⁃、⁃、⁃及⁃标准、设计、性能对比

NO.1 各产品标准介绍PVC⁃U、PVC⁃UH、PVC⁃M及PVC⁃O给水管均为硬质聚氯乙烯实壁管材，主要应用于水温不超过45 ℃的埋地承压输水系统的主干线和支线管道，也可用于室内或管廊内使用。
4种管材现行标准情况及管材规格如表1所示。
表1 4种PVC给水管执行标准情况NO.2 混配料技术要求混配料即基础树脂PVC与各种必要助剂的均匀混合物，是用于PVC管材直接挤出的原材料。
对于压力管材，PVC混配料的配方设计及混配料的性能指标非常关键，直接影响产品的性能及长期使用寿命，PVC树脂及各种助剂对产品性能的影响可参考《聚氯乙烯配方设计与制品加工》。
本章节主要从混配料性能指标、混配料定级要求及混配料配方设计要求三方面进行介绍。
2.1 混配料性能要求在我国PVC给水管材中，PVC⁃UH管材参考美国PVC给水管标准AWWA C900规定了混配料的物理力学性能要求，如表2所示，目前其他几种PVC给水管中暂未有关于混配料性能指标的规定。
该指标的要求更好地控制了管材原料和配方的选取及质量控制。
表2 PVC⁃UH给水管规定的PVC混配料的物理力学性能要求2.2 混配料定级要求PVC压力管道设计使用寿命50年，管材的混配料应按照ISO 9080或GB/T 18252的规定进行混配料定级试验，即混配料以管材形式进行的长期静液压强度试验，以20 ℃、50年对应的分级强度即最小要求强度（MRS）进行表征。
PVC⁃U给水管、PVC⁃UH给水管、PVC⁃M给水管及PVC⁃O给水管混配料定级要求情况如表3所示。
表3 PVC给水管混配料定级要求情况在ISO 1452⁃1：2009中对材料进行了级别划分，根据材料的最小要求静液压强度值，规定了管材用PVC材料MRS为25 MPa，即材料等级为PVC⁃U 250。
PVC⁃U管材国标GB/T 10002.1—2006对管材混配料的压力等级没有进行规定。
PVC⁃UH给水管材对混配料规定了MRS≥25 MPa的定级要求。
PVC⁃M管材的MRS≥24.5 MPa。
ISO标准规定的PVC⁃O管材的MRS分为5种：31.5、35.5、40、45、50 MPa，对应的管材原材料等级代码分别为315、355、400、450、500，其中400和450等级一般生产较多，其他几种不常用。
2.3 混配料关键物料的选择要求PVC给水管材配方主要由PVC树脂、稳定剂、内外润滑剂、填料、着色剂、抗冲改性剂及加工助剂等按一定比例组成，各种原料的选取及配比对管材的性能及使用都起到至关重要的作用。
PVC管材的加工对PVC树脂的熔体流动性能有较高要求，实际生产中，一般选用SG⁃5型悬浮法PVC树脂。
PVC制备方法分为乙烯法和电石法。
乙烯法是从石油中提取乙烯，让氯气与乙烯发生取代反应，制得氯乙烯单体，经聚合反应生成聚氯乙烯树脂。
代表厂家有美国Oxy Vinyl LP公司，中国石化齐鲁石化公司、天津乐金大沽化学有限公司等。
电石法一般在国内比较通用，是利用电石（碳化钙），遇水生成乙炔，将乙炔与氯化氢合成制出氯乙烯单体，再经聚合反应生成聚氯乙烯树脂.PVC是工业上最具热敏性、极易产生热降解的聚合物之一，热稳定剂是PVC管材加工不可缺少的助剂。
在PVC管材生产过程中，目前常用的热稳定剂有钙锌稳定剂和有机锡稳定剂，欧洲主要使用钙锌稳定剂，美国广泛使用有机锡稳定剂，在我国目这2种都有使用。
钙锌稳定剂一般为复合稳定剂，添加量相对较高；有机锡稳定剂一般添加量较低，对于中大口径管材的生产稳定效果较好。
若对管材具有高的耐候性要求，也可以加入适量抗氧剂和光稳定剂。
PVC管材加工中，内外润滑剂也必不可少，主要使用的润滑剂有硬脂酸、石蜡、聚乙烯蜡及兼具稳定作用的硬脂酸钙等，润滑体系的用量应根据设备及产品配方设计要求确定，关键是要能够保证混配料具有良好的塑化效果，使管材的热变形温度和力学性能不受到明显影响。
PVC管材中根据产品设计也会添加碳酸钙填料，碳酸钙的作用主要是提高管材刚性、减少收缩率，同时也降低成本。
碳酸钙的加入，会降低管材产品的强度，增加脆性，因此，PVC管材生产中碳酸钙填料应控制适当用量。
碳酸钙一般分为重钙和轻钙，重钙配方的混配料流动性较好，适合集中供料输送系统，尤其是风输送系统；轻钙配方的混配料流动性相对较差，密度偏小，但对于添加量很少的给水管配方影响不大.PVC管材的颜色一般为灰色或蓝色，着色剂常用的主要有钛白粉、炭黑及酞青蓝等。
一般着色剂的添加量较少，需要具有很好的着色力及耐候性。
抗冲改性剂及加工助剂在PVC管材加工中有利于改善管材的抗冲击性能及加工性能。
2.4 混配料配方设计要求根据2.1混配料性能要求和2.2混配料定级要求可以看出，4种管材的混配料要求不同，因此4种管材产品的配方设计及成本也有一定差异，具体配方设计要求参考表4。
