給水用塑料管材質量分析及主要檢測方法研究

魏科

（陜西省產品質量監督檢驗研究院，陜西 西安 710048）

1 給水用塑料管材產品質量狀況

1.1 聚乙烯（PE）管材

國家原質檢總局分別于2015 年、2016 年、2018 年對給水用聚乙烯（PE）管材進行產品質量監督抽查。抽檢合格率分比為：97.1%、94.7%、89.9%。

國家市場監督管理總局于2019 年及2021 年對給水用聚乙烯（PE）管材產品進行質量監督抽查，其中，2019 年該類樣品抽檢合格率為75.5%。2021 年，抽檢合格率為76.1%。不合格項目主要涉及產品的規格尺寸（平均外徑、壁厚公差）、氧化誘導時間、靜液壓強度及灰分項目。

1.2 冷熱水用聚丙烯管材

2 給水用塑料管材常見質量問題及原因

2.1 管材規格尺寸

塑料管材規格尺寸項目包括管材平均外徑和壁厚偏差。規格尺寸是塑料管材的基本物理性能之一，是衡量生產企業生產工藝的重要指標之一。如果規格尺寸不合格，施工時管材不能與管件很好地配合連接，會降低連接處的液壓強度，使用一段時間后可能會導致管道滲漏或破裂。造成塑料管材外徑不合格的原因主要是：企業生產工藝出現問題。其中涉及生產工藝過程的因素有：設備真空定徑、擠出速度、牽引速度、冷卻水箱長度及冷卻水溫度等。

造成塑料管材壁厚不合格的主要原因有兩點：（1）管材在生產過程中，設備口模、芯模中心沒有對正或設備機臺電流波動，造成出料時快時慢。（2）與生產企業選擇的原材料有關。對于大口徑聚乙烯管材而言，管材同一截面出現壁厚薄厚不均主要是在生產過程中出現了“熔垂”現象。不同牌號的原材料，其熔體質量流動速率不同。對于大口徑聚乙烯管材，管材因自重原因，容易發生“熔垂”現象，導致管材薄厚不均。而對于小口徑管材影響卻不明顯。

2.2 炭黑含量

對于塑料管材而言，外界環境如：降雨、陽光照射等因素會導致管材分子鏈斷裂，產生自由基加速材料降解老化。管材原料中一般會加入光穩定劑吸收屏蔽日光中的UV 紫外線。而炭黑是聚乙烯樹脂的最佳UV 穩定劑之一，加入適宜含量的炭黑，可有效地防止材料在UV 作用下的降解。炭黑含量過低，不能達到抗老化的效果，但含量過高，會形成較多的應力集中點，從而降低聚乙烯材料的力學性能。因此，根據標準，將炭黑含量控制在2.0%～2.5%可同時滿足強度和耐候性的要求。與此同時，炭黑在聚乙烯集體樹脂中分散度的好壞也是影響產品質量的關鍵因素之一。造成炭黑含量不合格的主要原因是：首先，生產企業在生產加工過程中，炭黑含量添加的量過多或過少造成。其次，生產過程中攪拌不均勻，造成炭黑含量不合格。

2.3 熔融溫度

熔融溫度屬于材料熱分析的一種，熱分析方法的核心就是研究材料在受熱或冷卻時產生的物理和化學的變遷速率和溫度以及所涉及的能力和質量變化。合理正確使用熱分析方法能快速高效分析混合物中組成成分的性質和含量。

熔融溫度一般針對的是冷熱水用聚丙烯管材。冷熱水用聚丙烯（PPR）管材在冬天或溫度較低情況下會表現出一定的低溫脆性。因此，為避免冬季運輸及滿足產品在低溫環境安裝施工。生產企業會在生產過程中會調整工藝配方，用以改善產品的低溫脆性。因此，管材配方比例不合適，容易造成熔融溫度偏高。

2.4 灰分

直接煅燒法是測定灰分的常用方法，通常高溫處理使塑料中的有機成分揮發，而無機成分（主要指無機鹽、氧化物）殘留下來，直到殘余物至恒重，這些最終的產物為灰分。灰分測試可以初步對塑料制品的成分進行一些定性甚至是半定量的分析。造成灰分不合格的主要原因是：生產企業使用不合格的色母或者添加了過量的回用料造成。

