PVC-OPVC-O 新技术新技术Rollepaal BV Rob G. Spekreijse摘摘 要要：虽然 PVC-O 技术已有 40 多年历史，但这项技术规范被广泛接受,通过各种标准并得到更好发展还是最近 10 年的事情。随着对环境问题关注度的提升，人们出现了节约材料，降低能耗和减少碳排放量等要求，未来几年 PVC-O管将成为满足这些要求的管道系统解决方案，尤其是用于供水，饮用水及废水等领域。PVC-O 相对于非聚合物管材具有明显的优势，不仅碳排放量远低于像球墨铸铁管这样的传统产品，还不存在腐蚀问题。此外，PVC-O 的其他优势也逐渐被列举和讨论。最新信息表明，PVC-O 管材在给水管道的安装上甚至优于聚烯烃（PO）类管道，如 PE100 管道。众所周知，在过去的 40 年里，形成了 4 种不同的生产 PVC-O 管道的技术方法：2 种离线式和 2 种在线式。本文将对这 4 种不同方法分别介绍并进行比较。作为一种可持续和可靠的解决方案，PVC-0 将会更好的发展。1 1 引言引言PVC-O 从普通 PVC-U 提高产生，即 PVC-O 的配方成分与普通 PVC-U 相同，这表明 PVC-O 的生产与稳定剂无关。因 PVC-U 并无标准配方，故而 PVC-O 的生产也无标准配方。PVC-O 的生产在玻璃化温度之上，具有与 PVC-U 相同的稳定温度，即在 75以上 PVC-O 可恢复到初始尺寸（拉伸后尺寸）。PVC-U 和 PVC-O 管道输送介质的正常使用温度是 4550，并都可以回收利用。生产 PVC-O 管道要先制造成 PVC-U 管道，从一个方向进行拉伸，被称为单轴取向 PVC-O，从两个方向进行拉伸被称为双轴取向 PVC-O。2 2 PVC-OPVC-O 国际标准国际标准 ISOISO 1642216422PVC-O 进入市场后，许多国家和组织都试图制订规范使 PVC-O 在本国甚至国际市场被接受。从 20 世纪 80 年代早期至今，许多国家制订了本国产品规范，例如 ASTM 1483-05、ANSI/AWWA C909-02、AFNOR XP T54-948、AS 4441、ABTN NBR 15750、CSA B137.3.1-9、SANS 1808-85 等。为使 PVC-O 得到广泛认可，制定符合各国相关规范的国际标准十分重要，2006 年发布实施的国际标准 ISO 16422（标准而不是规范），使其更容易标准化，并更容易理解其作为一种产品的制造。作为新技术，ISO 标准的制订有助于 PVC-O 在市场上被更广泛地接受。规范要求产品必须遵守，标准则具有指导性，通过指导可以得到规范的结果，即指导可以变为可能的规范。有时通过一项标准可以制定多项规范。从表 1 可见，2006 年 ISO 发布的 ISO 164221对理解 PVC-O 十分重要。将 PVC-U 取向，最终得到 PVC-O 产品的过程中，有 3 个重要因素：材料级别（MRS等级值）、总体使用或设计系数（系数 C）和所生产管道的公称压力，即公称压力（PN）。MRS 等级值（不是 MRS）是一个或多或少反映取向程度的值。PVC-U标准中有一个 250 的 MRS 等级值（MRS 等级值是 PVC-U 的 MRS 为 25MPa 时的 10倍）。PVC-U 取向程度越大，MRS 等级值就越高，PVC-O 的 MRS 也越高。MRS 等级值从 250 逐渐升高为 315、355、400、450 和 500，因此，对应的 MRS 也从 25.0MPa 逐渐提升到 31.5MPa，最高升至 50MPa。结合设计系数 C（也被称为安全系数）对材料强度（称为设计应力）进行定义。当材料的强度根据设计应力定义时，结合公称压力等级（取向后管材的公称压力），推出管材的 SDR 值。管材的 SDR 值是管材公称直径（管材的外径）与任一点壁厚的标准尺寸比。如上所述，MRS 等级值反映取向程度，值越高，材料强度越大。