工業裝置用塑料管材的選材設計

王興龍 中海油石化工程有限公司 濟南 250101

塑料管材以重量輕、耐腐蝕、流體阻力小、安裝方便、使用年限長等顯著的優勢，在建筑、給排水、市政、工業裝置等行業得到了廣泛應用。而且塑料管材相比金屬管道，價格低廉、原料易得、生產周期短，這都極大促進了塑料管材的推廣應用。

本文介紹工業裝置常用的熱塑性塑料管材的選材設計，材質有：氯化聚氯乙烯管PVC-C、硬聚氯乙烯管PVC-U、高密度聚乙烯管PE、鋼骨架聚乙烯塑料管Steel framed polyethylene、玻璃鋼襯聚丙烯FRP/PP、玻璃鋼襯聚氯乙烯FRP/PVC 等。塑料管材的選材設計從管材的適用溫度、耐蝕性、工業標準、壓力溫度額定值、閥門材料選擇和其他要點分別介紹。

1 塑料管材適用溫度

塑料管材受限于分子結構和組成，使其不能像金屬管道一樣承受高溫；且不同的塑料，分子式不同、結構也不同，耐受溫度也不一樣。熱塑性塑料在一定的溫度以下，保持高彈性狀態，才能有效地承壓[1]，而隨著溫度的升高，塑料的彈性狀態也會逐漸變成黏流態，而維卡溫度則是指示材料變軟、力學性能下降的一個溫度。塑料管材的長期連續使用溫度則關系選材設計，管線最高設計溫度則應低于塑料允許的最高長期連續使用溫度，也應遠低于維卡軟化溫度。溫度過低，塑料會呈現玻璃態，脆性轉變，力學性能下降。管線最低設計溫度還應高于塑料管材允許的最低長期連續使用溫度。塑料管材長期連續使用推薦溫度見表1。

表1 塑料管材長期連續使用推薦溫度

塑料管材設計還應考慮氣候環境對于管材的影響，環境溫度、溫差、日照時間等，均會影響管材的選擇和使用年限，特別需注意北方地區室外的塑料管材，應考慮防止結冰和環境溫度下的脆性轉變。

2 塑料管材耐蝕性

塑料的基本組成是高分子化合物，除了分子鍵合力，還存在分子間作用力等相互作用。塑料管材的耐腐蝕前提是，分子與介質不能發生化學反應、物理相溶，而且分子間隙應能防止介質滲透。化學反應就是塑料分子結構發生了變化，常見的有官能團變化、分子鏈斷裂降解等。物理相溶則由于塑料分子與介質可能有相似的官能團、分子結構等。

塑料管材耐腐蝕性首先考慮的就是化學耐蝕性。本文以常見的鹵水、鹽酸、次氯酸鈉、硫酸等常見的腐蝕性介質為例，介紹不同溫度、不同濃度的介質作用下，相應塑料管材下的耐蝕性，見表2。

表2 不同塑料管材的耐化學侵蝕表[2]

工程上一般推薦化學侵蝕性S 級以上的塑料用于輸送相應介質的管材，并且應經過液壓試驗、系統適用性試驗等一系列的測試，驗證系統安全性。化學侵蝕性L 級塑料不建議在相應介質環境下用于承壓管材。PE 塑料是長鏈的脂肪族化合物，分子結構決定了其對于許多化學物料的化學惰性，但對于氧化性強的次氯酸鈉、高濃度硫酸不具有化學惰性。PVC-U 聚氯乙烯強度比聚乙烯更高，PVC-C是在PVC-U 樹脂基礎上改性得到，聚氯乙烯氯化之后，分子排列不規則度增加，化學穩定性增加，其對于大多數酸、堿、鹽類具有化學惰性。

常用塑料管材對于流體介質的化學耐侵蝕性可以查詢ISO10358 標準。以常溫下31%質量分數的鹽酸為例，可以參考30%的耐化學侵蝕數據。詳見表2。PE 管材、鋼骨架聚乙烯管材、PVC-U 和PVC-U 管材在常溫下耐蝕等級為S，可以用于鹽酸環境，工程上較為常用的是PVC-U 管材和PVC-C 管材。

玻璃鋼襯PVC 和PP 復合管道是利用內層的耐腐蝕性，又利用玻璃鋼強度高、抗疲勞、抗老化性能優良，在PVC 或者PP 管外通過纏繞工藝復合玻璃鋼樹脂外護層，玻璃鋼層主要起到機械支撐作用。

3 工業塑料管材標準

國內塑料管材的發展較晚，最早只是應用于建筑和市政行業，相關工業塑料管材標準從上世紀80 年代才開始實行。塑料管用于工業流體時，應注意使用的場所和項目類型，建筑用塑料管與工業用塑料管的樹脂原料并不一致，化學侵蝕性不一致，結構滲透性不一致，因此，工業塑料管應注意選擇相應的管材標準。目前PVC-C、PVC-U、PE、Steel framed polyethylene、FRP/PP、FRP/PVC 等 工業塑料管材常用的相關標準詳見表3。

表3 工業塑料管材常用標準

4 壓力溫度額定值

塑料管材的承壓能力除了與材料本身性能有關系，主要決定于管壁厚，而管壁厚系列則是根據管材公稱壓力、預期使用年限等因素確定。塑料管材耐候性差、老化速度較快，這也導致塑料管材壁厚選擇時，要充分考慮預期使用年限，年限越長，建議選擇越大的壁厚系列。塑料管材膨脹系數大，管材性能受溫度等因素的影響大，不同溫度下管材的公稱壓力應注意考慮溫度對壓力的折減系數。

