塑料结构壁排水管的国家与国际标准对比分析

彭 菁 ，肖 达，吴映江，李 兵，张 龙，李泽刚

（1.四川省产品质量监督检验检测院，成都 610100；2.成都产品质量检验研究院有限责任公司，国家建材产品质量检验检测中心（四川），成都 610100）

0 前言

塑料结构壁排水管（以下简称为塑料结构壁管）是一类在轴向或径向截面存在重复几何结构单元的非实壁塑料排水管，主体材料主要为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC），结构类型主要有轴向中空壁管、径向中空壁管、双壁波纹型、加筋管、克拉管，加工方式主要为挤出成型和缠绕成型。此类产品起源于欧洲，我国于21世纪初引进，经宏观政策及市场因素的共同作用，现已发展为我国市政排水管道的主要类型之一［1］。

对于大多数工业产品而言，国际标准（ISO标准）为各国标准的风向标，在生产与贸易中发挥着指引作用。将国家标准与ISO标准做对比研究，对产品种类、检测项目、技术指标之间的区别进行分析，对可能存在的产品缺陷及其可能引起的风险进行警示，是提高质量和促进贸易的有效手段之一。塑料结构壁管的ISO标准于2020年发布了最新的版本，晚于现行国家标准的发布日期。现行国家标准中还存在着2007年及2011的版本，预计未来几年全国塑料制品标准化技术委员会（SAC/TC 48）会对其进行修订。将国家标准与ISO标准进行综合对比研究，或可为国家标准的制修订提供一些参考。

另一方面，经过多年的高速发展后，国内塑料管道行业的发展形势已趋于平缓，将产品出口或者将过剩的产能转移至海外，符合制造业发展的实际情况，也顺应了一带一路的国家战略。产品的出口或者产能的转移，首先需要进行标准的对比研究，考察我国的产品是否符合他国的标准要求，进而探究我国的生产设备及工艺是否需要进行调整。对于同类产品，尽管各国的标准可能存在差异，但大多数国家制修订标准时会参考或引用ISO标准。将国家标准与ISO标准做对比研究，是对标中效率最高且最为实用的路线。此外，也鲜有文献对塑料结构壁管的对标情况进行报道。基于上述3方面原因，将塑料结构壁管的国家标准与ISO标准做综合对比研究具有一定的现实意义。

1 标准概况

塑料结构壁管的标准概况如表1所示。国际标准为ISO 21138系列，主体材料分为PVC、PP或PE。国家标准分为GB/T 18477系列、GB/T 35451系列、GB/T 19472系列，分别针对于主体材料为PVC、PP、PE的结构壁管。

表1 塑料结构壁管的标准概况Tab.1 General situation of standards of plastics structured‑wall pipes

ISO标准根据塑料结构壁管的外壁是否平滑将产品分为了A型与B型，A型又按加工方式分为了轴向中空壁管和径向中空壁管，其典型的结构示意图及数码照片分别如图1（a）和（b）所示；B型按加工方式分为加筋管、克拉管、双壁波纹管，其典型的结构示意图及数码照片分别如图1（c）～（e）所示。国家标准则是按主体材料类型、加工方式以及结构类型进行的分类，分类方式如表2所示。相对于其他以结构特征进行命名的塑料结构壁管，图1（d）所示管材的名称来源于其研制机构—德国克拉（Krah）公司，克拉管为其全球通用的俗称。

图1 典型的塑料结构壁管结构示意图［2‑4］及数码照片Fig.1 Typical structure diagrams and digital photos of plastics structured‑wall pipes

表2 塑料结构壁管的分类Tab.2 Classification of plastics structured‑wall pipes

以PVC为主体材料的GB/T 18477系列包含了轴向中空壁管、加筋管、双壁波纹管3种类型，加工方式均为挤出成型、无缠绕成型。此或可归于刚性的PVC分子链韧性较差，较难通过缠绕工艺进行加工。

以PP为主体材料的GB/T 35451系列含有径向中空壁管、克拉管、双壁波纹管3种类型，径向中空壁管、克拉管的加工方式均为缠绕成型，双壁波纹管的加工方式为挤出成型。国家标准中无轴向中空壁管与加筋管的原因或可归因于产品的经济性。PP原料的物理性质与加工工艺均能满足上述两类管材的生产，但PP的刚度相对较小，产品的设计上又没有能够有效增强刚度的结构，进而造成产品的环刚度偏低，使用环境受限。再综合PP价格相对较高的实际情况，或可认为此两类结构的PP结构壁管性价比不高。

