PE管及其在36 000 DWT多用途船压载系统中的应用

任世贵　肖海忠　郭林丽　王文中

（上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶轮机

PE管及其在36 000 DWT多用途船压载系统中的应用

任世贵肖海忠郭林丽王文中

（上海船舶研究设计院，上海201203）

随着材料科学的发展，越来越多的新材料、新技术应用于船舶。PE管材作为民用工程管道中成熟可靠的产品，其具有重量轻、安装快捷方便、耐腐蚀、使用安全可靠、维护成本低等优点。用于船舶压载系统，可以有效的减轻船舶空船重量，从而提升船舶性能；提高船舶建造效率，缩短造船周期，为船厂保证按时交船提供保障；另外其使用寿命长，维护成本低，从而为船东产生较大的经济效益。

塑料管；PE管；压载系统；重量减轻

0　前言

上世纪在管道领域发生了一场革命性的进步，即“以塑代钢”。随着高分子材料科学技术的飞跃进步，塑料管材开发利用的深化，生产工艺的不断改进，塑料管道淋漓尽致地展示其卓越性能。今天，塑料管材已不再被人们误认为是金属管材的“廉价代用品”，已广泛用于液体和气体输送、排污、农业灌溉、矿山细颗粒固体输送，以及油田、化工和邮电通讯等领域。

压载系统是船舶重要系统之一，关系着船舶的安全和正常使用，历来被船舶设计者、制造者和使用者所重视。在压载系统中采用新型的、轻质的、高度成熟的塑料管，如PE管（聚乙烯管）和GRP管（玻璃钢管），既可以减轻船舶重量，改善船舶性能，又能够减少安装、维护及运行成本，延长使用年限，是船舶设计者、制造者和使用者较好的选择。本文仅针对其中一种压载系统中采用的塑料管——PE管，和传统钢管之间进行分析对比，说明新材料应用的特性，不涉及其他塑料管之间的比较及其在其他系统中的应用。

1　PE材质介绍

聚乙烯，简称PE，是乙烯经化学聚合而成的一种热塑性树脂。1933年英国ICI公司首先发现了聚乙烯（PE）。发展至今，聚乙烯已是由多种工艺方法生产的、具有多种结构、特性和多种用途的系列品种树脂，已占世界合成树脂产量的三分之一，居第一位。

聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐低温性能（最低使用温度可达-70℃～-100℃），化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀（不耐具有氧化性质的酸），常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，但由于其为线性分子可缓慢溶于某些有机溶剂，且不发生溶胀，电绝缘性能优良；但PE对于环境应力（化学与机械作用）敏感，耐热老化性差［1］。

聚乙烯属于短链的烷烃惰性聚合物，具有良好的化学稳定性。在常温下耐酸、碱、盐类水溶液的腐蚀，但不耐强氧化剂如发烟硫酸、浓硝酸和铬酸等。聚乙烯在60℃以下不溶于一般溶剂；温度超过60℃后，可少量溶于甲苯、乙酸戊酯、三氯乙烯、松节油、矿物油及石蜡等。由于PE分子中含有少量双键和醚键，日晒、雨淋都会引起老化，需要加入抗氧剂和光稳定剂。

2　PE管介绍

PE管的生产在生产线上进行。目前国内几个主要生产厂家都选用进口生产线，基本上实现了全自动控制，能够自动上料、自动计量进料、自动切割和卷曲，产品质量更加稳定，生产效率明显提高。

通常，PE管按照密度分为低密度及线型低密度聚乙烯 （LDPE及LLDPE）管 （密度为0.900～0.930 g/cm3）、中密度聚乙烯 （MDPE）管 （密度为0.930～0.940 g/cm3）和高密度聚乙烯（HDPE）管（密度为0.940～0.965 g/cm3）。

目前，国际上根据PE管的长期静液压强度（MRS）对管材及其原料进行分类和命名。长期静液压强度是指连续施加在该聚乙烯树脂制管管壁上50年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力，该值是管材结构设计的基础。PE管的工程设计概念与金属管不同，对于金属管的设计，广泛的使用环境温度下的屈服强度系数。而PE管与金属管不同，它受持续应力及温度变化的影响，因此PE管的设计应力应根据长期强度来决定，即通过绘制恒温下应力与破坏时间的曲线来确定。

根据PE管的长期静液压强度（MRS），国际上将聚乙烯管材料分为 PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五个等级。目前船舶压载系统中使用MRS值为10 MPa（PE100）的PE管。PE100管采用MRS值为10 MPa（PE100级）的管材树脂。这种树脂采用双峰分布、乙烯共聚技术，在提高长期静液压强度的同时，也提高了耐慢速裂纹增长和耐快速开裂扩展性能，并具有良好的加工性，为提高输送压力、增大管道口径、扩大管道应用范围创造了条件［2］。表1为PE100级管道实际使用压力。

