國內外聚乙烯（PE）管材專用料的開發及市場應用概述

姜慧婧，胡 琳，王 齊，王 林，路寶翠，崔奮為

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750411）

隨著塑料工業的發展，聚乙烯（PE）管材憑借其突出的耐化學腐蝕性、耐低溫性、焊接方便、流體阻力小、使用壽命長等性能特點，在供水、燃氣輸送、農業灌溉、建筑供暖、排污和工業流體介質輸送等諸多領域取代了金屬管材，尤其是高密度聚乙烯（HDPE）管材，因在聚合中加入丁烯、己烯等共聚單體，使得PE管道的長期抗靜液壓性能、耐慢速裂紋增長及耐快速裂紋擴展性能得到顯著提高，成為發達國家和地區在給水管道和燃氣管道方面的首選產品[1-4]。

1 PE管材料的分級與發展歷史

1.1 PE管材分級[5]

在20世紀80年代以前，聚乙烯管材根據原料密度不同被分為高密度聚乙烯（HDPE）管材、中密度聚乙烯（MDPE）管材及低密度聚乙烯（LDPE）管材三種。隨著管材行業發展，單純用密度已無法準確反映PE管材的性能特點。

目前國際上通用的分級方法是以PE管材料的最小要求強度MRS（Minimum Required Strength）為依據，將聚乙烯管材料分為PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五個等級。其中，PE100管材是指在20℃，置信度下限為97.5%時使用50年后仍能保持10MPa的最小要求強度MRS值。依此類推，PE80、PE63的MRS值分別為8MPa和6.3MPa。這個定級能夠體現材料的強度性能，并直接用于管材壁厚的設計計算，對產品的最終性能給予保證。

1.2 PE管材發展歷史

PE管材料的發展，可分為以下四個階段[6-8]：

第一階段，以LDPE管為主，也有一些HDPE管，相當于現在的PE32及PE63級管材料，主要用于制作小口徑管和低壓承壓管。

第二階段，即現在分子量呈單峰分布的PE80級管，其特點是具有較高的MRS值和優異的耐慢速裂紋生長能力。管徑可從16mm到250mm不等，用來輸送天然氣、水、污水及其它液體。

第三階段，是上世紀80年代末出現的分子量呈雙峰分布的PE100級管。此材料中低分子量部分支鏈少，能提供較好的加工性能；高分子量部分有較多的支鏈和聯接分子，除提供較高的強度等物理機械性能外，還能賦予材料優異的耐蠕變性能和耐慢速裂紋增長能力，特別適合生產高壓承壓管和大口徑管。PE100的出現，讓PE管材料的開發上升至分子層面，PE管材的應用進入一個全新的時代。

目前，PE管材料的發展，已進入第四階段，就是現在的具有更高MRS值的PE112和PE125。

韓國三星通用化學公司于2000年首次成功開發出MRS11.2的管材專用料P110BL，并獲得瑞典Bodycote實驗室的PE112認證。該材料采用雙反應釜串聯工藝生產，在高分子量部分可產生較多聯結分子，與現有雙峰PE100相比，生產相同直徑和同等工作壓力的管道時，壁厚可減少10%。

Borealis、Solvay和Fina等公司通過PE交聯的方法使管材料可以達到MRS12.5，從而實現在管壁很薄的情況下耐更高的壓力。但目前交聯PE管材的成本較高，還未能推廣使用[5]。

為了保證PE100管材料的生產和使用始終處于最高水平，阿托菲納公司、北歐化工公司、巴塞爾公司、BP-索爾維聚乙烯公司和沙特阿拉伯基礎化學品公司等五個聚烯烴生產商于1999年聯合成立了PE100+聯盟（PE100+ Association）。他們開發的產品在強度、耐慢速裂紋擴展和快速開裂等方面均高于歐洲標準。目前，國內只有上海石化YGH041T(Black)和獨山子石化TUB121N3000B被收錄進了PE100+產品列表。

