氯化聚氯乙烯树脂在各类管道中的应用

苏峰 张文学 姚文琴 张海燕 屈智财

(金川集团化工新材料有限责任公司,甘肃 金昌, 737100)

氯化聚氯乙烯(PVC-C)是在氯化专用聚氯乙烯(PVC)的基础上,进一步氯化得到的高氯含量的PVC。PVC-C树脂可应用于化工、建材、造船、电力等领域,制品应用最广泛的是管道领域,包含管道、弯头、法兰、直通、三通、异径管、阀门等。PVC-C管道的应用领域仍在不断扩展中,是金属防腐管道的理想替代品。

以下综述了PVC-C树脂的性能、PVC-C管道的应用领域、管道生产与安装,并对PVC-C的发展提出了建议。

1 PVC-C树脂的性能

PVC-C树脂为无臭无味的白色粉末,其中氯质量分数为61%～75%[1],表观密度为0.50～0.70 g/cm3。随着氯含量增加,PVC-C树脂分子链极性增加,其热变形温度、维卡软化温度、玻璃化转变温度等升高,耐腐蚀性、阻燃性、耐热性等也大幅提高[2]。氯含量的提高,对PVC-C树脂的加工技术提出了更高要求。为了满足下游制品厂家的加工需求,市场上以销售已经添加了稳定剂、润滑剂、改性剂、着色剂和其他填料的PVC-C混配料为主。

2 PVC-C树脂在各类管道中的应用

2.1 冷热水系统

2003年国家质量监督检验检疫总局发布了GB/T 18993—2003《冷热水用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管道系统》,明确了PVC-C树脂可以用于生产冷热水用管材、管件和阀门,对冷热水用PVC-C管道系统进行了规范。国家市场监督管理总局和国家标准化委员会在2020年对上述标准进行了重新修订。国外应用于冷热水系统已较为普遍。

饮用水管道系统为微生物繁殖提供了独特的生态环境,使得饮用水中存在多种致病菌,如嗜肺军团菌、鸟分枝杆菌等[3]。Cheryl D N等[4]研究了不同管道对饮用水中微生物的影响。在11周时间的监测中发现,铜管道、镀锌管道、铁管道、PVC-C管道对饮用水中悬浮的鸟分枝杆菌数量没有影响,但对各管道内表面的鸟分枝杆菌数量却有较大的影响。镀锌钢管道和铁管道内表面上,鸟分枝杆菌数量明显多于铜管道和PVC-C管道。

Timothy H H等[5]研究了PVC-C管道和高密度聚乙烯(HDPE)管道在常温下对饮用水水质的影响。结果显示:HDPE管道里的水具有由弱到强的不同气味,而PVC-C管道内的水没有类似气味;在规定时间内,HDPE管道内水中总有机碳(TOC)增加到0.14 μg/cm2,而PVC-C 管道内水中TOC仅增加到0.08 μg/cm2。HDPE管道内的水对氯气或对单氯胺的消耗均高于PVC-C管道内的水,尤其是对单氯胺的消耗高出约5倍。

Kristofer P I等[6]274-277对常用的各种饮用水用塑料管道的燃烧性能和燃烧后释放的污染物进行了研究。试验表明:在1 000 ℃马弗炉中灼烧30 min后,PVC-C管道残留物质量分数为26.00%,HDPE管道残留物质量分数为4.80%,聚丙烯(PP)管道残留物质量分数为2.00%,各类交联聚乙烯(PEX)管道残留物质量分数为0.59%～2.00%。PVC-C管道残留物最多,原因是PVC-C饮用水管道填充更多的无机物。Kristofer P I等[6]278-279将上述塑料管道在400 ℃灼烧后用水萃取7 d,对萃取液进行检测。PVC-C管道灼烧后的萃取液中,苯、甲苯、乙苯、二甲苯均未检测出。但在各类PEX、HDPE管道的萃取液中均检测出了上述4种化合物,在PP管道的萃取液中仅检测出了甲苯。综合比较,PVC-C管道燃烧后对环境污染较少。表1为PVC-C管道和常见冷热水管道性能对比,其中PP-R为无规共聚PP。

表1 PVC-C管道和常见冷热水管道性能对比

从表1可知,从透氧率、极限氧指数、导热系数、游离氯敏感性等方面综合考虑,PVC-C管道适合于饮用水管道系统。

2.2 消防系统

PVC-C极限氧指数高达60%,具有良好的阻燃性和离火自熄性,骤燃温度高达482 ℃,且高于此温度时只是烧焦,不会滴落引起火灾扩大[7]。PVC-C管道系统承压1.2 MPa下,使用寿命长达50 a[8]。PVC-C消防管道比较适用于轻危险级或中危险级I级的建筑[9]。Soonil N[10]测试结果表明:明敷的PVC-C管道自动喷淋系统在如宾馆、办公楼等轻危险级建筑中可安全稳定运行,具备灭火保护能力。尼华等[11]重点对比了PVC-C管道在明敷条件下,自动喷水系统正常启动和无法正常启动情况下的阻燃性能。在自动喷水系统无法正常启动时,即使管道内部充满水,在较短时间内PVC-C管道很快发生断裂。这说明虽然PVC-C管道具有较好的阻燃性,但在明敷时必须确保系统在发生火灾时能够正常启动喷水,才能起到灭火防护作用。

我国目前应用较广的消防管道是以镀锌管道为代表的金属管道。长时间使用时,在微生物作用下金属管道易腐蚀[12],存在堵塞消防系统喷头的风险,另一方面,镀锌管道设计使用寿命较短。2017年我国发布的GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》中增加了PVC-C管道应用于消防喷淋系统的规定。雄安新区设计中心、成都网络理政中心、山东肿瘤医院等已应用了PVC-C消防喷淋系统。