2.5 靜液壓強度

靜液壓強度試驗是考核給水用塑料管材物理力學性能最基本的項目，它直接影響管材的使用性能和壽命。管材靜液壓強度不合格造成管材在使用過程中容易出現滲漏現象，給日常生活帶來了不便。同時，對于大口徑管材，一般用于民生工程，如果管材靜液壓達不到要求，容易造成嚴重的工程質量事故。造成塑料管材靜液壓強度試驗不合格的原因主要有兩點：（1）生產企業在生產過程中的擠出工藝達不到要求。（2）生產企業在生產過程中添加過多的回用料。

2.6 斷裂伸長率

斷裂伸長率是評價給水用聚乙烯（PE）管材柔性的重要指標[1]。

2、開展企業文化文藝作品征集活動。為了更好地建設和弘揚統一的企業文化，加強企業文化精品工程、落地工程建設，此次活動得到了中心領導的高度重視，班組員工廣泛參與。

影響給水用聚乙烯管材斷裂伸長率的主要原因有以下三點：（1）原材料選擇。生產給水用聚乙烯（PE）管材使用不同牌號的原料對其斷裂伸長率影響很大。特別是口徑較大的聚乙烯管材（如：dn630mm）。使用新疆獨山子石化生產的牌號為4808 的原材料與蘭州石化生產的牌號為7100M 的原材料生產的規格型號為PE100 dn630×en70.3mm 的管材，制備的類型3 試樣，其斷裂伸長率結果數據相差巨大。（2）制樣方式及刀具的影響。國標GB/T 8804.1-2003 中規定拉伸試樣可沖裁或機械加工。在對聚乙烯管材進行銑削前，應確保制樣刀具光滑無缺口，并且需對刀具進行定期更換，防止因刀具磨損造成試樣表面品質缺陷，造成應力集中現象。（3）嚴格按照要求對拉伸試樣進行狀態調節。塑料管材對溫度敏感，特別是北方冬季，對于較厚的聚乙烯管材，如果不按照要求對聚乙烯管材進行預處理，管材會因為溫度低，脆性增強，而韌性降低[2]。

2.7 氧化誘導時間

氧化誘導時間就是特定的溫度下，當材料暴露在氧氣或者空氣中時，材料發生氧化所需要的時間。氧化誘導時間越長，塑料管材的耐老化性能越好。因此，熱氧穩定性直接影響到聚乙烯給水管材的使用壽命。塑料管材氧化誘導時間不合格的主要原因是：生產企業使用的原材料不符合要求，不能達到標準使用要求。

3 主要檢測方法要點分析

3.1 尺寸測量

管材外徑和壁厚現行的測量方法標準為：GB/T 88 06-2008。同時，部分產品標準中也規定在測量尺寸過程中的具體要求和注意事項。例如：給水用聚乙烯（PE）管材產品，該產品的執行標準為GB/T 13663-2018。其中標準中第6.3.2 條規定：“管材端口處的平均外徑可小于公稱值，但不能小于管材末端1.5dn 或300mm（取兩者之中較小者）處測量值得98.5%”。因此，在測量該類管材平均外徑時，建議檢測人員在距離端口1.5dn或300mm 處測量。有此規定，主要是因為熱塑性塑料管道，特別是大口徑管材，如管材外徑為dn800 的聚乙烯管材，其切口處容易產生“縮口”現象，導致管材端口處外徑偏小，影響管材的熱熔對接。

在測量管材產品壁厚時，GB/T 8806-2008 中規定：“應在選擇的測量截面距試樣的邊緣不小于25mm 或按照制造商的規定”處測量。對于熱塑性塑料管材，在測試管材壁厚時不能在截面端口處直接測量。同時，應使用管厚規等專業儀器設備進行壁厚測量。

3.2 炭黑含量

在高溫氮氣（N2）保護條件下，聚烯烴材料熱裂解為烷烴、烯烴、炔烴等小分子可揮發物質，而炭黑未發生任何變化。冷卻稱重，在氧氣（O2）存在的更高溫度條件下繼續煅燒，使炭黑生成二氧化碳（CO2）并揮發，冷卻稱重，計算兩次試樣質量差占試樣原始質量的比例，即為炭黑含量。

