发展大直径塑料压力管
1 发展大直径塑料管的大趋势
国内外塑料管的应用都是从较小直径的起步，逐步向较大直径发展。（对于大直径并无规定定义，本文中说的大直径是指直径800mm以上。）值得注意的是近年国际上出现发展大直径塑料管的大趋势，推动这一发展的根源是环境保护。众所周知，目前全球面临一场应对气候变化之战，各国都要担负减少碳排放的责任。在管道行业无疑也必然要求更加重视对环境的影响问题。
以前在选择管道材料时一般着重考虑功能和经济，推广塑料管的理由通常是因为塑料管卫生，抗腐，防泄漏，制造和铺设方便……等。在中小直径范围塑料管的这些优点比较突出，经济性也比较好，所以应用就日益广泛。但是，在大直径范围采用塑料管常受阻在经济性上难以和传统管道竞争。近年在越来越关注环境效益的新观念下，管道在制造，运输，铺设，和运行中耗费的能源（相应碳排放）和对环境对其他影响成为重要的选择依据。调研证明塑料管是‘环境友好’的绿色建材，和传统管道比较可以显著减少碳排放，或者按照国内的说法符合‘节能减排’方针。
例如：英国政府已经制定目标，在2050年要减少碳排放60%。英国的水工业也相应制定了大幅度减少碳排放的计划。它们调研的结论是用塑料管替代传统管道效果显著。下图（图1）中比较了2100mm HDPE管和三种2100mm混凝土管的碳排放，即使是最节能的混凝土管也要比HDPE管高50%。所以近来在英国增多了应用大直径塑料管工程（图2）[1]。
2 大直径塑料压力管的市场
大直径塑料管包括压力管和无压管两大类。
大直径无压塑料管的市场主要是埋地排水管，以及雨水利用工程等。大直径无压塑料管都用结构壁管，包括全塑料的缠绕熔接结构壁管和钢增强缠绕熔接结构壁管两大类，在国内外都有很大的应用量。国内制造大直径无压塑料管已经很成功，实际应用的最大直径2500mm，目前绝大部分采用聚乙烯（聚丙烯缠绕熔接结构壁管在试验阶段）。本文不讨论大直径无压塑料管。
目前大直径塑料压力管的应用国内外都还比较少。我国市场上只有聚乙烯实壁管一种，最大直径达到1600mm。其中800-1200mm的应用已经较多。国外市场上目前也主要是聚乙烯实壁管，最大直径达到2000mm，近年国外开始少量应用缠绕熔接方式制造的大直径塑料压力管，包括增强和不增强的。
大直径压力管道的市场是非常庞大的，尤其是在经济蓬勃发展的中国。我国各地建设中的输水工程，引水工程，排海管道，灌溉管道都大量需要可靠，卫生，耐久又有利环境保护的大直径管道。值得注意的是：现在采用的传统压力管道并不能都满足这些要求，例如：目前通常采用最多的混凝土管道和球墨铸铁管道都可能影响水质，在腐蚀性环境（如沿海高盐份土壤管）中都难保证耐久。尤其在要求‘抗震设防’的我国广大地区目前采用的刚性传统管道是有高风险的（我国大城市大部分属于必须进行抗震设计的‘抗震设防烈度’6度以上地区[2]）。因此，我国大直径管道的用户和负责设计施工的工程界是在期盼和寻求新型管道。如果我国塑料管道业能够提供性能优良又经济的大直径塑料压力管，可以开拓出的市场将是非常广阔的。
近年我国大直径塑料实壁管应用日增的信息就反应了市场有需求的证明。例如：
2006年历来很保守的北京铺设了直径1000mm的聚乙烯中水管道；
2008年江苏滨海8.3km排海工程用1000mm PE道（沉海段5.7km）；
2008年大陆到金门12.6km输水工程用800mm PE管（沉海段4.5km）……。
3 发展大直径塑料压力管的难点
大直径塑料压力管发展的难点有三方面：
1）成型困难：