2 PE管材料的主要生產工藝

目前，HDPE管材料的生產工藝技術主要有淤漿法、溶液法和氣相法三大類，不同工藝，各有特點，直接影響工藝操控的難易程度及產品性能，繼而影響到產品的市場競爭力。以下對典型HDPE管材料生產工藝的技術特點分別進行簡述。

2.1 淤漿法工藝

2.1.1 Hostalen工藝[9-10]

利安德巴塞爾公司的Hostalen淤漿工藝是生產雙峰HDPE的世界領先技術。該工藝以正己烷為反應溶劑，采用高活性Ziegler-Natta催化劑，對聚合單體純度要求不苛刻，可用裂解乙烯作原料，生產融指0.4～18.0 g/10min，密度0.944～0.957 g/cm3的單峰HDPE產品以及融指為0.05～0.55 g/10min，密度0.944～0.956 g/cm3的雙峰HDPE產品。國內吉林石化JHMGC100S、四川石化CRP100N、撫順石化CRP100N均采用此工藝排產出性能優異的管材料產品。

2004年，Lyondell Basell公司在原雙釜串聯工藝的基礎上成功使用三個反應釜串聯（Hostalen ACP工藝）生產三峰產品，采用鈦系催化劑Avantz501生產管材樹脂。產品由低分子量乙烯均聚物、高分子量乙烯共聚物、超高分子量乙烯共聚物3種組分構成，具有優異的剛韌平衡性、抗沖擊性、耐環境應力開裂性和加工性能。延長榆林石化建有國內首套此工藝裝置，并于2018年成功排產出合格的三峰HDPE管材料23050，填補了國內該工藝三峰管材產品空白。

2.1.2 Borstar工藝[11-12]

北歐化工（Borealis）的Borstar工藝，主要由淤漿環管反應器和流化床氣相反應器串聯而成，采用Ziegler-Natta催化劑，可以生產熔指范圍為0.02～100 g/10min的產品，且產品相對分子質量及其分布易于控制。此工藝在環管反應器中使用超臨界丙烷作為稀釋劑來生產低相對分子質量聚合物，在氣相反應器內生產高相對分子質量的聚合物，從而生產相對分子質量呈雙峰分布的HDPE產品。同時，在氣相反應器內還可以加入共聚單體，使得相對分子質量組分中含有較多的共聚單體，從而使產品具有優異的性能。國內上海石化引進此套工藝技術，于2002年建成250kt/a裝置并投產，生產的YGH041T(PE100)具有良好的沖擊強度、拉伸強度及較好的擠出加工性能，是國產PE100管材料的明星產品。

2.1.3 Innovene-S工藝[13-15]

2005年，Ineos公司收購了原Solvay公司的聚烯烴產業，將Solvay環管淤漿聚合工藝更名為Innovene-S工藝。該工藝通常使用Ziegler-Natta或無機氧化鉻作催化劑，異丁烷作為烷烴稀釋劑，生產管材時利用雙環管反應器串聯工藝，第一反應器生產結晶度高的PE均聚物,再進入第二反應器與1-丁烯或1-己烯進行共聚，從而得到雙峰HDPE產品。該工藝因出色的雙峰管材料產品而知名，國內采用Innovene-S工藝排產出性能優異的PE100管材料有獨山子石化TUB121N3000系列產品和中沙天津PN049-030-122。

2.1.4 釜式淤漿法—CX淤漿法工藝[16]

日本Mitsui開發的CX淤漿法工藝以控制技術先進，流程布局合理，牌號切換快捷著稱。此工藝采用正己烷為反應溶劑，和Ziegler-Natta催化劑進行聚合，生產密度為0.93～0.97 g/cm3的聚乙烯產品。該工藝可以采用兩釜串聯生產雙峰聚乙烯，也可以兩釜并聯生產窄分布聚乙烯。國內采用CX淤漿工藝排產PE100管材料的企業有蘭州石化L7100M、揚子石化YEM-4902T和燕山石化7600M。