現行的測定炭黑含量方法標準為GB/T 13021-1991。依據方法標準對樣品進行檢測時應注意以下兩個問題：

1.無機填料的干擾。GB/T 13021-1991 方法標準不適用于添加無機填料（如碳酸鈣、滑石粉等）的炭黑含量測定。方法標準中明確規定：“如果試驗灰分含量大于試樣質量的1%，則要報出灰分含量，并注明測定的炭黑含量可能超過實際值”。因為碳酸鈣（CaCO3）在高溫煅燒中可分解為氧化鈣和二氧化碳，化學方程式如下：

因此，建議如果需要測定含有無機填料樣品的炭黑含量，應對公式進行修正后估算。具體炭黑含量（%）計算公式如下：

式中：

c——修正后的炭黑含量，%。

m0——樣品舟質量，g。

m1——樣品舟和熱解前試樣的質量和，g。

m2——樣品舟和熱解后試樣的質量和，g。

m3——樣品舟和煅燒后試樣的質量和，g。

100——碳酸鈣的分子量。

56——氧化鈣的分子量。

2.標準存在理論誤差。因為聚烯烴材料的熱裂解在沒有定向催化劑的作用下會產生殘余碳，影響試驗結果。

3.3 灰分

塑料管材產品灰分的來源主要是塑料添加無機物，包括：填料（如碳酸鈣）、增強材料（如玻璃纖維、晶須）、催化劑殘余、顏料等。無機物的存在可以起到穩定尺寸、增強、染色、催化聚合、降低成本等作用，根據用途其含量各不相同。目前，灰分檢測的方法標準為GB/T 9345.1-2008 中的方法A。在試驗過程中應注意以下兩點：（1）樣品的取樣量應滿足能夠產生5mg～50mg 的灰分。對灰分很少的產品，必須增大試樣量。如果樣品量多，應分批次將樣品加入坩堝中進行燃燒，且每次放樣量不能超過坩堝高度的一半。同時，加熱源溫度不可過高，防止劇烈燃燒，造成灰分粒子損失；（2）在燃燒和煅燒過程中，盛放試樣的坩堝應半蓋蓋子。一方面，確保充分氧氣（O2）與試樣燃燒。另一方面，防止樣品飛濺，造成試驗結果誤差。

3.4 靜液壓強度試驗

靜液壓強度試驗是給水用塑料管材的重要性能指標?，F行的方法標準為GB/T 6111-2018。在靜液壓試驗過程中，應注意以下五點：（1）在計算試驗壓力時，應找到管材的最小壁厚emin。管材壁厚是計算靜液壓強度試驗壓力的重要因素，特別是口徑較小的管材，最小壁厚的波動，對管材試驗壓力值影響較大；（2）因為聚烯烴有結晶時間，因此，管材試驗應在管材生產后24 小時候再進行檢測試驗；（3）靜液壓強度試驗如果試樣在距離端口0.1dn 處破裂，應重新進行試驗。目的是防止因夾具緣故造成對管材液壓試驗的影響[3]；（4）對于給水用鋼絲網增強聚乙烯復合管材（執行標準：GB/T 32439-2015）或鋼絲網骨架塑料（聚乙烯）復合管材（執行標準CJ/T 189-2007），在進行液壓試驗（60℃，165h）或（80℃，165h）時，應對管材試樣兩端進行塑封，防止因液壓周期較長，導致試驗壓力和水從鋼絲網層滲入，造成管材破裂；（5）定期計量靜液壓設備壓力值，并對水箱溫度進行期間核查，防止設備因控壓不穩，造成壓力值升高，管材破裂。同時，塑料管材對溫度較為敏感，對水箱溫度進行期間核查，避免因水箱溫度高于標準要求的試驗溫度，導致管材破裂。

3.5 氧化誘導時間

現行的檢測塑料管材氧化誘導時間的方法標準為：GB/T 19466.6-2009 和GB/T 17391-1998。方法標準中明確規定了取樣方法及取樣大小。檢驗人員在取樣時應嚴格按照標準要求制取試樣，并在制樣過程中防止試樣過熱。同時，取樣時應盡量避開管材端口處。因為對于大口徑管材，在從一根6m 的管段上截取試樣送檢前，有可能因為裁樣工具與管材摩擦生熱，已經造成管材端口處管材受熱氧化。

4 結語

本文通過分析給水用塑料管材質量問題并對其出現的問題進行研究探討，旨在幫助生產企業提高產品質量。同時，分析試驗過程對檢測結果的影響，有利于檢驗檢測機構不斷提升檢驗檢測水平，確保檢驗檢測結果的準確性，為產品質量、工程質量提供有力、可靠的技術支持。