1957年，德国赫斯特公司开发出高密度聚乙烯(HDPE)管材专用料GM5010，开始用于压力供水领域，20世纪60年代末，英国燃气公司将其应用于燃气领域并获得巨大成功；美国的Phillips公司于1971年研制出了中密度聚乙烯管材级原料(TR418)，聚乙烯燃气管道开始在欧美等国家大规模应用。美国PE管道应用于供水及燃气等压力管道领域从时间上虽晚于欧洲，但却没有根据ISO系列标准来制订本国的标准，而是不断摸索完善了自己的ASTM系列标准。因而造成国际PE压力管道领域国际标准和美国标准并存的形象，甚至部分国家两种标准混合使用
[1]。
本文通过对PE压力管道相关标准的研究，探讨ISO标准体系与ASTM标准体系之间的主要差异，以让国内PE压力管道领域相关人员能够对此有所了解。
1标准体系
1．1 lSO标准体系
关于PE压力管道ISO标准主要有：ISO 4427：1996(E)
[2]；ISO 4437：1997
[3]；ISO 12162—1995
[4]；ISO/TR lR 9080—1992
[5]。
1．2 ASTM标准体系
关于PE压力管道ASTM标准主要有：ASTMD 2513-01a
[6]：ASTM D 2837-01
[7]；ASTM D3350-02a
[8]；AWWA C 901-99
[9]；AWWA C906-99
[10]。
2标准差异的探讨
2．1使用原料的差异
供水管国际标准ISO 4427：1996(E)
[2]中指出，供水管使用的原料既可以是混配料，也可以是本色树脂预混色母料
[11]，前者由混配料生产厂家书面证明，后者由管材生产厂家书面证明；燃气管国标标准lSO 4437：1997中明确规定燃气管必须使用混配料进行生产。根据ASTM标准系列中资料[6]、[8]、[9]和[10]的要求以及PPI(美国塑料管协会)资料
[12]，原料既可以是本色料，也可以是专用料，但管材生产厂家必须按ASTM D 2837
[7]把数据资料送至PPI的静液压应力管委会(PPl Hydrostatic Stress Board)进行评价，如达到要求，就列入塑料管协会PPI公布的TR-4
[13]表中。可以说，国际标准对原料的要求要比美国标准的要求严格。
2．2原料的分级
2．2．1国际标准
ISO标准根据ISO 12162
[4]对原料进行分级。首先要将管材按照ISO/TR 9080
[5]试验条件进行应力破坏实验，获取长期静液压强度(LTHS)的置信下限(LCL)(20℃、50a、97．5％)，依此确定材料的*小要求静液压强度(MRS)值，此值乘以10即为材料的等级数，见表1。目前市场上等级*高的原料即PE 100级原料，虽然韩国的三层公司宣称开发了PE 112等级的原料
[14]，但由于未在国际标准ISO 4427与ISO4437的原料等级范围之内，目前仅按PE 100级原料使用。
表1 1SO标准PE压力管道原料分组表
|
LCL范围/MPa
|
MRS/MPa
|
材料分级数
|
|
3．15～3．99
|
3．15
|
PE31．5
|
|
4．00～4．99
|
4．0
|
PE40
|
|
5．00～6．29
|
5．0
|
PE50
|
|
6．30～7．99
|
6．3
|
PE63
|
|
8．00～9．99
|
8．0
|
PE80
|
|
10．00～11．19
|
10．0
|
PE100
|
|
11．20～12．49
|
11．2
|
PE112
|
|
12．50～13．99
|
12．5
|
PE125
|
|
14．00～15．99
|
14．0
|
PE140
|
另有研究者认为，PE 140为PE压力管道极限等级
[15]。
美国标准对原料的分级要复杂一些。根据ASTM D 3350[8]标准的要求，聚乙烯管材和管件原料(树脂)的单元分级命名中包括7个物理性能指标所属的的区间，7个指标依次为原料的密度、熔体流动速率、弹性模量、屈服强度、耐环境应力开裂、23℃(7．3°F)静水压设计基础、颜色和紫外线稳定剂，其中前6个指标以数字表示，*后1个指标以字母表示，表2为单元分级对应表，图1为—示例。
根据单元分级对应表2，我们可以分析图1中PE345434C的含义为：原料的密度在0．941—0．955g/cm3之间， 熔体流动速率<0．15g/10min；弹性模量在758 MPa～1103MPa之间；屈服强度在21 MPa～24MPa之间；而SCC的单元分级为3-耐环境应力开裂(ESCR)在检测条件为C、时间为192h、破损概率个超过20％，或缺口静液压实验(PENT)在检测条件下的测试值在3 h和10h之间；静水压设计基础为11．03 MPa(1600psi)，颜色为黑色且至少含有2％炭黑。
2．2．3 PE 2406和PE 3408的含义
在ASTM标准中，聚乙烯供水和燃气管道级原料通常被称为PE 2406和PE 3408，其中PE为Polyethylene的缩略语，随后的2位数字表明了单元分级中的密度和慢速裂纹增长性能(SCG)，*后的2位数字表明了23℃静水压设计强度(HDS)，见表3。
表2 ASTM D 3350厚料的性能、单元分级对应表
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单元分级
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0
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
性能
|
测试方法
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
密度/g．cm-3
|
D1505
|
(a)
|
0．910～0．925
|
0．926～0．941
|
0．941～0．955
|
>0．955
|
—
|
—
|
(b)
|
|
熔体流动速率/g．(10min)-1
|
D1238
|
(a)
|
>1．0
|
1．0～0．4
|
<0．4～0．15
|
<0．15
|
(c)
|
(d)
|
|
|
弹性模量/MPa(1000psi)
|
D790
|
(a)
|
<138
(<20)
|
138～<276
(20～<40)
|
276～<552
(40～<80)
|
552<758
(80～<110)
|
758～<1103
(110～<160)
|
>1103
(>160)
|
(b)
|
|
屈服强度/MPa(1000psi)
|
D638
|
(a)
|
<15
(<2．2)
|
15～<18
(2．2～<2．6)
|
18～<21
(2．6～3．0)
|
21～<24
(3．0～3．5)
|
24～<28
