新一代高抗慢裂纹增长的PE100管道材料

作者:博禄公司 王欣 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2015-05-27
在用塑料管材修复和铺设城市管网的过程中,不同于传统开挖的非常规施工技术正在获得越来越多的应用。然而,非常规施工易对塑料管材的外表面造成损伤进而缩短管材寿命。博禄为此提供了解决方案。

在用塑料管材修复和铺设城市管网的过程中,不同于传统开挖的非常规施工技术以其施工便利、减少对城市生活的打扰以及恢复时间短等优势,正在获得越来越多的应用。然而,非常规施工易对塑料管材的外表面造成损伤进而缩短管材寿命。为此,博禄公司开发了新一代高抗慢裂纹增长的PE100管道材料BorSafe HE390-LS-H。

前言

市场上销售的聚乙烯原料一般来说分为两种,即通用料和专用料。通用料是一般的消耗品,如薄膜原料。而专用料是有特殊用途的产品,如聚乙烯压力管道原料,也称为聚乙烯压力管道混配料。由于聚乙烯压力管道是一种用于市政基础设施建设、替代传统材料制造的管道,因而其对设计应力、应用环境和使用寿命具有一定的要求。

我们通常说的PE100管道原料,指的就是用这种材料制造的管道在20℃、外推50年使用寿命时,管道所需最小环应力至少为10.0MPa,这也是我们目前熟知的压力管道原料分级指标(MRS)。此外,耐慢速增长(SCG)和耐快速裂纹扩展性能(RCP)也都是现代管道专用料的基本性能要求。

经过半个多世纪的发展,人们对材料的认识不断深化,已经能够通过分子设计最大化体现高分子材料的优势。特别是以20世纪90年代的北欧化工双峰聚合技术为特征(材料既满足加工要求,也满足使用性能),聚乙烯压力管道专用料的发展到达了一个顶峰。在此之后,PE100管道原料的发展更加细化,以满足产业链的不同需求。例如,大口径低熔垂的BorSafe HE3490-LS、提高流动性的PE100管件级专用料BorSafe HE3490-IM,以及现在的新一代高抗慢裂纹增长的BorSafe HE390-LS-H。

高抗慢裂纹增长BorSafe HE3490-LS-H专用料的开发,主要是为了适应日益增长的、非传统施工的要求(如老旧管网的非开挖修复,恶劣环境下的无沙填埋施工等)。与常规的开挖技术相比,非开挖技术相对成本较低,能很大程度上降低对现有资产和居民生活环境的干扰。然而,这些施工技术不可避免地会给管材的外表面造成损伤,而这些表面损伤很可能成为管道慢速开裂的初始点,最终导致缩短管道的预期设计寿命。
BorSafe HE3490-LS-H的优势,就在于在满足普通PE100管道专用料其他性能的基础上,通过连接聚乙烯结晶间的带系分子的缠结作用,使管道的表面损伤不能影响原有管道材料的设计寿命,也就是说该材料具有更加优异的抵抗慢速裂纹增长能力。

高抗应力开裂BorSafe HE390-LS-H材料的应用实例

1.作为钢管内衬,延长工业管道使用寿命:南非输送矿浆项目

位于南非约翰内斯堡西部45km处的兰德方丹镇以黄金作为经济支柱。它创建于1890年,旨在服务于当地金矿产业,此后人口稳步增长至目前约15万人。最初的矿井在20世纪60年代关闭,但1976年在兰德方丹南部发现了新的金矿和铀矿。目前,黄金的高价值也使许多早期废矿或尾矿具有重新开采的价值,而近期新安装的管道旨在继续开采这些尾矿,并把矿浆输送到加工厂。该项目总共有4条管道,其中3条用于输送尾矿泥浆,第4条用于供水。这些400mm和450mm口径的管道大约长9km,需要穿过3个国家公路交叉口和3个铁路交叉口,并且还要穿越部分湿地。

为了防止这些钢管因矿浆中的锋利颗粒而发生磨损,Mocke建设公司决定采用Sureline紧衬插入技术为钢管增加PE100衬管。衬管由Marley管道系统公司采用博禄公司的BorSafe HE3490-LS-H混配料制造。这种高抗应力开裂材料的分子结构使其能够很好地阻止裂纹沿着管壁蔓延。此类材料制成的管道非常适用于输送可能导致管道表面出现划痕或其他损坏的高摩擦性物料。衬管的厚度介于12~14mm之间,为钢管的内表面提供了最佳保护,并显著延长了管道的使用寿命。

施工过程中,人们先将衬管运到现场,然后将其连续焊接在一起,组成长达500m的管线。清除焊缝残渣后,再将管道折成“C”状,并固定在适当位置,以便能轻松插入钢管内部。一旦衬管到位后,可以通过气压使其挣断绑带,恢复圆形,最后与钢管内壁形成紧密配合。整个项目在10个月内顺利完成。项目结束后,Mocke 建设公司总经理Hein Mocke表示:“BorSafe HE3490-LS-H 材料即使在低温下依然能以非常均匀的方式折叠。因此,我们认为它是利用Sureline系统进行管道加衬的理想材料。”