以PE为主体材料的GB/T 19472系列包含了中空壁管、克拉管、双壁波纹管、内壁非平滑型克拉管4种类型，其中内壁非平滑型克拉管是新增的结构类型，其典型结构示意图如图1（f）所示。克拉管与内壁非平滑型克拉管的结构较为类似，结构上的区别在于内壁是否平滑，加工方式的区别在于前者是在预热的整体钢制滚筒模具上缠绕成型，后者是在冷态的多个滚轴上连续缠绕成型。国家标准中无轴向中空壁管与加筋管的原因与PP类似，或是因产品的经济性所致。

尽管ISO标准覆盖了PVC、PP、PE 3种材料，包含了轴向中空壁管、径向中空壁管、加筋管、克拉管、双壁波纹管5种类型，但并不意味着此3种材料的5种结构类型，均会大规模的生产与应用。相对于ISO标准中笼统的叙述方式，国家标准结合产业的实际情况，将原料种类与结构类型对应的描述更加清晰明了。

2 标准的对比分析

ISO标准的适用范围为非承压的塑料结构壁管，国家标准中所涉及的大部分管材为非承压管，仅有少部分还适用于公称压力不大于0.2 MPa的低压输水。本次对标的对象为非承压管，下文将从力学性能、物理性能、对原料的规定3个方面进行对比分析。国家标准中相关的标准分为3类，数量为7个，因各标准发布时间、起草单位、主体材料、不同结构类型管材的考察点有所区别，致使各标准对部分项目指标要求的表述也存在区别。下文进行对比分析时，将部分存在区别的表述归纳总结为统一的表述。

2.1 力学性能的对比分析

塑料结构壁管在施工过程中易受到土石方中重物的冲击，在使用过程需要承受土石方以及路面过往车辆的重力载荷，ISO与国家标准均设置了冲击试验、环刚度、环柔性、蠕变比率用来考察管材的力学性能。冲击试验主要用来模拟施工过程中管材抵抗重物冲击的能力，若不符合要求，易导致管材破损，影响使用安全。环刚度反映了管材抵抗径向变形的能力，若不符合工程的设计要求，管材将发生过大变形引起连接处泄露，甚至出现压屈失稳破坏［5］。环柔性反映了管材在不破坏结构的情况下承受变形的能力，若不符合要求，易出现道路坍塌。蠕变比率反映了管材在几十年使用过程中径向形变逐渐增大的现象，反映了管材的长期使用稳定性，若不符合要求，易导致管材在长期的使用过程中，出现连接处渗漏、管壁向内曲折、破损，甚至结构坍塌［6］。此外，缠绕成型的塑料结构壁管还设置了熔接处的拉伸力，通过考察缠绕熔接高分子层间的拉伸性能，间接反映管材的结构稳定性。若不符合要求，易导致管材在长期使用中出现泄露，甚至坍塌。

国家标准与ISO标准的力学性能对比如表3所示，测试方法基本一致。冲击试验仅对比市面上主流规格尺寸的管材，国家标准与ISO标准的测试方法与指标要求基本一致。环刚度的指标要求也基本一致，均是大于等于对应等级。此外，国家标准比ISO标准多设置的SN6.3和SN12.5等级，部分标准中标注了此不作为生产和应用中首选。国家标准中环柔性的性能指标为笔者对各标准的总结，国家标准与ISO标准对于环柔性的指标要求基本一致，概括而言均可表达为无结构性的破坏。蠕变比率和熔接处的拉伸力的指标要求一致，后者仅适用于缠绕成型的径向中空壁管、克拉管、内壁非平滑型克拉管。综上，可认为国家标准与ISO标准的力学性能要求基本一致。

表3 国家标准与ISO标准的力学性能对比Tab.3 Comparison of mechanical properties between Chinese national standards and ISO standards

2.2 物理性能的对比分析

塑料结构壁管的主体材料分为PVC、PP、PE，PVC通常为未增塑聚氯乙烯（PVC‑U）、PP通常为嵌段共聚聚丙烯（PP‑B），PE在实际生产中通常为高密度聚乙烯（PE‑HD）。此3类管材，均对烘箱试验或纵向回缩率进行了规定，纵向回缩率适用于图1（a）和（b）所示的外壁平滑型管材，烘箱试验则适用于图1（c）～（f）所示的外壁非平滑型的管材。因烘箱试验与纵向回缩率试验条件一致，同时都对试验后状态进行了相同的规定，又均反映了管材使用过程中对气温、日照、热源影响的承受能力，故下文将上述项目合二为一。

