大口径塑料管道开发中首先遇到的问题是：相对于金属而言，塑料的强度、刚性比较差，因此管道的壁厚比较厚。并且管道直径越大，壁厚也越厚。因此大口径塑料管道消耗材料较多，管道成本较高，一直是影响市场推广的重要因素。过去十几年来，国内多是采用塑料和金属复合增强来解决这个问题，但是经过长期的市场应用实践，发现塑料和金属复合增强管道存在复合性能不稳定、容易发生脱层或者由于塑料保护层破坏引起金属腐蚀导致管道失效的风险。因此多年来塑料和金属复合增强管道在压力给水领域始终没有取得突破。在排水管道领域，塑料和金属复合增强排水管道的不足，使得近年来全塑料缠绕成型排水管道（克拉管）发展较快，已经成为重要排水工程的首选塑料管道品种。
大、中直径中、低压力管（0.4-1.6MPa ）是个大市场，主要是输水管道，包括水利工程中的长途输水管道，市政工程中的引水、给水管道，有压排水管道，工业、矿山、海水淡化和石油天然气开采中的各种输水输浆液管道等。大部分直径在800-2000mm 范围，工作压力在0.4-1.6MPa范围。大部分埋地铺设。这个市场目前国内外塑料管道业都在努力争取，有希望成为塑料管道行业新的增长点。
中国塑料管业高速发展二十多年，在很多领域内已经被广泛应用。然而在大、中直径中、低压力管市场上至今应用非常有限。虽然我国早已有生产直径1600mm HDPE 以及1200 mmPVC-U实壁管的能力，也有大直径HDPE和PVC-U压力管工程的业绩报道，但是我国大、中直径中、低压力管市场至今仍然是传统管道的天下，热塑性塑料管在这个市场份额还很小。
目前国内大口径管道市场主流产品仍然是传统的球墨铸铁管、焊接钢管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）和玻璃纤维增强塑料夹砂管（RPMP）四类。热塑性塑料管道所占的市场份额还很小。主要原因是性能有差距，用材料太费，成本较高并且连接施工不方便。因此国内外都在探索开发大直径增强塑料压力管，新出现的使用连续纤维增强热塑性塑料管道CFRTP ，给塑料管业带来了新的技术突破和发展机遇。吉林荣亿工程管道有限公司所开发的即是使用连续玻纤带制造增强大口径聚乙烯管道，称为“ 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合给/排水管道”。
二、传统大口径管道的局限性
2-1聚氯乙烯PVC 管道：
我国是世界上聚氯乙烯树脂生产第一大国，聚氯乙烯管道是我国塑料管道最重要的品种之一。相对于聚乙烯树脂，聚氯乙烯树脂强度和刚度都有明显优势。但是由于聚氯乙烯树脂流动性差，难以生产制造大直径实壁管，因此国内大量使用的硬聚氯乙烯PVC-U 压力管直径一般在800mm以下。目前国外生产的PVC-U管道最大直径1200mm（美国和加拿大），生产的PVC- O管道最大直径800mm （西班牙）。
近几年美国JM Eagle公司在我国建立了“ 泉恩高科技管业”，产品有直径800-1200 mm（压力0.63-0.8MPa ）的PVC-U 管，并且已经有1200mm直径的管道进入市场。但是生产制造更大口径的PVC-U压力管从设备能力、生产工艺技术等一系列问题上都很困难。
2-2高密度聚乙烯HDPE 管道：
高密度聚乙烯HDPE 管道是国内发展最快的塑料管道品种。由于聚乙烯树脂流动性较好，可以生产制造较大直径实壁管，国外报道生产的HDPE 管道最大直径达到2500mm。我国也给国外配套制造过可以生产直径2500mmHDPE管道的部分设备。国内报道生产的HDPE管道最大直径1600mm。但是由于HDPE的强度比较低，需要较大的壁厚，管道成本很高。大直径HDPE管的应用被限制，往往只能用于较低压力的领域。下表是性能最好的混配料PE100制造的管道在不同直径不同压力下要求的管道壁厚：