2.1.5 Chevron Phillips工藝[17]

Chevron Phillips工藝的最大特點是開發了原位技術，即在反應器中通過乙烯三聚生成1-己烯共聚單體，從而能只用乙烯就生產出密度0.920～0.955 g/cm3的乙烯-1-己烯共聚物。國內茂名石化建有此工藝，相關產品有PE80級HDPE管材產品TR480和TR418。另外，還開發了用雙活性點催化劑以及雙類型催化劑在單反應釜中生產雙峰產品技術，該技術目前處于應用評價階段。

2.2 氣相法工藝

2.2.1 Unipol工藝[18-20]

Univation公司的Unipol工藝是目前應用較普遍的氣相法工藝。該工藝最突出的優點是：因不使用烷烴稀釋劑從而具有較大的單線生產能力，產能從300kt/a到500kt/a不等；可以生產全密度聚乙烯產品，產品熔體流動速率為0.05～155.00 g/10min。此外，該工藝采用氣相流化床反應器，通過長停留時間(每個反應器1.5～3 h)和強烈的返混，可以得到組成均一的產品。因投資成本較低，國內近幾年投建的氣相裝置幾乎都采用本工藝。國內獨山子采用此套工藝技術成功排產出PE100級管材料UHXP-4808,抗熔垂性能優異，適合生產大口徑的水管。齊魯石化采用此工藝排產的PE100級管材料2480H于2005年通過了瑞典Bodycote實驗室的認證。

2.2.2 Spherilene工藝[21]

Spherilene聚乙烯氣相聚合工藝是由Basell公司開發，該工藝的特點是氣相反應器配置靈活，可采用單一的氣相反應器生產單峰全密度聚乙烯，也可采用兩個氣相反應器串聯生產相對分子質量呈雙峰分布的全密度聚乙烯。采用雙反應器串聯操作時，第一反應器生成低相對分子質量均聚物組分，隨后進入第二反應器，和共聚單體生產高相對分子質量共聚物組分，從而得到相對分子質量呈雙峰分布且共聚單體可控分布的產品。該工藝可使用Avant C鉻系催化劑和Avant Z鈦系催化劑生產HDPE管材產品。

3 國內外HDPE管材料應用概況

PE管材料在國外有六十年的應用歷史，已發展成多品種、多規格、多特殊應用的塑料管材料，用戶可根據不同用途需要進行選擇。在歐美市場，HDPE燃氣管在城際埋地燃氣管道中的占有量超過90%，在供水管中占有量達60%，并且建立了成熟的施工工藝和標準規范。日本用HDPE管材替代鋼管鋪設低壓燃氣管，在提高抗震性的同時降低工程造價[22]。

國外性能突出，得到市場廣泛認可的PE100級管材料的主要牌號、工藝技術、性能指標及應用領域見表1。

表1 國外PE100級管材料主流牌號、工藝技術、性能指標及應用領域Table1 The mainstream grades, process technology, performance indicators and application fields of PE100 pipe materials abroad

從表1可以看出，目前全球知名的PE100管材專用料均是以淤漿法技術生產的，這些產品具有優異的長期穩定性、卓越的耐慢速裂紋增長及耐快速裂紋擴展性能，被收錄到PE100+協會的產品目錄里[1]。

相比之下，國內對PE管材專用料及管材的開發和應用起步較晚，始于20世紀80年代，在21世紀才進入高速發展期。隨著國家“以塑代鋼”政策的出臺及聚烯烴市場競爭的日益激烈，各石化企業爭相開發具有高附加值的PE管材料，產品無論是在數量上還是品種上都得到了很大發展。目前，國內口碑較好，得到市場認可的PE100級管材料的主要牌號、工藝技術、性能指標及應用領域見表2。