(3．5～4．0)
|
>28
(>4．0)
|
(b)
|
|
慢速裂纹增长SCG(e)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1．耐环境应力开裂(ESCR)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a．测试条件
|
|
|
A
|
B
|
C
|
C
|
—
|
—
|
(b)
|
|
b．测试时间/h
|
D1698
|
(a)
|
48
|
24
|
192
|
600
|
|
|
|
|
c．破损概率，*大值/%
|
|
|
50
|
50
|
20
|
20
|
|
|
|
2．缺口静液压实验/h
PENT（80℃、2．4MPa）
|
F1437
表1
|
(a)
|
0．1
|
1
|
3
|
10
|
30
|
100
|
(b)
|
|
静水压设计基础HDB/MPa(psi),(23℃)
|
D2837
|
NPR(f)
|
5．52(800)
|
6．89(1000)
|
8．62(1250)
|
11．03(1600)
|
—
|
—
|
(b)
|
|
单元分级字母（g）
|
|
A
|
B
|
C
|
D
|
E
|
|
|
|
|
颜色和紫外线稳定剂
|
D3350
|
本色料
|
着色料
|
黑色至少含2%炭黑
|
本色含紫外线稳定剂
|
着色料含紫外线稳定剂
|
|
|
|
图1 PE原料单元分级示例
PE2406和PE3408的含义
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中密度聚乙烯PE2406
|
|
PE
|
2
|
4
|
06
|
|
聚乙烯
|
密度单元分级为2
|
SCG单元分级≥4(a)
|
静水压设计强度(b)4．31MPa(630psi)
|
|
高密度聚乙烯PE3406
|
|
PE
|
3
|
4
|
08
|
|
聚乙烯
|
密度单元分级为3
|
SCG单元分级≥4(a)
|
静水压设计强度(b)5．52MPa(630psi)
|
ASTM标准规定，聚乙烯压力管道原料PE2406的单元分级至少为PE 234343[C、D或E]；PE 3408的单元分级至少为PE 345444[C、D或E]。
2．3长期静液压强度测试方法的比较
[5、7、16]
ISO标准系列中，测定PF管材长期静液压强度的标准为ISO/TR 9080，ASTM标准体系中，静液压强度的测试标准为ASTM D 2837。两标准的实验方法相似，均是将聚乙烯原料在特定的温度和介质中进行应力破坏实验，通过分析应力破坏数据来估计塑料管材原料的强度。但两种方法的理论基础略有不同，在ASTM D 2837标准中，通过对100000h(约11a)的平均，LTHS进行归类来确定HDB值；而在ISO/TR 9080标准中，通过对50a(438000h)的LTHS的97．5％的置信下限(LCL)进行归类并依此确定材料的*小要求静液压强度MRS值。但不论是HDB还是MRS，在相同的使用条件下，材料的实际长期性能是一致的。两种方法主要的不同点见表4。
表4 ISO/TR 9080和ASTMD2837的比较
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项目
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ISO9080
|
ASTMD2837
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分级依据
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MRS
|
HDB
|
|
线性
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没有假设
|
假设为线性(需要确认)
|
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回归
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几个温度条件下测试，所有点的组合
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单一温度下测试
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系数
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3个或4个
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2个
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外推温度
|
20℃
|
通常23℃，经常使用其他温度
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外推时间
|
50a
|
100000h和50a
|
|
额定压力外推时间
|
50a
|
100000h
|
|
戴取线
|
LTHS的97．5%的预测下限
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平均LTHS
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单位
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MPa
|
psi
|
ASTM D 2837标准假设曲线是线性的并外延至100000h，然后利用一个确认过程来确保这种假设，如果应力破坏曲线在100000h以前出现了拐点，那么这组数据就是无效的。在ISO/TR 9080标准中，应力破坏曲线中包括截取点以前观测的所有数据，如果出现拐点，表明聚烯烃材料从韧性破坏转为脆性破坏。
温度与LTHS是负相关的，即温度越高，在外延时间相同的情况下，LTHS值越低。ATSM D2837标准中并未指定LTHS的温度，23℃仅是个典型值，而ISO/TR 9080标准指定表征LTHS的温度为20℃。
2．4 PE 2406和PE 3408的与PE 80和PE100的对应关系
图2和图3是选择了市场上商业化并被认可的PE2406产品和PE 3408产品，并按照ISO/TR 9080进行长期静液压实验的结果，实验条件为水/水。
图2按ISO/TR 9080进行的PE 2406的应力破坏曲线
[1]