可见直径800-2000mm 、压力0.4-1.6MP a的PE100 实壁管，直径越大、要求承压能力越高时，壁厚越厚，往往在50mm 以上。挤出生产壁厚在50mm以上的聚乙烯管是很困难的，除去设备的原因，原材料的‘熔垂’现象（从机头模口挤出的熔融体，受到重力影响，有向下流动的趋势，直接影响管壁厚度的分布）也是主要的技术瓶颈。近年国际上开发了“低熔垂”的混配料，才使得挤出生产壁厚在50mm 以上的厚壁管成为可能，但最厚的记录壁厚也仅在100mm左右。
因此虽然国外报道挤出生产HDPE 管的最大直径可达到2500mm，最大壁厚有超过100mm的，但是基于成本上的考虑，大口径HDPE管实际上应用的都是压力较低（即壁厚较小）的场合，如引入和排出海水的管道。例如Borouge在中东工厂的直径1600mm 海水管道壁厚是61.5mm（SDR26）。葡萄牙一渔场用PIPELIFE 生产的直径2000mm 海水管道壁厚是76.9mm（SDR26）。耐压都在0.6MPa 以下。
2-3 大口径聚氯乙烯pvc缠绕管道连接不方便
高密度聚乙烯HDPE 管道绝大部分采用熔接或用对接熔焊或用电熔管件。熔接有许多优点，比如连接可靠。但是用到大直径HDPE管上，就既不方便又不可靠了。
用电熔管件连接必须保证管件和管材之间的间隙恰当并均匀，而且为保证熔接质量还要求管材表面刮去氧化层，这在大直径管材管件上很难做到。
大直径聚乙烯管对接熔焊设备
用于对接熔焊的焊接设备，当管道直径较大时，焊接机很庞大很贵，焊接时需要有严格的焊接工艺，并且管端需要在现场切削平整。因此完成大直径管的一个焊接点往往需要几个小时。对气候和环境条件也有一定的要求。最主要的还是对焊接的质量难以检测，因此工程施工单位都不太愿意用这种方法施工。
2-4 传统大口径管道的连接方式
目前市场上大中直径中低压力管的传统产品是球墨铸铁管、焊接钢管、预应力钢筒混凝土管（PCCP），玻璃纤维增强夹砂管（RPMP）。这四类管道多数采用胶圈密封承插连接，尤其是较大直径的采用更多（图示）。
墨铸铁管可以采用胶圈密封的承插连接（滑入式柔性接口，T 型）、法兰连接、机械压紧承插连接等连接方法。应用最多是承插连接。早期中低压输水钢管也习惯采用焊接（高压输油气的钢管必须采用焊接）。
通过国内外长期实践中积累的经验，近年越来越多采用胶圈密封的承插连接。原因是在野外现场进行焊接往往不容易保证质量，如果焊缝没有经过检验，可能在使用中焊缝爆裂。而采用胶圈密封的承插连接不仅更安全而且使铺设更方便和经济。
近年我国水利工程和市政工程都大量采用PCCP ，一方面是因为PCCP的性能/价格比有明显优势，另外一方面是因为它采用胶圈密封的承插连接，由于其钢制的承口插口尺寸精密（配合间隙很小），所以可以保证良好的密封。
纤维增强衬塑复合管的连接有胶圈密封的承插连接、承插粘接、法兰连接、对接（现场包糊固化）等。但大、中直径中、低压力的玻璃纤维增强夹砂管大都采用承插连接。
大、中直径传统管道长期实践证明，如果设计合理、精心施工，胶圈密封的承插连接可以保证管道密封的长期可靠性和稳定性，同时具有方便铺设的突出优点。
但是，聚乙烯实壁压力管是公认不能采用承插连接的（无压排水用聚乙烯管可以用）。原因在于聚乙烯容易蠕变，全聚乙烯制作的承口插口的蠕变，会使胶圈密封件失去必要的压缩。
2-5 塑料实壁管原材料需求量大，价格太高
目前国内能够应用于大、中直径中、低压力管的热塑性塑料管道只有HDPE 实壁管。但是因为HDPE强度较低所以需要较大的壁厚，造成管材价格高。
以下在同样直径和压力要求下，粗略比较HDPE 实壁管和四种传统管材的价格（仅供参考）。可见塑料实壁管的价格明显高于传统管材。