传统上制造承受内压的实壁管都采用挤出成型工艺，但是这种工艺很难制造直径很大的实壁管。目前国际上挤出成型的塑料管最大就到2000mm。而且，制造直径1000mm以上的实壁管挤出生产线和机头需要很高投资。
2）耐压能力：
由于塑料的强度有限，大直径塑料实壁管需要很厚的管壁。例如公称压力PN 10（工作压力1MPa）的PE100管材要求SDR=17，下表（表1）是SDR 17的PE100管材在1000-2000范围的壁厚和米重。部分要求的管壁厚度已经超过制造工艺的可能范围。所以目前较大直径塑料压力管的耐压能力都不高。
3）消耗成本：
如果不设法增强，即使能够制造大直径塑料压力管，由于材料的消耗和成本很高也难与传统管道竞争。
表1 PN 10，SDR17，PE100管材的壁厚和米重
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直径mm |
1000 |
1200 |
1400 |
1600 |
2000 |
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壁厚mm |
59 |
71 |
82 |
94 |
118 |
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米重Kg/m |
52 |
75 |
101 |
133 |
209 |
在大直径无压塑料管的发展过程中遇到过类似的难点。成功解决的技术方案是：
1）采用缠绕熔接成型，
中小直径的无压塑料管（无论是实壁管还是结构壁管）通常是采用挤出成型工艺，大直径无压塑料管就适合采用缠绕熔接成型。例如挤出成型双壁波纹管虽然最大直径也可以达到1000mm以上，但是生产线和模具投资过大，实践证明缺乏竞争力。所以国内外现在制造大直径无压塑料管绝大部分采用缠绕熔接成型，尤其是直径2000mm以上的。
2）采用复合增强材料。
大直径无压塑料管发展初期都是没有增强的全塑料缠绕熔接结构壁管。用缠绕熔接成型方法不难制造出直径大到3000mm的无压塑料管，但由于塑料的弹性模量较低，为了达到埋地铺设所必须的环刚度不得不采用具有很大惯性矩结构壁，造成过大的材料消耗和成本。为了避免成本过高常常不得不采用较低的环刚度或采用加填充剂的原材料，结果造成质量不可靠。因此不少国家先后开发了把金属与塑料复合的大直径无压塑料管。利用钢的高弹性模量（是聚乙烯是200多倍）比较容易地达到环刚度，大幅度地减少了材料消耗和成本。目前在我国大直径无压塑料管市场上钢带增强聚乙烯波纹管已经成为主流产品。
是否可以吸收大直径无压塑料管的经验突破发展大直径塑料压力管的难点呢？本文提出以下分析供讨论。
4 采用缠绕熔接工艺制造大直径塑料压力管的可行性
众所周知，采用缠绕熔接成型制造大直径无压塑料管已经普及。实践证明按照标准制造的缠绕熔接结构壁管应用于埋地排水管等无内压领域是可靠的。不同的是，采用缠绕熔接成型制造大直径塑料压力管刚起步，目前国际中只有少量产品进入市场。原因在压力管管壁要承受较高的应力，对于熔接的强度有更高的要求，而且大直径塑料压力管通常应用于干管，一旦破坏后果严重，所以各国都很谨慎。关键的问题是采用缠绕熔接能不能达到压力管要求的强度。
虽然现在还缺乏大量和长期使用缠绕熔接大直径压力塑料管的测试数据和实际经验，但是从理论上分析，如果熔接的条件合适，塑料熔接的强度可能达到等同塑料本体的强度。