一些规范规定，MRS 等级值越高，所拉伸管材的百分比越大，在 DVGW 制定的 DVGW2规范中，MRS 等级值为 315，其轴向拉伸至少达到 10%和径向拉伸至少达到 40% 。而 MRS 等级值为 450，其轴向拉伸至少达到 20%和径向拉伸至少达到 80% 。MRS 等级值越高的管材越节省材料：表表 1 1 安全系数安全系数 1.61.6 的的 PN16PN16，200mm200mm PVC-OPVC-O 管材节省材料情况管材节省材料情况MRS 等级315355400450500材料节省33%41%48%53%57%所有规格都选择最高的 MRS 等级值是不可能的。某些国家的规范中规定了 MRS 等级值。荷兰仅承认 MRS 等级值为 315 的管材，德国仅承认 MRS 等级值为 355、400 和 450 的管材。主要的限制因素来自于 PVC-O 产品的 SDR 值。如果 SDR值太高，就会出现 PVC-O 管材壁厚变薄，管道连接出现问题（在 ISO 16422 中 SDR 值最大为 65）。因此，世界上大多数通过不同技术生产的 PVC-O 管材的 MRS等级值都在 450 或以下（97%）。在国家规范中通常会规定设计系数或安全系数。对于 MRS 等级值 450 或更高的 PVC-O 管材，美国使用的安全系数为 2.0（在美国称为安全系数 0.5），法国和西班牙使用的安全系数为 1.4。有理由相信，在不久的将来，PVC-O 管材将使用 1.25 的安全系数，将比上述的安全系数更加节约材料（至少节约 15%20%或更多）。欧洲 PE 管道已在使用的安全系数为 1.25。世界上大多数国家 PVC-O 管材使用的安全系数是 1.6（88%）。 3 3 与球墨铸铁管比较，与球墨铸铁管比较，PVC-OPVC-O 管道是可靠与可持续的产品管道是可靠与可持续的产品除了 PVC 管道外，世界上用于输水的管道还有球墨铸铁管（以下称 DI）。关于 PVC-O与 DI 不同的对比报告，主要结论均为 DI 的强度高于 PVC-O（见 Bonds3）。但实际研究得出的结果是：尽管 DI 的拉伸强度、冲击强度和刚度确实比 PVC-O 更大，但没有任何标准规定这样高的强度是输水管道必须的。DI 必须满足大量标准是因为它存在重大的问题：腐蚀。大部分独立研究输水主管道的文献证明 DI 材料比 PVC-U 差（因目前市场应用较少，PVC-O还未有这方面的研究）（见 Folkman4）。Folkman 在 2 个国家做过关于铸铁、球墨铸铁、PVC 和石棉水泥（其他材料使用较少）的对比研究（见表 2）。Folkman 报告中包括某些管道材料在一些国家安装的百分比和管道破坏率。PVC-U 是迄今为止使用在输水管道中最佳的材料，那就意味着 PVC-O 材料更加优越。 表表 2 2 美国和加拿大各种材料给水管道的破坏率比较美国和加拿大各种材料给水管道的破坏率比较材料CIDIPVC-UAC在美国安装百分比%29282311在加拿大安装百分比%2825273美国管道破坏率/100 英里/ 年23.94.32.97.0加拿大管道破坏率/100 英里 /年35.015.30.77.5总之，PVC-U 材料能被用于输水主干管道的原因是非常清楚的。下文我们将证明和介绍 PVC-O 材料比 PVC-U 具有更优越的性能。为表明一种产品的可持续性，大多可以通过LCA（生命周期评价）或 LCA 中的一个主要部分：碳排放量（也被称为影响全球变暖的二氧化碳排放 kg 当量）完成。众多比较得出了相同的结论。本文我们参考了 Davidovski5介绍的 Teppfa 调查研究。PVC-O 比 DI 更具吸引力。通常 MRS 等级值 450 的 PVC-O 的 LCA 影响只有 DI的 12%.这意味着 PVC-O 比 DI 负担的对环境变化造成破坏因素低 88%。