前言

塑料管道作为现代建筑与基础设施的“血管系统”，其产业发展与城镇化进程、环境保护战略深度绑定。近年来，中国塑料管道行业在双重压力下进入转型关键期：一方面受房地产市场调整影响，2021-2024年全国塑料管道总产量从1 660万吨降至1 530万吨，市场竞争从规模扩张转向品质竞争；另一方面，“双碳”战略推动行业重构价值体系，《城乡建设领域碳达峰实施方案》提出“全面提高绿色低碳建筑水平”和“提高基础设施运行效率”，倒逼企业探索低碳发展路径。在此背景下，占塑料管道总产量55 %的PVC管道成为转型核心载体——其历经PVC⁃U、PVC⁃M到PVC⁃O的技术演进，产品设计应力从10 MPa提升至30 MPa，同规格和压力等级下材料用量减少40 %以上。但这类技术进步的环境效益尚未形成系统量化认知，导致其绿色价值难以转化为市场竞争力，成为制约行业绿色转型的关键瓶颈。

碳足迹量化作为评估产品环境效益的核心工具，已在管道领域形成系列研究成果。施工安装层面，张超等对比7种管道修复技术发现，紫外光固化法（UV⁃CIPP）较明挖法（OC）碳排放减少率达49.8 %，印证施工工艺创新的减碳价值；品类对比层面，AlhossinA.Alsadi等对4类管道全生命周期分析显示，PVC管道在制造、安装等环节综合环保性最优；公元股份LCA报告表明，PVC⁃U管材在生产环节碳排放较PE低49.5 %，较PP⁃R低54.1 %；Kalyan R.Piratla等进一步证实，PVC⁃O在50年生命周期内的碳排放较球墨铸铁管降低4 %。但现有研究仍存在明显局限：一是聚焦跨材质对比（如PVC与PE、铸铁），缺乏PVC家族内部技术代际的碳足迹差异分析；二是全生命周期研究对生产制造环节的工艺细节拆解不足，难以识别乙烯法与电石法合成、取向成型等关键工艺的碳排放影响；三是缺乏针对PVC品类的减碳路径量化论证，导致企业技术选择缺乏精准数据支撑。

针对上述研究缺口，本研究以PVC⁃U、PVC⁃M、PVC⁃O三种给水管道为对象，基于PAS 2050和ISO 14607标准，采用生命周期评价方法开展“从摇篮到大门”碳足迹分析。研究以“使用寿命50年的1公里1.6 MPa、DN200管材”为功能单位，构建涵盖原材料生产、原材料运输、管材加工的碳排放清单，量化对比三种产品的碳足迹差异并识别关键影响环节。在此基础上，提出适配PVC⁃O的低碳技术方案。研究成果将填补PVC内部技术代际碳足迹数据库空白，为企业产品研发与生产优化提供数据支撑，同时为行业绿色标准制定及政策引导提供科学依据。

1、方法和对象

1.1方法

本研究采用生命周期评价（LCA）方法开展碳足迹分析，依据标准包括《PAS 2050：商品和服务生命周期温室气体排放评价规范》（Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emission of goods and services）《ISO 14067 产品碳足迹——量化和交流的要求和指南》（Carbon footprint of products—Requirements and Guideline for Quantification and Communication）

碳足迹计算公式如式（1）所示：

CFPGHG=∑(ADi×EFi×GWPi)  （1）   

式中 CFPGHG——温室气体排放量，kgCO2e

ADi——第i种活动的温室气体数据，单位根据具体排放源确定，由工厂统计

EFi——第i种活动对应的温室气体排放因子，单位与活动数据的单位相匹配

GWPi——第i种活动对应的全球变暖潜势值

1.2对象

本研究主要针对PVC⁃U给水管材以及近年来技术革新的PVC⁃M和PVC⁃O开展碳足迹分析，PVC⁃U和PVC⁃M两种产品生产工艺流程一致，如图1所示。

图1  PVC⁃U/M管材生产工艺流程图

PVC⁃O管材产品生产工艺流程如图2所示。

图2  PVC⁃O管材生产工艺流程图

PVC⁃U给水管的树脂原料主要通过煤基电石法生产，与以石油为原料的PE、PPR管道形成显著差异。该生产路径契合我国“贫油富煤”的资源现状，不仅使产品具备价格优势，且材料强度高于PE和PPR，性价比突出。其连接采用胶圈柔性连接或胶黏剂粘接工艺，施工效率高且安装成本低，因此应用场景广泛。但PVC⁃U存在一定脆性，总体设计系数需控制在2.0~2.5，使得产品设计需保留较大壁厚余量。