注：因为管材价格的影响因素很多，又经常变化，很难准确比较。上表中四种传统管材的每米价格是根据工程专业期刊《特种结构》2011 年8月一文《玻璃钢夹砂管的性能对比及其在长距离输水工程中的应用》（作者张亚峰武汉凯迪水务公司）中提供的“管材的单位综合造价比较” ：
“ 比较DN1000 （1.0MPa）钢管1384 元/m；球墨铸铁管1536元/m；PCCP管960元/m；玻璃钢管 1323元/m。”
该文中没有HDPE 实壁管的价格，上表中2804元/m是根据塑协管道委员会CPPA 发布的“塑料管道产品行业指导价格（2014 年第2号）”给水用PE 管材：17200元/吨，和米重163kg/m计算出来的。
总之，塑料实壁管进入大、中直径压力管市场是不太可能的。塑料实壁管应用于这个领域的机会只在很低压力下或者用作传统管材的衬管。必须开发新型的大口径塑料增强管道以适应市场的需求。
三、国内外开发大、中直径中低压塑料压力管的探索
国内外都一直在探索开发大、中直径中、低压力塑料管道，以下介绍几个比较成功的案例。
3-1 大直径钢增强聚乙烯压力管
长期以来由于国内塑料原料的价格偏高（相对钢材价格和劳务价格），因此国内很早在中低压管道领域就开发了钢增强聚乙烯管。目的主要为减少树脂消耗。降低成本。其中钢丝增强聚乙烯管（CJ/T187）应用最广，主要用于中小直径范围，采用电熔管件连接。近年来发展到最大直径可以达到1000mm ，电熔管件也做到DN630mm ，但继续制造更大的电熔管件技术上已经非常困难，并且管材和管件的公差配合也很难保证，因此这个产品很难继续向更大口径发展。国内也有企业在探索开发新型大中直径钢增强聚乙烯压力管，但至今没有见到较成熟的产品。钢增强聚乙烯管最大的问题在于钢和聚乙烯不能很好的复合，需要用粘接树脂作为中介实现粘合，但是粘结界面的强度有限，并且要受到使用环境温度的影响。因此寻找新的增强材料来开发大口径塑料管道已经提到议事日程。
3-2 探索短玻纤增强，采用缠绕熔接成型代替直接挤出
德国KRAH 公司十多年来一直在探索用缠绕熔接成型内衬层+短玻纤增强聚乙烯层的方法制造大、中直径聚乙烯压力管。已经进入市场的是其开发的玻纤增强聚乙烯（glass fibre reinforced polyethylene）管——被称为PE-GF 管。
PE-GF 管是三层结构，内外层是PE100 ，中间层是短玻纤增强聚乙烯，采用缠绕熔接成型。内径可到4m，这种管材厚度能比通常的PE100管减少近30-40%。PE-GF管可以对接熔焊和承插电熔等。这种管材近年已经在比利时、土耳其、哥伦比亚和日本等地应用。而且已经已进入DIN和ASTM标准。（DIN SPEC 19674 ，ASTM F2720）。可见其可靠性已经得到肯定。上图是KRAH 公司为澳大利亚生产的DN4000 1MPa SN8 PE-GF管。
KRAH 公司开发的PE-GF管，以它用于排水管道生产的缠绕工艺来生产压力管道，证明了热塑性塑料压力管不一定必须采用传统的直接挤出法，是可能采用缠绕熔接的方法制造的。这就为开发大直径塑料压力管添加了一种新的工艺技术，避开高成本高难度的直接挤出工艺。但是KRAH公司开发的PE-GF管并没有被广泛接受。根据该公司2013年报告，至今全球生产PE-GF管的DR生产线一共才有9条。原因在于用短玻纤增强聚乙烯，增强效果不高：其最高等级材料PE-GF 200 的MRS值仅有 20 MPa，设计应力为12.5 MPa（DIN SPEC 19674[1]）。比PE100 的设计应力8 MPa仅高1.56倍。所以在减少材料消耗，降低成本方面作用不是很大，与传统管材的市场竞争能力有限。
3-3 探索KCG(C型)纤维增强衬塑复合管乙烯压力管