但國內石化企業生產的PE100管材專用料，如吉林石化的JHMGC100S、燕山石化的7600M、獨山子石化的TUB131N3000、撫順石化的CRP100N等，大多只能應用于給排水領域[23-24]，燃氣管領域應用受限。

在國內燃氣管領域，燃氣管專用料幾乎全部依賴進口。因涉及到燃氣的安全輸送及使用，國內五大燃氣公司均傾向于采購用進口料生產的燃氣管產品。據相關數據顯示，進口料在我國燃氣管專用料市場中占比約九成，其中北歐化工的燃氣管料在國內市場份額超過一半。2017年冬季的“氣荒”導致進口料供不應求，在這種形勢下，國內上海石化的YGH041T和獨山子石化的121N3000B才在市場上占有一席之地。據卓創資訊統計，2017年上海石化的YGH041T最高價14400元/噸，較年初最低價10400元/噸，上漲4000元/噸，漲幅為38%[25]。

4 國內PE管材市場行情

2019年，全國塑料管道總產量約1600萬噸，同比增長約2.1%，產品出口量74.43萬噸，同比增長4.03%。2020年年初，因受新冠病毒疫情影響，第一季度行業產銷量普遍下滑10%～15%，隨著疫情形勢好轉，行業產銷量持續增加，整體形勢向好。

2020年10 月至11月最新數據顯示，國內主流PE100管材料，如燕山石化7600M、吉林石化JHMGC100S、上海石化YGH041（P5003D-B）、獨山子UHXP-4808及臺灣臺塑8001的市場售價約8000元/噸左右；進口PE100管材料，如北歐化工ME3440、Lyondell Basell的CRP100N的市場售價約10000元/噸左右，Ineos的TUB121N3000處于缺貨狀態。

5 國內PE管材料市場機遇及努力方向

目前，國內HDPE管材的發展正面臨著前所未有的機遇：隨著城鎮化建設的快速推進，西氣東輸，城際天然氣新管網的鋪設量和老城區舊管網的改造量在逐年快速增長，HDPE燃氣管憑借其良好的韌性、耐開裂性以及對地震破壞的抵御能力，必然是最好的選擇。國內淡水資源的匱乏以及環保標準的提高，也加快了海水凈化以及污水處理管網改造的步伐，給HDPE給排水管、排污管帶來廣闊的應用前景。隨著鍍鋅管被禁用，HDPE管材在各行各業中的應用必將呈現迅速增長的態勢，這是一個亟待開發的廣闊市場，因此應積極開發高耐壓等級的HDPE管材專用料，以增強市場競爭力和企業創效能力。

近二十年來，在國家住建部一系列政策的推動下，國內PE管道得到了快速發展，但和國外管材原料生產企業相比，在以下幾方面還有很多工作需要開展：

（1）黑色燃氣管專用料產量不足，嚴重依賴進口。國內目前就上海石化的YGH041T和獨山子121N3000B能占有一小部分市場。

（2）具有特殊性能的高附加值管道專用料品種和產量均嚴重不足，比如耐開裂PE100-RC(Resist Crack)管道。在城市老舊管道改造過程中，使用先進的非開挖鋪設技術，可以不挖開舊管道，采用內襯管法和爆管法，直接穿越老舊管線，大大節省管道鋪設和維修的工期和作業成本[26]。國內面世的產品有中沙天津PN049RC[27]。此外，中科石化工藝包里相關產品有XRC20N，但還未見有產品產出。

（3）低垂性大口徑管材產品產量不足。經研究表明，抗熔垂性能優異的雙峰管材料的重均相對分子質量更高，即高相對分子質量部分的含量更多，這種原料可以用來生產口徑達2000mm的管材，廣泛用于海水養殖、海水淡化工程以及用于內襯法修復舊管道等領域[28-29]。國內大慶石化和獨山子石化均在UNIPOL工藝上開發出低熔垂大口徑管材專用料UHXP-4808。吉林石化在JHMGC的工藝基礎上進行優化，開發出低熔垂專用料，得到用戶認可[3]。