PVC⁃M给水管针对PVC⁃U的脆性问题，通过共混改性技术开发而成，是兼具高性价比与高抗冲性能的新型管材。其生产设备（主机、辅机等）无显著调整，仅在材料选用与加工工艺上进行优化。经抗冲改性后，PVC管材在20 m高速冲击试验中可避免脆性破坏，韧性大幅提升；虽材料强度略有下降，但安全冗余显著增强，总体设计系数降至1.5。在相同压力条件下，产品壁厚更薄，经济效益更为显著。

PVC⁃O给水管则从分子链结构层面优化材料强度与韧性：通过扩张模具二次成型工艺，在精准控制取向温度的条件下对管道胚料进行双轴扩张取向，使分子链实现定向排列。这一工艺使材料最小要求强度（MRS）提升至50 MPa，且管壁形成片状分层结构，有效降低缺口敏感性，规避快速开裂风险。在相同压力与口径条件下，PVC⁃O管材壁厚更薄，且输水能力显著提升。

1.3范围

本研究的主要目标是针对材料和工艺创新带来的碳足迹量化对比，因此研究采用“从摇篮到大门”的系统边界，内容包括：原材料生产、原材料运输和管道生产阶段，如图3所示。基础建设、设备模具、工人活动等产生的碳排放不包含在本研究的系统边界内。

图3  PVC给水管道碳排放系统边界

研究对象PVC给水管材的功能为将介质输送一定距离，根据输送所需的压力、流量、使用寿命的不同，不同产品选用参数也有差异，故本研究的功能单位为“使用寿命为50年的1公里1.6MPa、DN200PVC管材”。表1比较了3种产品满足上述功能单位的产品信息。

表1  符合上述功能单位的不同PVC给水管道产品尺寸对比

2、碳足迹核算

2.1碳足迹整体分析

核算过程数据主要为定量测量或在此基础上计算得到的初级数据以及参考相关材料的部分次级数据。其中原材料相关数据依据产品BOM表，部分原材料质量小于总质量1 %的不纳入核算清单；产品生产数据则由工厂实测或根据相关企业的环境影响报告得到；碳排放因子优先选用政府部分或国家标准提供的数据，其次选择企业碳足迹报告或者文献中数据。

根据核算数据，建立PVC⁃U管材生命周期清单，见表2。

表2  PVC⁃U管材生命周期清单

根据核算数据，建立PVC⁃M管材生命周期清单，见表3。

表3  PVC⁃M管材生命周期清单

根据核算数据，建立PVC⁃O管材生命周期清单，见表4。

表4  PVC⁃O管材生命周期清单

3、结果与讨论

根据生命周期清单数据核算显示：在功能单位“使用寿命50年的1公里1.6 MPa、DN200管材”条件下，PVC⁃U、PVC⁃M、PVC⁃O 3种PVC给水管材的碳足迹分别为55 153 kgCO2e、45 421 kgCO2e、25 163 kgCO2e。系统边界内各阶段碳排放占比（如图4所示）具体为：原材料生产、原材料运输、产品生产阶段分别占PVC⁃U总碳足迹的94.51 %、0.84 %、4.65 %；占PVC⁃M总碳足迹的94.68 %、0.86 %、4.47 %；占PVC⁃O总碳足迹的92.30 %、0.79 %、6.92 %。