现在国外复合增强材料的热点是连续纤维增强热塑性塑料CFRT （Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic），高性能/ 重量比和高性能/价格比的CFRT材料正在迅速发展并且从航空汽车等领域推广到很多产业，包括管道业。
近年国内外都开始在积极探索采用连续纤维增强开发增强热塑性塑料压力管CFRT 。CFRT管材的材料包括多种高强度纤维（玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维…… ）和多种热塑性塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、PVDF…… ）。其中最常用的是玻纤增强聚乙烯，其中采用长玻纤增强聚乙烯带的工艺路线目前看在性价比上有明显的优势。在玻纤带中玻璃纤维是连续均匀平行排列的，完美地包覆和分布在聚乙烯中。玻纤带缠绕在管材内层的外壁，并且和增强管的内外聚乙烯层充分熔接。玻纤带增强聚乙烯压力管通常是三层复合结构：
内衬层：内衬层是PE100 的实壁层用于包容输送的介质，可以用挤出缠绕熔接成型的，也可以用直接挤出的薄壁实壁管。
增强层：中间层是玻纤增强带缠绕熔接形成的增强层，用于承受内压负载。如果要求管材同时承受环向和轴向负载，增强带采用螺旋缠绕或环向+ 轴向交替缠绕；如果只要求管材承受环向负载，增强带采用近环向缠绕。
外护层：最外层是PE100 的外护层，用于保护管材增强层（包括抗紫外线），用挤出熔融的聚乙烯带材缠绕熔接成型。在需要完成某些功能（如成型承口插口，增加管道刚性）时可以通过多种缠绕工艺来完成。
初步试验证明采用玻纤带增强管道和采用缠绕熔接方法制造大直径热塑性塑料压力管在技术和工业上是可行和可靠的，可以显著减少壁厚，降低材料消耗。目前一些国产连续玻纤增强带的拉伸强度都在500MPa 以上（实际可到700MPa 以上），约是PE100 拉伸强度25MPa的20倍。所以试验中直径1000mm压力1MPa 的管材只需要约3毫米厚的玻纤带复合层就可以保证爆破压力超过3MPa。而国产玻纤带的价格约在25元/公斤，仅是PE100价格12元/公斤的2倍，玻纤带比重约1.4，PE100比重约0.94，所以3毫米厚的玻纤带复合层的成本约相当于9毫米的PE100，而强度相当60毫米PE100。根据试验产品的结果，用玻纤带增强的大直径聚乙烯压力管和同样直径和压力的PE100 管比，管材壁厚可以减少50%以上，成本可以节约40%左右。
目前国外开发CFRT 管道重点在中小直径的高压管道（如深海采油气的管道），CFRT 的中小直径管通常采用连续挤出内管和连续缠绕玻纤带的方式生产，通过带式缠绕机来完成增强层的制作。大中直径管通常在类似“克拉管生产线”的缠绕熔接设备上分层制造。CFRT 管各层之间要完全熔接，断面类似实壁管的形式，属于完全结合型的增强热塑性塑料管RTP 。
四、“ 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合给/排水管道”（CFRTP ）的开发
4-1 目标
根据前文的分析，塑料管要进入大中直径中低压力管市场，并且具有和传统管道的竞争能力，产品必须达到的目标是：
--- 安全可靠：大中直径中低压力管主要应用于输水干管，一旦出现爆管事故就会造成严重损失和恶劣影响。要吸取PCCP的历史教训，保证50年以上使用寿命；
--- 满足性能要求：直径800-2000mm，工作压力0.4-1.6 MPa，环刚度2-4-8KPa；
--- 连接和铺设方便可靠：采用胶圈密封承插连接；
--- 综合造价能与传统管道竞争：管材的价格要和传统管道接近，加上较低施工和维护费用使综合价格能和传统管道竞争；
4-2 产品方案