2.2.1 PVC结构壁管物理性能对比分析

PVC结构壁管的国家标准与ISO标准的物理性能对比如表4所示。国家标准与ISO标准均对维卡软化温度及烘箱试验/纵向回缩率展开了规定，测试方法和指标要求基本一致。维卡软化温度反映了管材的耐热变形性能，其与受热尺寸稳定性呈相关。塑化度直接关系到PVC制品的力学性能，评价方法主要有目测法、溶剂法、拉伸法、差示扫描量热（DSC）法，ISO标准采用了后3种，其中二氯甲烷浸渍试验与断裂伸长率为企业内部质量控制方法，DSC试验为仲裁法。国家标准中未对此做规定，或是因我国PVC制品的加工工艺已被普遍的较好掌握，且塑化度的优劣可以由环刚度、环柔性等力学性能间接反映所致。

表4 PVC结构壁管的国家标准与ISO标准的物理性能对比Tab.4 Comparison of physical properties of PVC pipes between Chinese national standards and ISO standards

国家标准单独对密度与铅限量进行了规定。密度的设立主要是为了限制配方中碳酸钙填料的含量，近10年来我国制修订的PVC‑U排水管标准基本都将密度限定在1.35～1.55 g/cm3区间。密度过高，配方中填料较多，易导致管材的环柔性与冲击性能变差，直接影响使用。关于铅限量，则是近5年来PVC‑U排水管标准的新增项目，目的是限制铅盐稳定剂的使用，引导产业向绿色环保转变。

2.2.2 PP结构壁管物理性能对比分析

PP结构壁管的国家标准与ISO标准的物理性能对比如表5所示，烘箱试验/纵向回缩率的测试方法和指标要求基本一致，国家标准单独设置了密度、灰分、氧化诱导时间。密度和灰分的设置，可控制无机填料的含量。若无机填料的含量较高，易造成密度与灰分过高，此举可能会增强环刚度，但易降低环柔性与冲击性能。此外，密度的设置或许还有将主体材料限制为PP‑B的作用。氧化诱导时间是评价材料在成型加工、焊接和使用中耐热降解能力的重要指标，若不符合要求，将影响管材的使用寿命。此项目的设置或为限制企业自产回用料及外部回收料的使用。

表5 PP结构壁管的国家标准与ISO标准的物理性能对比Tab.5 Comparison of physical properties of PP pipes between Chinese national standards and ISO standards

2.2.3 PE结构壁管物理性能对比分析

PE结构壁管的国家标准与ISO标准的物理性能对比如表6所示，烘箱试验/纵向回缩率的测试方法和指标要求基本一致。PE结构壁管的国家标准单独设置的密度、灰分、氧化诱导时间，原因与PP结构壁管类似。

表6 PE结构壁管的国家标准与ISO标准的物理性能对比Tab.6 Comparison of physical properties of PE pipes between Chinese national standards and ISO standards

对PVC、PP、PE结构壁管的国家标准与ISO标准的物理性能进行了对比分析，国家标准比ISO标准多设置了几个较为重要检测项目，可认为国家标准的要求更为严格一些。

2.3 对原料规定的对比分析

国家标准与ISO标准均对塑料结构壁管的原料进行了规定，对于全新料的规定基本一致，但对于企业自产回用料与外部回收料的规定存在较大的区别。以主体材料为PP的结构壁管为例，对于企业自产回用料，国家标准要求使用量不大于质量分数的5%，ISO标准的使用量无限制；对于外部回收料，国家标准禁止使用，ISO标准对源于非管道系统的回收料禁止使用，对满足验收要求的管道系统回收料则是规定了使用范围，详见表6。国家标准中关于密度、灰分、氧化诱导时间的设置，可对应于企业自产回用料及外部回收料的使用规定。对于PP结构壁管的原料而言，国家标准的规定要严格一些，PVC、PE结构壁管也均存在相似的情况。

国家标准禁止使用外部回收料，可能与我国目前对于回收料的分类、验收还不够规范，采用此类原料易增加生产及使用中的风险有关。近年来，我国陆续发布GB/T 35262—2017《聚氯乙烯（PVC）塑料回收料的表征特性及检测方法》、GB/T 35265—2017《聚丙烯（PP）塑料回收料的表征特性及检测方法》、GB/T 39199—2020《聚乙烯（PE）塑料再生料的表征特性及检测方法》对PVC、PP、PE回收料的表征特性及检测方法进行了规范；2021年我国又发布了国家标准GB/T 40006.2—2021《塑料再生塑料第2部分：聚乙烯（PE）材料》、GB/T 40006.3—2021《塑料再生塑料第3部分：聚丙烯（PP）材料》对PE及PP的回收料的形状及性能进行规定。若未来政府相关监管部门及行业将塑料回收料的加工、贸易、验收进行了规范化、标准化、持续化的整治，外部回收料的采用也存在加入上述国家标准修订版的可能。