表1　PE100级管道实际使用压力

3　PE管的特点

PE管具有许多卓越的特性，如耐低温、韧性好，在一些特殊用途中更是大显身手。因为在这些领域中，传统材料管子，较难适用，且费用高昂，有的还不能保证管道的安全使用。如钢管最大的问题是在使用期内，普遍发生的腐蚀和接头泄漏。PE管则具有明显的优点，圆满地解决了传统管道的腐蚀和接头泄漏两大难题。而且由于与众不同的施工特点，往往为用户带来巨大的经济效益［3］。PE管的主要特点体现在：

1）耐腐蚀：聚乙烯为惰性材料，除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀。无电化学腐蚀，不需要防腐层。对于具有较强腐蚀的海水，其耐腐蚀能力同样适用。由于具有较强的耐腐蚀能力，在同条件运行状态下，PE管流速可达5 m/s，而钢管需低于3 m/s。

2）连接方便可靠：对于较大直径的PE管，主要采用挤压夹紧式连接，本质上保证接口材质、结构与管体本身的同一性，实现了接头与管材的一体化。试验证实，其接口的抗拉强度及爆破强度均高于管材本体，可有效地抵抗内压力产生的环向应力及轴向的拉伸应力。因此与橡胶圈类接头或其他机械接头相比，不存在因接头扭曲造成泄漏的危险。

3）高韧性及优良的挠性：PE管是一种高韧性的管材，其断裂伸长率一般超过500%，对管基不均匀变化的适应能力非常强。应用于压载系统中，则可有效适应船舶船体的变形，增加系统可靠性。

4）良好的抵抗刮痕能力：施工过程中，刮痕是无法避免的。刮痕造成材料的应力集中，引发管道的破坏。试验证明，PE管具有出色的抵抗刮痕能力。

5）良好的快速裂纹传递抵抗能力：管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时，裂纹以每秒几百米的速度迅速扩展，瞬间造成几十米管道破坏的大事故。快速开裂是一种偶发事故，但其后果是灾难性的。近10年来，国际上对塑料管道，特别PE管的快速裂纹传递进行了大量卓有成效的研究工作。结果表明，在常用的塑料管材中，PE管抵抗裂纹快速传递的能力名列前茅。

6）PE管使用寿命长：可达50年以上，这是国外根据PE管材环向抗拉强度的长期静水压设计基础值（HDB）确定的，已被国际标准确认。

7）良好的卫生性能：PE管生产过程中不添加任何有毒助剂，内壁光滑、流量大、不易结垢、不易滋生细菌。

8）磨擦阻力小，输送能力高：PE管内壁非常光滑，粗糙度和磨阻力很小。PE管的摩擦系数为0.008，而钢管为0.013。由于PE管的摩擦阻力小，可以减小泵的压头，从而达到节能的目的。

4　PE管在36 000 DWT多用途船压载系统中的应用

36 000DWT多用途船是上海船舶研究设计院开发的优良船型，先后在两家船厂建造数十条。其母型船的压载系统全部选用钢管，在后续船中，货舱段压载管路更改为PE100管。

相比于采用钢管的传统设计，PE管路在27 000 DWT多用途船压载系统应用的可行性和特点分析如下：

1）环境条件。船舶的设计环境温度为-20℃～-45℃，而 PE100管的使用温度为-40℃～60℃。36 000 DWT多用途船PE100管路的安装空间主要位于双层底管弄、压载舱内，PE100管满足这些区域的温度、防火及使用要求。而PE100管路由于其耐高温性较差，对于机舱等较易失火区域则不能采用。

2）PE100管和钢管重量比较。PE100管最重要的优点之一就是重量轻。表2和表3为36 000 DWT多用途船采用PE100管和钢管的管材统计。

表2　36 000 DWT多用途船压载系统使用PE100管材统计

表3　36 000 DWT多用途船压载系统使用无缝钢管管材统计

从对比表可以看出，整个压载系统采用PE100管材，管材总重约7 t左右，而钢管的总重在45 t左右。采用钢管，仅管材重量比PE100管增加约38 t左右，对重量影响较大。而且由于PE100重量较轻，支撑件等附件的尺寸和数量均少于钢管，重量会进一步减少。

3）PE100管和钢管管路工艺特点比较。钢管的安装需要预制、焊接、打磨、酸洗、镀锌、二次组装、运输等环节，延长了生产周期，增大了生产成本的投入。管路的连接主要通过法兰连接或是套管连接，增加了工作量和泄露的可能性。

