－64．Gao Juan，Li Baogui．Current Situation and Comparison of the Drinking Water Quality Standrad in the World［J］．Technical Supervision in Water Resources，2005，（3）：61－64．

［13］ 涴曉丹，羅岳平．歐洲的飲水消毒劑殘余量標準［J］．凈水技術，2000，18（2）：44－46．Wan Xiaodan，Luo Yueping．The Disinfectant Residual Quantity Standard for Drinking Water in Europe［J］．Water Purification Technology，2000，18（2）：44－46．

［14］ 周 鴻．國內外飲用水消毒劑余量問題探討［J］．廣州大學學報：自然科學版，2006，5（3）：86－90．Zhou Hong．Discussion About Disinfectant Residual of Drinking Water in the Nation and Overseas［J］．Journal of Guangzhou University：Natural Science Edition，2006，5（3）：86－90．