“ 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合给/排水管道”是全结合型增强热塑性塑料管，环向用连续玻璃纤维带缠绕熔接增强。管材采用承插连接。
4-2-1 产品结构
“ 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合给/排水管道”由三层组成。内层是高密度聚乙烯内衬层，中间层是连续玻纤带缠绕熔接的增强层，外层是高密度聚乙烯的外护层。
管材两端分别通过缠绕熔接和机械加工形成连体的承口插口。承口插口壁中埋入加厚的连续玻纤带缠绕熔接的增强层增加刚度防止蠕变。
在需要提高连续长玻纤带增强聚乙烯压力管环刚度时，可以在护套层外熔接聚丙烯增刚肋。
4-2-2 力学分析
环向负载（应力）：
内压形成的环向应力由近环向缠绕的玻纤带层承受，设计安全系数3 。
轴向负载（应力）：
因为采用承插连接，内压不会形成的轴向应力。在制造搬运过程中和埋设后因为不均匀下沉等形成的轴向应力由管材的聚乙烯壁承受。
外压负载：
按照抗内压设计的增强聚乙烯管管壁很薄，只能应用于没有外压负载的地面铺设或管廊中。如果要求承受外压负载（如埋地铺设），可按照用户对环刚度要求在护套层外熔接聚丙烯增刚肋。
4-2-3 主要性能要求和检测
为了保证产品安全可靠，必须在产品标准中对性能和检测要求作出明确规定。“ 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合给/排水管道”产品标准中提出的主要要求是：
——对原材料的要求和检测，特别是对玻纤带的质量要求；
——静液压强度及爆破压力；其中特别借鉴美国/ 加拿大硬聚氯乙烯压力管生产经验，要求每根管材都通过“逐管短时静液压试验”。
——环向拉伸强力和轴向拉伸强力；通过从管壁切出试样检测。
——管材环刚度和承口、插口环刚度；通过切出试样检测。
——玻纤带增强层的层间剪切强度；通过从管壁切出试样检测。
——系统适用性试验（承插连接的密封性）；为保证管道连接的密封性能，系统适用性试验是必须和必要的。
4-3 工艺和设备
“ 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合给/排水管道”的成型由四步组成：
——由熔融态的聚乙烯带在芯模上缠绕熔接成型内衬层；
——由玻纤带近环向缠绕熔接构成增强层；
——由熔融态的聚乙烯带缠绕熔接成型外护层；
——机械加工承口、插口；
4-3-1 由熔融态的聚乙烯带在芯模上缠绕熔接成型内衬层
CFRTP 管内衬层有两大功能，一是形成密封的流体通道，二是要承受管材轴向负载。
聚乙烯在适当的工艺条件下可以完善熔接，而且熔接的强度可以达到本体强度。要实现完善的熔接必须有严格的工艺要求。所以增强聚乙烯压力管熔接成型内衬层的过程必须有严格的工艺，精心的操作。其要求是和生产无压排水结构壁管——‘ 克拉管’不同的。内衬层的任何小缺陷都可能造成管材泄漏，以至爆裂。
根据国内外缠绕管道的生产实践经验，内衬层要由多层缠绕熔接组成。因为沿近环向缠绕熔接的内衬层熔接缝非常长，如果只用单层，无论工艺多么严格，出现缺陷处的可能机率还是比较大。采用多层缠绕熔接，并让后一层聚乙烯带的位置错开 带宽，用后一层聚乙烯带覆盖住前一层聚乙烯带的熔接缝，就可以显著减少出现缺陷的机率。只用单层缠绕熔接是危险的，不容许的。德国克拉KRAH 公司的压力管说明书中就介绍其管壁由聚乙烯带多层缠绕熔接成型的，特别指出后层跨在前层接缝上。
增强聚乙烯压力管内衬层熔接过程中对聚乙烯带的位置，温度- 压力-时间（速度）等要求都必须有严格的工艺规程并有纪录，并且能够控制。为此增强聚乙烯压力管的生产设备要精密并配置检测和显示工艺参数的系统。
4-3-2 玻纤带近环向缠绕熔接构成增强层
根据国内外的实践经验，对玻纤带增强层要求是：