在直接挤出成型塑料实壁管时，在挤出机头中都有一个塑料熔体分离后再熔合的过程，例如在支架型挤出机头中塑料熔体流在支架处被分成几股，流过支架后再熔合。如果熔接不佳就会形成容易破坏的熔接缝，反之熔接良好熔接处就可以达到同等强度。
聚烯烃管材的对接熔焊也是一个熔接的过程。众所周知，按照标准规范完成的对接熔焊接头处的强度可以达到和管材本体相同的强度。这也证明采用缠绕熔接成型压力管壁是可行的，关键在熔接的条件（温度，压力，时间等）必须合适。
理论的分析需要实践来证明。国际上进入市场的缠绕熔接压力管还不多，但是已经证明采用缠绕熔接成型制造塑料压力管是有可能的。例如，2006年Solvay公司向德国EGEPLAST转让了名为HexelOne的新专利技术。现在商品名HexelOne®的产品已经进入市场。这是一种可以用于16巴输气和32巴输水的高压压力管。虽然制造工艺是保密的，但从Solvay专利技术的简单介绍中知道是采用缠绕熔接成型的，三层材料都是HDPE。内层保证流体的密封，中间层是交错缠绕的单轴拉伸取向的增强HDPE带，外层是保护层[3]。目前已经生产的HexelOne®是小直径的，但是Solvay专利介绍可以生产直径范围180-1200mm，压力范围10-25bar的增强复合管。下文还要介绍的德国KRAH生产的PE-GF大直径压力管也是采用缠绕熔接成型的。
5 采用增强减少大直径塑料压力管消耗和成本的可能性
如前所述，发展大直径塑料压力管的难点之一是消耗和成本问题。很明显，解决的方法是增强。在较小直径的高压管道领域增强热塑性塑料管已经有大量成功的经验（虽然这些管道的塑料层没有采用缠绕熔接成型）。例如：建筑内冷热水用的铝塑复合管，石油开采和天然气长途输送用的各种增强热塑性塑料管RTP，深海石油开采用的多层挠性管…都是通过在管道结构中结合增强材料来提高和保证耐压等性能。实际上在高压管道领域根本没有可能采用不增强的塑料管。
增强的材料有很多种，通常采用的是和塑料本体不同的高强度材料，包括金属复合层（铝，钢），金属带或丝，合成纤维，玻璃纤维，碳纤维…等。近年还开发出采用‘同质增强’，即采用经过拉伸取向的塑料带增强。如前文已经提到的HexelOne技术。目前的产品用拉伸取向的聚乙烯。因为三层的原材料都是聚乙烯所以可以和聚乙烯管一样熔接而且容易回收再循环利用，所以又称为‘可循环利用的增强’。
由于增强的塑料管起步晚于不增强的塑料管，对于发展增强的可行性和必要性一直有些争议。发展到今天应该可以确认增强不仅是可行的而且在有些领域是必要的，但是增强的方法必须科学合理。通常把一种管道有没有国际标准作为技术是否成熟的标志，近年国际标准组织不仅相继发布了铝塑复合管，增强热塑性塑料管RTP等ISO标准，并且已经在起草下文中介绍的玻纤增强聚乙烯大直径压力管的ISO标准，可以看到国际上对于发展增强塑料管是认可和支持的。
国外也探索过采用缠绕熔接制造不增强的大直径塑料压力管，但是不增强只能应用于很低的压力。如芬兰KWH公司制造了一种设计特殊的‘中空壁管’ LDPWPE，已经应用在几个低压引水管道工程（如B. C. Hydro’s Rutherford 水电工程用了3公里直径3m的LDPWPE，压力在1 bar[4]）。如果多层缠绕熔接也可以提高耐压但是没有竞争力。例如德国KRAH在十多年前制造的‘克拉管’生产线就可以采用多层缠绕熔接制造实壁的大直径塑料压力管，但是一直没有产品进入市场。
6 国内外开发缠绕熔接增强大直径塑料压力管的探索动向