表2为PVC-C管道和镀锌管道的对比。

表2 PVC-C管道和镀锌管道的对比

2.3 氯碱行业

PVC-C管道在氯碱行业已经有较多实际应用案例[13-15]。董锦萍等[16]发现碱液管道、盐水管道、氢气管道、电解槽放液管道等采用PVC-C管道与阀门完全可以满足使用要求。和一般塑料及金属管道相比,PVC-C管道耐腐蚀性好、不导电、无外防腐要求,采用胶黏安装,简易方便,在-40～95 ℃完全可以替代聚偏氟乙烯(PVDF)管道,且安装费仅为PVDF管道的十一分之一。湖北宜化化工股份有限公司氯气总管和氯化氢总管使用玻璃钢管道过程中出现多处漏点、裂纹等情形,更换为PVC-C管道后使用效果良好[17]。巴陵石化公司高纯盐酸和次氯酸钠输送管道以及盐酸泵、水流循环泵等进出口管道采用了PVC-C管道,在使用中表现出黏结牢固可靠、无漏点、机械强度高(0.5 MPa压力下长期使用无破裂)、耐热性好(长期输送85 ℃淡盐水)等优点;另外,将PVC-C管道应用于电解槽加酸管道时,PVC-C管道不引入钙、镁、铁等杂质,有效延长了离子膜使用寿命[18]。

2.4 海洋平台

PVC-C管道应用于海上船舶时可以减轻船舶质量和减少维护工作量,良好的阻燃性也可以减少船舶火灾的发生[19]。PVC-C管道具有良好的耐海水腐蚀、防垢、阻燃和低播焰性能,已被成功应用于海洋平台电解海水制次氯酸钠系统。王瑞英等[20]244-245对比了在海洋平台中应用的PVC-C管道和HDPE管道的各项技术要求。因为PVC-C管道主要被应用于含次氯酸钠场景,且操作压力大于HDPE管道,故其外径50 mm管道被列入压力管道管理。表3为HDPE和PVC-C管道在海洋平台的使用情况[20]245。

表3 HDPE和PVC-C管道在海洋平台的使用情况

2.5 电缆保护管

目前我国应用的电缆保护管类型较多,有PVC-C管、改性聚丙烯(MPP)管[21]、钢塑复合管、金属管道等。2020年,国家电网对电力电缆保护管的需求量中,MPP管需求量约为48%,PVC-C管需求量约为45%。

PVC-C电缆保护管具有良好的耐热性、耐腐蚀性、电气绝缘性和密封性,尤其适合高压电力电缆保护使用[22-24]。张为民[25]对PVC-C电缆保护管的稳定剂体系进行了研究,发现有机锡稳定剂的稳定效果最好,复合钙锌稳定剂效果最差。蔡铭[26]对PVC-C电缆保护管进行了稳定润滑体系、加工抗冲改性体系等研究,发现含铅量较低的汉高S-2855稳定剂可以满足稳定性要求,同时由于稳定剂自带润滑剂,添加量过多反而造成体系塑化困难、管道内壁不光滑。连锦杰等[27]研究了内径和壁厚对PVC-C电缆保护管的纵向回缩率的影响,发现壁厚对纵向回缩率的影响更大,壁厚越厚则回缩率越小。

2022年4月,我国《“十四五”现代能源体系规划》发布,提出要推动电力系统向适应大规模、高比例新能源方向演进。加快发展风电、太阳能发电。风电、太阳能发电的快速发展,将带动形成PVC-C电缆保护管新的市场增长点。

2.6 其他方面的应用

PVC-C管道在冷媒循环系统方面、电镀行业等领域均有成功应用的案例。杨慎东[28]研究发现PVC-C管道的导热系数约为PP-R管道的50%。在外界保温材料性能相同的情况下,PVC-C管道对冷媒的热损失较小,同时可有效降低外界保温材料的厚度,节约成本。美国Goodrich公司已成功将PVC-C管道用于处理含铬废气的除尘系统[29]。

3 PVC-C管道生产与安装

李晓轩[30]发现,PVC-C树脂黏度高,导致在管材加工时与设备摩擦热很高,加速其分解,严重时被迫停产。普通PVC管材挤出机螺杆形式与挤出模具无法适应PVC-C管道的挤出加工。以挤出模具为例,需要对模具进行电镀处理且抛光镜面光亮,流道必须圆润无死角,各部件必须无缝连接。汪鹏跃等[31]通过优化挤出模连接体的内部结构、调整口模间隙和模具压缩比、缩短模具内部定径部分平直段长度、改进分流筛板与塑化增强板等,设计了新的加工模具,其生产的PVC-C管道耐冲击性能、纵向回缩率以及生产效率等大幅提升。总之,PVC-C管道生产受到混配料组成、设备、加工工艺(加工温度、冷却水温、定径套内径、真空压力)、操作水平等多方面的综合影响。

PVC-C管道连接方式可采用黏合剂黏结、法兰连接、焊接等。采用黏合剂黏结安装时,首先将连接面清洗干净,然后将黏合剂均匀地涂抹在管材连接面,放置适当时间后将连接面插入结合。黏合剂主要成分为氯含量介于普通PVC树脂和PVC-C树脂之间的过氯乙烯树脂,通过添加功能助剂制得。

4 结语

相比其他聚烯烃,PVC-C管道在定制化、差异化方面尚有差距,需研发新的专用混配料,拓展PVC-C管道的应用领域。