图4  PVC给水管材各阶段碳排放情况

从碳排放构成来看，原材料生产是三类管材碳足迹的首要贡献环节。这主要源于核心原料聚氯乙烯树脂的生产特性：一方面，树脂原材料获取及聚合反应需在高温高压条件下进行，能源消耗量大；另一方面，作为用量最大的原料，其碳排放基数显著高于其他辅料。其次为产品生产阶段，该环节碳排放主要来自管材加工过程，PVC管材需经热冷混预塑化、塑化挤出成型等工序，需消耗电能并使用冷却水。

值得注意的是，PVC⁃O的产品生产阶段碳排放占比（6.92 %）高于PVC⁃U（4.65 %）和PVC⁃M（4.47 %），这与其独特工艺相关：相较于后两者的一次挤出成型，PVC⁃O需经历二次加热、扩张取向及二次冷却工序，导致该阶段能耗增加。但从总碳足迹来看，PVC⁃O仍以25 163 kgCO2e显著低于其他两类产品，核心原因在于其设计应力提升带来的材料用量大幅减少，这种材料节约产生的碳减排效益，完全覆盖了生产工艺额外增加的碳排放；PVC⁃M因材料优化实现一定程度的材料节约，碳足迹次之；PVC⁃U则因设计壁厚余量较大，碳足迹最高。

在原材料生产环节，PVC树脂的主流生产工艺分为电石法与乙烯法。两者在应用场景与环境性能上存在显著差异：电石法因工艺能耗高、污染物排放量大，在国外已逐步被乙烯法替代；而国内受“贫油富煤”资源结构影响，长期以电石法为主，预计2026年其产能占比仍将维持在75 %左右。不过，随着国家“双碳”政策深化及《产业结构调整指导目录（2024年本）》对高耗能工艺的限制，乙烯法替代电石法已成为行业明确趋势。

碳排放数据进一步印证了这一替代的必要性：中国产品全生命周期温室气体排放系数库中郭鑫、于洋、周才华贡献的数据显示，乙烯法PVC树脂的碳排放较电石法降低15.5 %。据此推算，若采用乙烯法PVC树脂生产给水管道，产品全生命周期碳排放预计可降低13.7 %~14 %，减碳潜力显著。

在产品加工技术革新方面，工艺优化同样具备明确的减碳价值。目前主流的PVC⁃O二次成型工艺，因需经历二次加热、扩张取向及二次冷却工序，加工阶段碳排放相对较高。潘雨曦研发的口模扩张取向自增强工艺则突破了这一局限：该工艺通过模头直接扩张实现材料取向，管道环向爆破应力较未增强管道提升51.6 %；且材料经冷却后直接一次成型，无需二次加热，从源头减少能耗。同时，材料降温过程的能量转换效率显著高于升温过程，双重优势下可大幅降低生产阶段的碳排放。

4、结论

本研究以PVC⁃U、PVC⁃M、PVC⁃O三种PVC给水管材为研究对象，采用生命周期评价方法收集数据，建立管材“从摇篮到大门”系统边界内的生命周期清单，核算碳足迹并分析结果，结果表明，在功能单位“使用寿命50年的1公里1.6MPa、DN200PVC管材”条件下，PVC⁃U、PVC⁃M、PVC⁃O的碳足迹分别为55.2 tCO2e、45.4 tCO2e、25.2 tCO2e；尽管工艺革新的PVC⁃O给水管材在制造阶段碳排放占比（6.92 %）高于PVC⁃U（4.65 %）和PVC⁃M（4.47 %），但其优异的力学性能显著减少了材料用量，使得总碳排放大幅降低，这表明材料节约对碳足迹的降低效果更为突出——PVC⁃O相对PVC⁃U可实现54 %的碳减排；本研究为PVC给水管道的碳排放计算和绿色推广提供了基础数据参考，展望未来，为响应国家“双碳”政策及行业绿色转型需求，采用更低碳的乙烯法合成工艺材料与口模扩张取向成型工艺，将对进一步降低PVC⁃O的碳排放发挥重要作用，而低碳环保的PVC给水管道在农业、市政等领域的应用，也必将创造更大的市场效益和社会效应。