4.1 PVC-U 管材壓力溫度額定值

工業PVC-U 管材國內標準為GB/T4219.1，根據標準規定，公稱壓力PN 是輸送20℃水的最大工作壓力，隨著溫度的升高，允許壓力隨之降低，折減系數見表4。

表4 PVC-U 管材溫度對壓力的折減系數

參考廠商提供的數據，PVC-U 法蘭常溫下允許的壓力為10bar 左右，隨著溫度的升高，允許的壓力也會隨著降低，法蘭的溫度對壓力的折減系數見表5。工程上PVC-U 法蘭最高允許壓力建議參考表5 的折減系數進行修正。

表5 PVC-U 法蘭溫度對壓力的折減系數

4.2 PVC-C 管材壓力溫度額定值

工業PVC-C 管材執行標準為GB/T18998，標準中沒有規定管材溫度對壓力的折減系數。工程上PVC-C 管材最高允許的壓力，可借鑒廠商提供的PVC-C 管材溫度對壓力的折減系數，見表6。管材允許的工作壓力隨著溫度升高逐漸降低。

表6 PVC-C 管材溫度對壓力的折減系數

PVC-C 法蘭常溫下允許的壓力也是10bar 左右，隨著溫度的升高，允許的壓力也會隨之降低，參考廠商提供的數據，法蘭的溫度對壓力的折減系數見表7。工程上PVC-C 法蘭最高允許壓力建議參考表7 的折減系數進行修正。

表7 PVC-C 法蘭溫度對壓力的折減系數

4.3 PE 管材壓力溫度額定值

按照GB/T13663 生產的PE 管材，最高溫度不能超過40 ℃，最低工作溫度不低于0 ℃，PE 管材的實際公稱壓力建議按照溫度對壓力的折減系數進行修正。PE 管材溫度對壓力的折減系數見表8

表8 PE 管材溫度對壓力的折減系數

PE 管線法蘭是鋼制法蘭盤與PE 材質的翻邊短節組成的松套法蘭，法蘭盤材質可以由用戶確定，法蘭的最高允許壓力也隨著法蘭盤的材質變化。

4.4 鋼骨架聚乙烯管材壓力溫度額定值

鋼骨架聚乙烯管材相對于PE 管材的強度更高，承壓能力更強。根據HG/T3690 的規定，其最高允許溫度不超過70 ℃，最低工作溫度也不能低于0 ℃。公稱壓力PN 是輸送20 ℃以下水的最大工作壓力，隨著溫度的升高，允許的工作壓力隨之降低，管材的公稱壓力按照折減系數進行修正和折減，詳見表9。

表9 鋼骨架聚乙烯管材溫度對壓力的折減系數

鋼骨架聚乙烯法蘭是鋼制法蘭盤與鋼骨架翻邊短節組成的松套法蘭，法蘭盤材質可以由用戶確定，法蘭的最高允許壓力也隨著法蘭盤的材質變化。

4.5 玻璃鋼襯PVC 和襯PP 復合管材壓力溫度額定值

玻璃鋼襯PVC 復合管材在不同溫度下允許的工作壓力與管材的公稱直徑有關，詳見表10。

表10 玻璃鋼襯PVC 復合管材允許的工作壓力

玻璃鋼襯PP 復合管材在不同溫度下允許的工作壓力與管材的公稱直徑有關，詳見表11。

表11 玻璃鋼襯PP 復合管材允許的工作壓力

HG/T21579 和HG/T21636 標準明確了玻璃襯PP 和襯PVC 管材的允許工作壓力，除了與溫度有關，還與管材公稱直徑有很大關系，這也是許多塑料管材的共性特點，不過其它各塑料管材在標準制定時，并沒有區分不同規格管材的允許工作壓力。

5 閥門材料選擇

工業塑料管材用于腐蝕性介質時，閥門主體材質可選的主要有耐蝕金屬、塑料、鋼襯塑等。一般耐蝕金屬價格較高，出于成本控制的考慮，較少采用耐蝕金屬閥門。塑料閥門可選的材質主要是PVC-C、PVC-U、PVDF 等材質。塑料閥門相對于金屬閥門的顯著優點主要是：耐蝕性好、質量輕、造價低等。但塑料閥門行業產品良莠不齊，塑料閥門存在口徑小、耐溫差、閥門組件滲漏、閥門內漏嚴重、使用年限短等諸多缺點[3]。塑料閥門公稱壓力一般不超過PN10，隨溫度升高，允許壓力降低，折減系數可以參考相應材質的法蘭折減系數。鋼襯塑閥門充分發揮了鋼制閥體承壓能力高、內襯塑料耐腐蝕性能好等優點，目前，最常用的閥門內襯塑料是F46 聚全氟乙丙烯，這種氟塑料耐蝕性能優異，閥門襯F46 在塑料管線上應用普遍。

6 其余設計注意事項

塑料管材一般電阻率高，是優異的靜電非導體，流體介質積累的靜電電荷難以導出，時間一長，靜電積聚到一定程度，會擊穿管壁。如果流體介質是易燃易爆類或者周圍管道泄漏了易燃易爆介質，極有可能引燃介質，造成事故，因此，塑料管材一般不能用于輸送易燃易爆介質，而且也不宜在易燃易爆環境中使用，除非塑料管材做好靜電導出和屏蔽等工作。

塑料管材滲透率較高，不宜用于輸送滲透性強的流體，以避免造成人身傷害事故。

7 結語

塑料管材以耐腐蝕性、經濟性、使用年限長等優點，在現代工業中得到廣泛的應用。在工程應用中，設計人員應注意核查塑料管材的適用性，并充分掌握相關塑料管材的性能和標準要求，正確進行相關選材設計，并對管材應用的風險進行評估，做好風險防范措施。