国际上发展缠绕熔接增强大直径塑料压力管比较晚也比较慢，但是探索一直在进行。根据目前了解的信息已经有产品进入市场的是德国KRAH（克拉）公司开发的PE-GF大直径压力管。
KRAH公司早期是制造缠绕熔接成型结构壁管生产线的，这种生产线在2000年就被引进中国，生产的埋地排水管通常被称为‘克拉管’。 KRAH公司很早就在开发缠绕熔接增强大直径塑料压力管，采用的制造工艺是和制造‘克拉管’类似的缠绕熔接成型，增强材料是玻纤。产品是三层结构，内外层是标准的PE100，中间层是混合玻纤（短纤维）的玻纤增强聚乙烯PE-GF。KRAH公司称这种管道为KPPS。根据KRAH公司介绍资料，内径范围300mm到4000mm，长度6m，玻纤增强聚乙烯的最小要求强度MRS =18-20MPa[5]。所以壁厚比PE100管材减少50%。连接可以采用对接熔焊，承插电熔，法兰连接等多种方法。
欧美国家对于这种新型管道是积极又谨慎的。按照ISO 9080标准进行了长期强度试验来测定最小要求强度MRS，国际标准组织ISO TC 138 SC2从2005年开始起草产品标准（目前还在草案阶段，文件是ISO/DTS 29561-1.5[6]），美国2008年发布了ASTM F2720 ‘玻纤增强聚乙烯（PE-GF）缠绕大直接标准’[7]，近年开始看到在欧美有一些PE-GF管道实用工程的报道。例如：
2009年在哥伦比亚铺设了一条1000mm,10bar,7公里PE-GF管道；
美国佐治亚州铺设一条915mm, 10bar, 220m PE-GF管道；
2008年荷兰佛兰德铺设一条400mm, 8bar, 185m PE-GF管道。 国内近年也有企业在开发增强大直径塑料压力管。各企业采用的技术方案不同。笔者建议优先探索的方案是采用类似KRAH公司的缠绕熔接方式，采用钢丝缠绕。简单介绍如下供探讨。
制造设备类似KRAH公司KPPS设备，管材分段制造，把挤出的熔态聚乙烯带缠绕到旋转的筒状芯模上，在控制的温度压力下互相熔接成管壁。更换筒状芯模就可以制造不同直径的管道，改变缠绕熔接的带形和层数就可以制造不同壁厚的管道。
管道结构是三层，内层聚乙烯保证流体的密封，中间层是增强钢丝层，外层聚乙烯是保护层。调整增强用高强度钢丝的尺寸，数量和缠绕布局就可以达到要求的抗内压性能。因为完全依靠不蠕变的钢丝承受负载，不需要测定MRS，可以根据短期试验确定长期耐压性能。
利用分段制造的灵活性可以在管段两端反复缠绕增加管壁厚度，达到管端部分不增强就可以达到要求耐压性能。形成的加厚管端部分尺寸与同直径同压力的全聚乙烯实壁管一致。这样可以采用通常的对接熔焊方法连接（包括增强管之间连接以及增强管和标准全聚乙烯实壁管的连接）。此外，利用分段制造的灵活性还可以把管端制造成承插连接用的承口插口或法兰连接和卡箍连接用的突缘端等。
第一步采用钢丝增强比较容易实现产品商品化（包括制定标准），有了该缠绕熔接设备后可以在这个平台是开发其他增强方法，如玻纤增强聚乙烯（PE-GF）。如‘单轴拉伸取向的增强HDPE带’……等。
7 对开发大直径塑料压力管的建议
相信大直径塑料压力管不仅有广阔前景，而且国内具有自主创新开发的条件，通常以下建议供参考：
1） 建议国内塑料管业顺应环境保护的大趋势抢先开发大直径塑料压力管。
2） 建议探索采用缠绕熔接成型和增强的技术路线开发大直径塑料压力管，与发展挤出成型大直径塑料压力管互补。
3） 建议优先考虑采用国内条件比较成熟的钢丝增强法。
4） 建议特别注意大直径塑料压力管连接的方便性。
5） 建议领先的管道生产企业和设备制造企业密切合作开发。