1）玻纤带铺设平整，密集，达到规定的厚度（层数）：
玻纤带有一定宽度，为保证带宽向玻纤均匀受力，带的位置必须平行于管材轴线。铺设好的玻纤带层从轴向截面看应类似完善的砖墙图形。不允许玻纤带在宽度方向处于斜置，弯曲的位置，避免玻纤带受力不均，应力集中。
2）实现玻纤带增强层和内衬层和外护套层之间完善的熔接，形成实壁：
完善熔接使得玻纤带的应变互相牵制，均匀承受负载。
玻纤带层间熔接成实壁可以显著提高管材环刚度。
完善熔接形成无空隙的实壁，有利于防止渗漏，防止腐蚀。
为了实现铺设平整完善的熔接，必须有严格工艺装备和措施；
1）玻纤带的放带必须有张力控制，保证张力始终均匀；
2）玻纤带和内衬层经过适度预热，在熔接界面结合点前，界面的聚乙烯温度要达到熔点，经过结合点完成熔接后要适度冷却。
3）在结合点要用压辊适度加压，以去除可能陷入的空气，并压平，促使界面分子充分熔结。
增强层缠绕过程的示意图：
4-3-3 由熔融态的聚乙烯带缠绕熔接成型外护层
基本要求同4-3-1 。需要提高管材环刚度时还要缠绕熔接上增刚肋。
4-3-4 机械加工承口插口
增强管在缠绕成型中是一个热成型过程，由于聚乙烯热膨胀系数大，导热系数小，弹性模量小，容易蠕变。因此在每道工序完成后，要有足够的冷却条件和时间，让管材冷却、稳定下来，尽量消除内应力。在机械加工承口、插口前，更需充分冷却和时效？，以保证加工后的承口插口稳定。
五、CFRTP 管的竞争优势和缺点
5-1CFRTP 管的竞争优势
CFRTP 管的竞争优势在：
--- 清洁卫生：接触输送流体的是聚乙烯。
--- 安全可靠：不同于PCCP、钢管、球铁管，PE-GF管结构中只有聚乙烯和完全被聚乙烯浸渍包覆的玻纤，没有腐蚀的危险。可以安全使用50年以上。
--- 节能环保：可以比使用塑料实壁管节约材料一半以上。因为重量比传统管材轻很多，可以显著减少运输和铺设过程的能耗。
--- 方便铺设：采用胶圈密封的承插连接方便铺设，现场不需要专用设备和能源。采用承插连接也容易被国内工程施工单位接受。
--- 灵活适应：只要改换芯模，改变缠绕熔接工艺就可以生产不同直径，不同压力等级，不同结构设计的CFRTP管。
--- 成本较低：因为用材料省，管材成本显著低于塑料实壁管；接近钢管，球墨铸铁管。加上可以节约运输和铺设费用，可以降低管道工程总成本。
PE 大口径长纤维增强复合给/排水管（CFRTP ）与HDPE 实壁管、内外涂塑防腐钢管、球墨铸铁管（K9 型号）和预应力钢筒混凝土管（PCCP），在管径为1000mm、承压1.0MPa的同等条件下，性能指标比较如下：
5-2 CFRTP 的缺点和局限性
--- 缠绕熔接的制造工艺要求严格，制造效率比较低。
--- 通过增强减少壁厚后可能环刚度过低。为了提高环刚度熔接增刚肋将损失部分节料效果。
--- 管件配套的困难。虽然大直径管主要应用于输水干管，通常长距离直铺，需要管件不多，但是管件配套是必须的。目前国内还没有企业在开发玻纤带增强聚乙烯管件，国内球墨铸铁管的管件很发达，可以借用市场上的球墨铸铁管件, 当然此时CFRTP管道的承插口尺寸要按球铁管标准。建议紧急修复时采用机械卡压连接的管件。
大直径PE-GF 管难以按照上述标准通过长期静水压试验进行压力评级，因此如何验证长期可靠性还待研究。用玻纤带增强后的承口、插口能否可以保证长期不发生影响密封性的蠕变也有待验证。
“ 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合给/排水管道”还是一个新事物，还有待业内外同仁共同努力改进并完善，使之成为我国塑料管道新的增长点。
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