表7 PP结构壁管的国家标准与ISO标准的原料使用条件对比Tab.7 Comparison of raw material conditions of PP pipes between Chinese national standards and ISO standards

对塑料结构壁管而言，原材料选用的适当与否直接作用于力学性能与物理性能，各检测项目之间也可能相互关联。对于此类产品，最重要的检测项目是环刚度、环柔性、冲击试验。此外，PVC轴向中空壁管的铅限量，PP、PE管的灰分与氧化诱导时间，同上述3个检测经常被部分政府监督抽查与工程见证取样检验列为重点考察项目。

3 中国新型塑料结构壁管的开发与应用

对于工业产品而言，发明专利的申请和授权往往伴随着新型产品的开发，标准化则代表着新产品的应用。对产品的发明专利进行研究、分析、成果转化及标准化调研，是诸多工业领域考察行业发展状况的主要技术手段之一。

行业内相关研究人员对2011—2020年间授权的中国发明专利及成果转化情况进行了调研，相关情况如表8所示。新型塑料结构壁管主要分为新型配方和新型结构两大类，新型配方相关专利涉及了共混改性、弹性体增韧、纳米材料增强、无机纤维增强、连续纤维布增强增韧等改性手段，相关专利形成了团体标准T/CECS 10011—2019《埋地排水用聚乙烯共混聚氯乙烯双壁波纹管材》、企业标准Q31/0116000101C001—2015《纤维增强HDPE承插式双壁缠绕管》、Q/CHH 04—2019《埋地排水排污用双层增强改性聚烯烃（DRPO）波纹管》；新型结构相关专利包含了图2所示的新型结构壁管，其中图2（a）～（c）分别形成了团体标准T/GDC 19—2019《埋地用双高筋增强聚乙烯（HDPE）缠绕管》、T/GDC 26—2019《埋地用内肋（含多肋）增强聚乙烯（PE）螺旋波纹管》、T/GDSTT 3—2020《聚乙烯（PE）中空壁复合（多肋）增强缠绕管》［1］。

表8 新型塑料结构壁管专利及标准相关信息［1］Tab.8 Referred information of patents and standards of novel type plastic structure pipes

近两年，受国家关于碳中和、碳达峰的双碳大政策以及树脂原料价格上涨的影响，塑料管道行业的低碳转型已迫在眉睫，新型管材的开发与应用或可顺应品牌建设、绿色化发展和废物利用3条道路。（1）对于品牌建设，可参考德国克拉公司开发和推广克拉管［如图1（d）所示］的经验，开发和推广具有自主知识产权的优秀产品和生产线。（2）对于绿色化发展，可以以团体标准T/CE‑CS 10058—2019《绿色建材评价‑塑料管材管件》为依据，开发出符合绿色建材标准要求且质量轻、耗能低、强度大、长期稳定性好的新型产品。（3）关于废物利用，可加大对废弃塑料，尤其是聚苯乙烯（PS）的研究，以期研发出适当的化学/物理改性的方法降低加工难度、改善力学性能，进而开发出以该废弃塑料为基材的产品。此外，针对于塑料再生料（外部回收料）存在分类、验收不够规范，易增加生产及使用中风险的现状，全国塑料技术标准化委员会（SAC/TC 15）于近两年推出了GB/T 40006《塑料再生塑料》系列标准，规定了7类通用塑料回收料的形状及性能。若未来政府相关监管部门及行业将塑料再生料的加工、贸易、验收进行了规范化、标准化、持续化的整治，大规模采用再生料（外部回收料）生产塑料结构壁排水管具有一定可行性。

4 结论

（1）总体而言，塑料结构壁排水管的国家标准严于ISO标准，此可表明我国对此类产品有更高的质量要求。换而言之，符合国家标准的塑料结构壁排水管，通常也满足ISO标准；

（2）近年来，我国开发出了一系列的新型塑料结构壁排水管，此可表明我国相关行业发展较好，创新性较高；特别是近两年来，我国已牵头制修订了一批高分子材料的ISO标准，包括产品标准及检测方法标准；与之相关的超高分子量聚乙烯、聚丁烯‑1、塑化聚氯乙烯、砜聚合物、聚苯乙烯、抗冲击聚苯乙烯、生橡胶和胶乳等产业已从“做大”逐渐发展至了“做强”；我国塑料结构壁排水管行业，经过十几年的消化、吸收、创新，现已有所成就；该行业可积极向外发展，争取早日牵头制修订ISO标准，争夺国际话语权；

（3）建议国家标准适当的缩短制修订周期，将一些近年已规模应用的新型管材纳入国家标准体系中；并结合时代热点以及行业现状，对再生料（外部回收料）进行考察，于适当时候将其的采用加入国家标准。