2.1 HDPE输水管材
2.1.1 HDPE输水管材简介
HDPE（High Density Polyethylene）是一种由乙烯共聚生成的热塑性烯烃。不同的聚合方法得到树脂的密度不同，低压聚乙烯又称为高密度聚乙烯（HDPE），密度为0.941～0.965g/cm3；中密度聚乙烯（MDPE），密度为0.926～0.940g/cm3；低密度聚乙烯（LDPE），密度为0.910～0.925g/cm3。
HDPE的摩阻系数小，内壁摩阻系数为0.009，而钢筋混凝土管的内摩阻系数为0.013，因此，比同口径大的其他管材可通过更大的流量。HDPE管材的脆化温度为-70℃，一般条件下施工温度在±40℃，施工时不必采取特殊保护措施，而且具备了良好的抗冲击性能。由于HDPE分子没有极性，所以化学稳定极好，除少数强氧化剂外，大多数化学介质对其起不到破坏作用。
HDPE输水管材运用热熔熔接技术或合格管件做衔接，减少了潜在的漏水可能性。其使用寿命长，在不接受阳光紫外线、额定的温度压力条件下，管道的使用年限可达50年以上。HDPE输水管道轴向可略微挠曲，不受地面一定程度的不均匀沉降的影响，可直接铺设在略微不直的沟槽内，且重量低、灵活性高，便于运输。同时，HDPE输水管材内壁能长期保持平滑，以极少的能量耗损节省送水的成本，并可减少管材原材料用量。
2.1.2 HDPE输水管材性能
超大口径聚乙烯（PE100）输水管道使用混配料生产，混配料为蓝色或黑色，其基本性能要求如表2.1所示。
表2.1 HDPE管材材料的基本性能要求
① 仅适用于黑色管材料。
② 仅适用于蓝色管材料。
2.1.2.1 材料性能
（1）炭黑。为了提高材料的耐候性，人们通常向材料中添加一定量的炭黑，利用炭黑对紫外线的强吸收，提高材料的使用寿命。且炭黑表面含有一定量的自由基，能捕捉PE100材料氧化降解过程中产生的过氧自由基，阻止PE100材料的降解老化。炭黑粒子的添加一般会降低材料的力学性能，这是由于炭黑粒子具有较小的聚集尺寸及较大的比表面积，在聚合物基体中极易发生团聚，难以获得较高的分散度，并提高了材料的抗紫外性能。但其力学性能也有一定程度的破坏，这主要是因为改性炭黑在基体内仍有少量的团聚。
炭黑的基本组成元素为碳，除此之外，还含有少量的氢、氧、硫和灰分，这些成分含量很少，但是它们对黑炭的性质有着重要影响。炭黑的表面性质通常指表面官能团的类型和含量、pH值、挥发酚、氧含量及氨含量，这些性质决定着炭黑的化学性质，与此相关的是炭黑的补强作用、吸附作用、离子交换作用和催化作用。
（2）氧化诱导时间。氧化诱导时间（OIT）是测定试样在高温（200℃）氧气条件下开始发生自动催化氧化反应的时间，是评价材料在成型加工、储存、焊接和使用中耐热降解能力的指标。氧化诱导时间方法是一种采用差热分析法（DTA）以塑料分子链断裂时的放热反应为依据，测试塑料在高温氧气中加速老化程度的方法。其原理是：将塑料试样与惰性参比物（如Al2O3）置于差热分析仪中，使其在一定温度下用氧气迅速置换试样室内的惰性气体（如N2）。测试由于试样氧化而引起的DTA曲线（差热谱）的变化，并获得氧化诱导时间，以评定塑料的防热老化性能。
（3）熔体质量流动速率。熔体流动速率（MFR，熔体质量流动速率），也指熔融指数（MI），是在标准化熔融指数仪中于一定的温度和压力下，树脂熔料通过标准毛细管在一定时间内（一般10min）内流出的熔料克数，单位为g/10min。熔体流动速率是一个选择塑料加工材料和牌号的重要参考依据，能使选用的原材料更好地适应加工工艺的要求，使制品在成型的可靠性和质量方面有所提高。在塑料加工中，熔体流动速率是用来衡量塑料熔体流动性的一个重要指标。通过测定塑料的流动速率，可以研究聚合物的结构因素。
（4）耐慢速裂纹增长。长期静液压强度能够很好地评价材料的长期性能，但是它的断裂只是管材制造缺陷在长期低应力作用下缓慢增长的结果。而聚乙烯管道在实际应用过程中，要经过仓储、运输、施工现场的滚动拖拉等，在管线的表面上会造成一定的损伤。而这种深划痕造成的损伤是长期静液压强度（MRS）所解决不了的，耐慢速裂纹增长性能却解决了这个问题。长期静液压强度的另一缺点就是试验时间过长，一般至少需要一年。所以一般给试样开缺口和提高温度来加速试验。常用的方法就是FNCT（Full Notch Creep Test，全切口蠕变实验）和PENT（Pennsylvania Notched Test，宾夕法尼亚州切口实验）。慢速裂纹扩展（SCG）是指PE管材在长时间、低载荷作用下的破坏机制与断裂模式。SCG本质上是由蠕变引起的，是一种与时间相关的断裂。与快速裂纹扩展（RCP）相比，慢速裂纹扩展进展缓慢、不易被发现，在未达到期望的服役时间就失效，带来的后果更为严重。
2.1.2.2 管材性能
（1）颜色。市政饮用水管材的颜色为蓝色或黑色，黑色管上应有共挤出蓝色色条，如果应用于再生水管材，应加紫色色条。色条沿管材纵向至少有三条，沿圆周均匀分布。其他用途水管可以为蓝色或黑色。暴露在阳光下的铺设管道（如地上管道）必须是黑色。
（2）外观。管材的内外表面应清洁、光滑，不允许有气泡、明显的划伤、凹陷、杂质、颜色不均等缺陷。管端头切割平整，并与管轴线垂直。
（3）管材尺寸。
1）管材长度。直管长度为6m、9m、12m，也可由供需双方商定。长度的极限偏差为长度的+0.4%，不允许有负偏差。
2）平均外径。管材的平均外径，应符合表2.2规定。
表2.2 管材平均外径
3）壁厚及偏差。管材的最小壁厚ey，min等于公称壁厚en。管材任一点的壁厚公差符合表2.3的规定。
表2.3 任一点的壁厚公差
（4）管材的静液压强度应符合表2.4的要求。
表2.4 管材的静液压强度
80℃静液压强度（165h）试验只考虑脆性破坏。如果在要求的时间（165h）内发生韧性破坏，则按表2.5选择较低的破坏应力和相应的最小破坏时间重新试验。
表2.5 80℃时静液压强度（165h）再试验要求
（5）管材表观拉伸屈服应力。所有管材必须满足表观拉伸屈服应力的要求。根据ASTM F714的规定，最小表观拉伸屈服应力为20.00MPa。
（6）物理及力学性能。管材的物理及力学性能应符合表2.6的要求。当在混配料中加入回用料挤管时，对管材测定的熔体质量流动速率（MFR）（5kg，190℃）与对混配料测定值之差，不应超过25%。
表2.6 管材物理及力学性能要求
① 仅适用于蓝色管。
（7）卫生性能。用于饮用水输配的管材卫生性能应符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》（GB/T 17219—1998）的规定。