PVC-O 对我们的下一代将更有益处。4 4 PVC-OPVC-O、PVC-UPVC-U 及及 PEPE 的比较的比较有几个特性来说明 PVC-O、PVC-U 及 PE 之间的不同。4.14.1 机械性能机械性能抗冲击性抗冲击性PVC-O 比 PVC-U 具有更好的抗冲击性。特别是在较低温度下，传统 PVC-U在 5以下易脆，PVC-O 则未显示出这个问题。在较低温度下，PVC-O 的抗冲击性甚至高于正常工作条件（温度 20C）下的 PVC-U。PVC-O 与 PE 之间也有不同，“时间”是这种差异的一个至关重要的因素：如何“长期”抵抗裂纹扩展的影响。由于 PVC-O 具有层状结构，因此出现的裂纹几乎不能通过管壁扩展，能够阻止裂纹开裂，所以，PVC-O 耐冲击性更高。虽然市场上出现了一些“昂贵”的专门抗开裂的 PE 产品，但 PE 材料依然遭受慢速裂纹扩展的困扰。尤其是慢速裂纹扩展的差别，导致在开挖沟槽施工中PVC-O 对回填材料的要求更少（抗冲击性更好）。4.24.2 力学性能力学性能PVC-OPVC-O 比比 PVC-UPVC-U 具有较低的抗弯曲性具有较低的抗弯曲性由于较低的抗弯曲性，所以在弯曲15时不必或完全不需要管材与配件连接时做简单的弯曲。PVC-U 材料是较不易弯曲的。因为 PVC-O 壁厚薄，因此抗弯曲性较低。PE 本身更加柔韧，但是其抗弯曲性较高，因为同等压力等级的 PE 管道需要更厚的壁厚。4.34.3 MRSMRS 强度提高，因此设计应力提高强度提高，因此设计应力提高MRS 值为 25MPa 的 PVC-U，假设上面提到的 SDR17 管材（200mm，PN16）的重量为 10kg/m。PE100 的 MRS 值仅为 10MPa（PE80 只有 8MPa）SDR11 管材重量10.5kg/m。PVC-O 的 MRS 值 45MPa 最为常用。因此，PVC-O 的壁厚要薄得多，SDR 37 管材重量仅为 4.7kg/m。PE100 的材料体积是 PVC-U 的 1.5 倍，是 PVC-O的 3 倍多。4.44.4 MRSMRS 强度提高，设计应力提高其壁厚更薄强度提高，设计应力提高其壁厚更薄相同管径、同等压力，仅管壁粗糙度不同的条件下，PVC-O 管材输送流体量约比 PE 管材大 34%，即可假设多输送约 34%的水。而在输水量相等的条件下，与 PE 管材比较，PVC-O 管材可选择更小的直径。以 PE100 为例，如使用 MRS50，C=1.4 的 PVC-O 管就会有很大的差异（其输水量会比 PE100 多 46%以上）。4.54.5 PVC-OPVC-O 的碳排放量比的碳排放量比 PEPE 和和 PVC-UPVC-U 低很多低很多与 PE 和 PVC-U 相比，生产相同公称外径的 PVC-O 管道使用材料更少。PVC-0/PVC-U 仅使用 43%不可再生的石油燃料，而 PE 接近 100% 。PE 比 DI 碳排放量低很多，但 PVC-O 更有优势（碳排放量比 PE 低 35%）。PVC-0 与 PVC-U 和 PE 相比，使用材料更少，能源消耗和碳排放量更低，更是可持续发展的材料。5 5 生产生产 PVC-0PVC-0 的的 4 4 项技术项技术生产 PVC-0 主要有 2 项不同的加工技术。在线或模具抽取（die drawn）方法和离线或管模（pipe mould）方法。ISO 16422 前言中描述了在线法和离线法（见 ISO6）。此外，还可将离线法中的管材模具放置在生产线上，但通常看作是在线技术，一部分即芯棒用来扩张管材，另一部分直接连接在机头上。除了“在线”和“离线”的差别外，第二项差别是在 PVC-0 生产中使用的介质不同。将 PVC-U 拉伸成 PVC-0 有 2 种不同的介质：液体（主要是水）和空气。将 PVC-U 拉伸成 PVC-0 过程中的温度有 3 个特殊要点，与在线或离线生产无关： 用于生产 PVC-0