因产品设计不同，产品性能指标也存在差异，本文第5节将详细阐述。
表4 4种PVC给水管的配方设计要求NO.3 允许内压及抗外压能力3.1 管材的允许内压压力管道设计应力：式中 σs——压力管道设计应力，MPaPMRS——管材的最小要求强度，MPaC——总体使用（设计）系数PVC管材按期望使用寿命50年设计。
输送20 ℃的水时，国内各种PVC给水管材设计应力的最大允许值如表5所示。
按50年长期运行公称压力（设计压力）和工作压力分别按式（2）和式（4）计算。
表5 国内各种PVC压力管材设计应力的最大允许值管材的公称压力（设计压力）：式中P——管材的公称压力（设计压力），MPaσs——压力管道设计应力，MPadn——公称外径，mmen——公称壁厚，mm根据CJJ 101—2016《埋地塑料给水管道工程技术规程》4.1.7可知，管材的设计压力标准值等于1.5倍的工作压力标准值，即：式中 Pwk——管材的工作压力，MPa可以看出，PVC⁃UH管材的总体使用（设计）系数较PVC⁃M管材和PVC⁃O管材均高，即在长期使用过程中具有更高的安全性保障。
3.2 管材的抗外压能力根据GB/T 19278—2018中2.4.2环刚度的定义可知环刚度与管材壁厚成3次方的关系，环刚度（S）核算公式简化为：式中S——环刚度，kN/m2E——管壁材料的弹性模量，对于PVC管材规范规定选取3 000 MPadn——公称外径，mmen——公称壁厚，mm可以看出，同种外径的管材，壁厚越大、环刚度越大、抗外压变形的能力越大。
4种管材环刚度比较如表6所示（以公称压力1.0 MPa管材为例）。
从表6可以看出，PVC⁃M和PVC⁃O管材从设计参数来看，达到使用压力要求的管材可选择壁厚更薄的，但壁厚太薄也会使得管材的抗外压变形能力较差。
表6 4种管材环刚度比较若按照同等环刚度比较，对于PVC⁃M和PVC⁃O管材的公称压力等级较高，因材料配方成本和加工成本更高，其管材成本也高于PVC⁃U及PVC⁃UH管材。
NO.4 性能指标要求4.1 PVC⁃U及PVC⁃UH给水管国家标准规定的PVC⁃U管材在性能指标上与ISO1452⁃2标准规定的PVC⁃U管材有一定差异，耐压性能要求降低，抗冲击性能要求提高，即落锤冲击试验（TIR）要求≤5 %，较ISO标准规定的TIR≤10 %在管材韧性方面提出了更高的要求。
PVC⁃UH管材参考PVC⁃U给水管ISO标准和美国PVC给水管标准制定，管材的物理力学性能要求增加了压扁试验和整管水压性能，实现每根管材的产品质量监控且抗冲击性能要求较ISO标准提高，落锤冲击试验要求较ISO标准提升至TIR≤5 %。
国内PVC⁃U给水管和PVC⁃UH给水管的性能指标对比如表7所示 。
表7 PVC⁃U和PVC⁃UH给水管的性能指标对比根据ISO 1452⁃1：2009给出的PVC⁃U 250长期静液压标准曲线（如图1所示），可以看出，满足MRS≥25 MPa混配料定级要求的管材进行长期静液压试验过程中，短期耐压要求也可以从标准曲线上看出。
20 ℃、1 h对应的环应力要求为42 MPa、60 ℃、1 000 h对应的环应力要求为10 MPa。
从表7可以看出，PVC⁃UH管材满足PVC⁃U 250长期静液压标准曲线耐压要求，而国标规定的PVC⁃U管材在短期耐压指标（20 ℃、1 h、38 MPa环应力）上低于标准曲线要求，也无法满足国家标准规定的PVC⁃U管材能够满足MRS≥25 MPa的设计要求。
4.2 PVC⁃M给水管表8为PVC⁃M给水管标准性能要求，可以看出，PVC⁃M产品在落锤冲击、切口管材静液压试验及C⁃环韧度方面进行了规定，对于dn≥110 mm的管材规定了23 ℃、20 m高速冲击试验，对产品抗冲击性能及韧性要求很高。
按照PVC⁃M国家标准生产的管材产品，韧性和抗冲击性能很好。
表8 PVC⁃M给水管性能要求PVC⁃M管材产品除对抗冲击性能及韧性有很高的要求外，同样对耐压性能有要求。
因此，按标准生产的PVC⁃M管材产品配方成本较常规PVC⁃U或PVC⁃UH管材要高，且加工产量偏低；因其总体使用（设计）系数降低，使得其公称压力较常规PVC⁃U或PVC⁃UH管材高一个等级，所以一般同等压力等级的管材米价成本基本一致，或PVC⁃M管材略高。
而对于埋地工程管道而言，长期耐压性能是产品的主要指标，抗冲击性能及韧性满足正常使用要求即可。
4.3 PVC⁃O给水管表9为PVC⁃O给水管标准性能要求。
PVC⁃O管材是在管材挤出成PVC⁃U管材后通过二次成型设备和一定工艺进行轴向拉伸和径向拉伸，使管材中的PVC长链分子在双轴向规整排列形成的一种特殊分子链结构PVC管材，生产难度大，对配方、设备和工艺要求很高。
目前，国内外最大口径仅可生产至630 mm，生产成品率较其他3种管材低，生产配方和加工成本均较高。
表9 PVC⁃O给水管性能要求文章