南非输送矿浆项目:左:吊起钢管使管线就位;右:大型并行矿浆输送管线

2.采用“裂管法”,更新乡镇老旧管网:中国常州三茅殿农饮水项目

近年来,随着城市交通系统的飞速发展,道路、桥梁及隧道纵横交错,然而对采用传统的明挖法来讲,高标准的施工要求会带来繁复的破坏审批手续和高昂的破坏成本——不但需协调的部门多,工期长,费用高,而且由于拉链式施工带来不可避免的固体、气体、液体和噪声污染,对资源造成极大浪费。

我国的非开挖工法经过十年的发展,在某些大型城市已得到一定程度的普及,例如上海市各种管线施工中使用非开挖技术的比例已达23%。常州市也于2014年8月5日出台了《常州市控制城市道路挖掘管理规定》明文规定:除特殊情况,新建、扩建和改建城市道路交付使用后5年内不得开挖,大修城市道路竣工后3年内不得开挖;鼓励采用非开挖技术敷设城市道路管线。

三茅殿位于常州市西北部,地处孟河镇,该管线为DN160的水泥管,承载压力2~3kgf/cm2(约0.2~0.3MPa),平均埋深0.5~1m,全长4km。本项目所在地是一条乡间公路,由于店铺密集,该公路车流量巨大。管道建于上世纪80年代,目前还在为附近居民提供自来水,常年使用漏水严重且经常抢修,同时可能引发相应的污水流入、地基塌陷以及爆管等事故。为了解决这些问题,需要对相应的管线进行修复。

为了避免断水、开挖等工序对附近居民造成不便,经过现场踏勘和第一轮非开挖方案讨论,综合考虑水头损失、工程造价以及施工速度等因素,常州通用自来水有限公司最终选择裂管法作为修复方案。所谓裂管法,是通过连接在新管道上的裂管器的牵引,对需更换的管道进行无振动破裂,并将管道热熔焊接,通过发射井进入管道,然后不间断拖入接收井。

考虑到裂管工法的技术敏感性,三茅殿项目所用的DN225 HDPE管道是由高抗应力开裂BorSafe HE390-LS-H材料制造,项目承揽方江苏萨德通用建设工程有限公司派员工去管材厂家——山东胜邦塑胶有限公司监造生产全过程,以保证产品质量。由于管道焊接的技术风险和敏感性,胜邦塑胶有限公司还提供了全自动PE管道焊接设备和技术,确保了正常施工管段未出现焊接接头的质量问题。

3.在拥挤城市施工:印度供水管道项目

亚洲的许多城市都拥有狭窄的街道,人流和车辆拥堵在一起,这令管道铺设变得极为困难。而利用PE管道进行水平定向钻进(HDD)安装可以解决这个问题。HDD技术可以同时减少对城市当地生活的干扰以及随后恢复工作所需的时间。然而,许多工程师也很关注PE管道可能出现的潜在损坏,以及这是否会缩短新管道系统的寿命。但是,根据博禄公司的Prashant Nikhade 撰写的《关于印度中部繁忙城市那格浦尔的供水管道项目报告》,高抗应力开裂BorSafe HE3490-LS-H材料的使用可以完全消除这些顾虑。

那格浦尔拥有250万人口,是印度中部马哈拉施特拉邦的第二大城市。和许多印度城市一样,这里也经常因为管道漏水率高而面临间歇性供水。为此,那格浦尔市政公司(NMC)打破传统模式,发布了一份旨在改善城市供水状况的“24×7”公私合作招标合同。经过严格招标流程之后,他们把第一份全天候“24×7”供水合同授予了法国Veolia(威立雅)印度子公司与当地基础设施公司Vishwaraj Infrastructure联合创建的一家合资企业——Orange City Water (OCW)。

根据这项合同,OCW将负责整座城市未来25年的供水,并在未来5年内完成将35~45万住房连接到具有均衡水压和持续供水的配水管网的计划。在该城市Dharampeth区的试点项目研究中,OCW 测试了各种方案,并很快意识到:为了保持公众支持,他们需要最大限度减少在狭窄的城市街道中施工所造成的影响。而采用非开挖安装技术,尤其是尽可能使用HDD(水平定向钻进),可以满足上述需求。

在这一预计为期5年的项目中,所安装的PE主干管道的总长度将超过640km。大多数管道的口径将达到110mm,当然同样需要一些口径达到400mm的大口径管道。预计总长度中约30%可采用HDD技术安装,这是HDD在印度地区首次达到如此高的应用规模。截至2014年3月底,实际安装量已经超过了总需求的50%,远远超过计划目标。到目前为止,安装或随后的操作过程中均未出现任何爆管现象,这充分证明OCW选择了正确的安装技术以及高品质的高抗应力开裂PE100材料。如果继续保持该进度,那格浦尔将成为印度第一座拥有完整的“24×7”全天候供水(系统)的人口过百万的城市。

上图:常州三茅殿农饮水项目:左:施工现场;右:焊接好的管道                

下图:印度供水管道项目:左:试点项目研究选在那格浦尔的一条狭窄街道;右:利用HDD设备在那格浦尔街头安装新的水管

结语

地下管网就像城市的大动脉一样,为人们提供饮用、烹调和洗衣所需之水,以及提供做饭、取暖之燃气,并把污水输送到处理厂。像其他的结构一样,这些管材随着时间而劣化,终究需要修复或替换。由于多数城市都由中心向外发展,旧的管道可能在拥挤的中心区域,使得管道的替换成本非常高且有很大的破坏性。

博禄公司的高抗应力开裂BorSafe HE390-LS-H管道原料能为上述问题提供最佳解决方案。

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