PE100管道管与管主要是通过热熔对接。热熔对接是采用热熔对焊机（见图1）来加热管端，使其熔化，迅速将其贴合，保持有一定的压力，经冷却达到熔接的目的。各尺寸的PE100管均可采取热熔对接方式连接，其接口在承拉和承压时都比管材本身具有更高强度。

此外，钢管需要30～40 m左右设置膨胀接头，以抵消钢管热膨胀的影响。而PE100则不需要设置膨胀接头，从而减小了泄露的可能性。

PE100管道和钢管及阀门连接时采用钢塑过渡接头连接和钢塑法兰连接，见图2。

图1　热熔对焊机焊接PE100管材

4）管路阻力计算比较。PE100糙率系数为0.008，而钢管为0.013。按照国外试验数据，PE100管海水流速可达5 m/s，钢管需低于3 m/s。按照该参数计算，压载系统采用PE100管，在规格上可以比钢管降低一档。为此，我们特意用流体计算软件计算钢管管路和PE100管管路的阻力损失，见图3～图4。

图2　PE100管通过钢塑过渡接头与钢管连接

图3　采用钢管的压载系统简图

当采用钢管，一台压载泵为首尖舱注水时，从管弄进口处的A点，到首尖舱C点的压力损失计算如下：

A-B管段压力损失：0.022 0 MPa

B-C管段压力损失：0.007 9 MPa

管段总压力损失：0.029 9 MPa

当采用PE100管，一台压载泵为首尖舱注水时，从管弄进口处的A点，到首尖舱C点的压力损失计算如下：

A-B管段压力损失：0.018 8 MPa

B-C管段压力损失：0.009 0 MPa

管段总压力损失：0.027 8 MPa

图4　采用PE100管的压载系统简图

可见，虽然PE100管相比钢管规格减小一档，但是管路阻力反而比钢管略小。

5）管路经济性比较比较。根据船厂采购数据，该船PE100管材的售价约为32万元，安装费用约占材料费用30%，约10万元，共计约42万元。而采用相同规格的钢管，售价约为29万元，处理、预制、加工、安装费用约为1.5万元/t，约重45 t，即67.5万元，共计约96.5万元。就初始综合成本来说，PE100管材的费用不到钢管的一半，还节省了大量的施工时间。

此外，PE管的设计使用寿命为50年，船舶在后续运行过程中无需维护及保养，从而节约了成本。钢管受海水腐蚀较为严重，3年左右就需维护保养，7～8年就需更换，其维护及保养的成本较高。

综上所述，船用PE100管道在减少船舶重量、节省安装劳动力、保证可靠性方面、减小管路阻力等方面有自己的优势。

5　结语

船舶领域使用塑料管的时间不长，采用PE管更少。塑料管路在管路设计中有着显而易见的优点，但实践是检验产品好坏的唯一标准。我们还需要通过不断积累经验，分析船舶营运维护的数据，来确定塑料管的应用是否可行。

随着材料技术的飞速发展，越来越多的新材料、新技术将应用于船舶。作为船舶设计者，应站在科技的前沿，在保证船舶性能和安全的前提下，合理采用新技术、新材料。

［1］桂祖彤.聚乙烯树脂及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］李艳芹，朱博超，等.超高分子量聚乙烯研究进展及应用领域［J］.广州化工，2011，36（2）：19-21.

［3］梁前明.PE管材的新发展及其工程应用前景［J］.国外建设科技，2003，（5）：15-16.

PE Pipe and its Application in Ballast System of 36 000 DWT MPV

Ren Shi-guiXiao Hai-zhongGuo Lin-liWang Wen-zhong

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

With the development of material science，more and more new material and new technology were used in ship building industry.PE pipe was a credible production using for civil engineering pipe which was characteristic with less weight，easy installation，corrosion-resisting and low cost for maintenance.If the PE pipe was applied in ship's ballast system，the weight of the ship could be reduced and the efficiency of ship building could be improved. Thus the construction time could be shortened with improved ship performance.In addition，better economic performance would be achieved since the PE pipe was with long service life and also cheap to maintain.

plastic pipe；PE pipe；ballast system；weight reduce

U674.13+8

A

1001-4624（2015）01-0061-05

2015-05-19；

2015-05-21

任世贵（1983—），男，工程师，从事轮机设计方面工作。肖海忠（1981—），男，工程师，从事轮机设计方面工作。郭林丽（1977—），女，高级工程师，长期从事轮机设计方面工作。王文中（1979—），男，高级工程师，长期从事轮机设计方面工作。