[文章]：塑料类管材应用于住宅热介质管道的若干问题

saintlihc

提要  塑料类管材, 正在住宅和其它建筑中得到越来越广泛的应用。其中, 仅有一部分管材, 适用于输送热介质。塑料类管材同长期以来习惯应用的钢管等金属管道, 其力学特性有较大的区别。本文简要阐明其物理力学特性, 并提出选择应用中应注意的一些主要问题。
关键词  塑料类管材  应用  住宅  热介质管道
1  适合于输送热介质的塑料类管材
    1999年12月, 建设部、国家经贸委、质量技监局和建材局, 联合下达了《关于在住宅建设中淘汰落后产品的通知》, 其中提到: 自2000年6月1日起, 在城镇新建住宅建设中, 禁止使用冷镀锌钢管用于室内给水管道, 并根据当地实际情况逐步限时禁止使用热镀锌钢管, 推广应用铝塑复合管、交联聚乙烯(PE-X)管、三型无规共聚聚丙烯(PP-R)管等新型管材, 有条件的地方也可推广应用铜管。
    塑料类管材可用以输送多种介质, 由于其生产过程的低能耗和低污染、较小的水阻力、便于施工安装、价格有较大下降空间, 以及在质量能确保和应用得当的条件下有较长使用寿命等优点, 将会得到广泛的应用。
    硬质聚氯乙烯(PVC-U)管已逐步替代铸铁管广泛应用于排水管道。室外地下埋设的燃气管已开始采用高密度聚乙烯(HDPE)管。冷水管则可采用价位较低的中密度聚乙烯(MDPE)管、低密度聚乙烯(LDPE)管、均聚聚丙烯(PP-H)管、嵌段共聚聚丙烯(PP-B)管或承压硬质聚氯乙烯(PVC-U)管等。可见, 上述《通知》所推广应用的, 主要是指适合于输送热介质的塑料类管材。此类管材目前较为可靠的有以下四种:
    (1) 交联铝塑复合管。内层和外层为密度≥0.94 g/cm3的聚乙烯或乙烯共聚物、中间层为增强铝管、层间用热熔胶紧密粘合为一体的管材。用作输送热水时, 内外层应为交联聚乙烯, 称为交联铝塑复合管, 通常以XPAP标记。
    (2)聚丁烯管。由聚丁烯-1树脂添加适量助剂, 经挤出成型的热塑性管材, 称为聚丁烯管,通常以PB标记。
    (3)交联聚乙烯管。以密度≥0.94 g/cm3的聚乙烯或乙烯共聚物, 添加适量助剂, 通过化学的或物理的方法, 使其线型的大分子交联成三维网状的大分子结构, 由此种材料制成的管材, 称为交联聚乙烯管, 通常以PE-X标记。
    (4)无规共聚聚丙烯管。以丙烯和适量乙烯的无规共聚物, 添加适量助剂, 经挤出成型的热塑性管材, 称为无规共聚聚丙烯管, 通常以PP-R标记。有些生产厂或供应商称之为“改性丙烯管”, 并以PP-C标记, 这是不规范的含糊称谓。
2  输送热介质的塑料类管材在住宅中的主要应用前景是户内供暖系统
    由于生活热水系统户内管系长度有限,每平方米建筑面积的管材使用量，约仅为0.2m。因此, 其主要用途应是户内供暖系统。
    据一份对欧洲24个国家1997年塑料管市场的调查材料, 在总应用量中: 聚氯乙烯(PVC)管约占60.6％, 各种密度的聚乙烯(PE)管, 约占32.6％, 各型聚丙烯(PP)管约占4.9％, 交联聚乙烯(PE-X)管仅约占1.1％。其中PP-R管和PE-X管，几乎全部用于户内供暖系统。
    输送热介质的塑料类管材在住宅供暖系统中的主要用途是:
    (1)集中供暖住宅分户热计量的户内系统
    从能源总效率、供暖质量、环境保护、防火和安全保障、卫生条件、建筑造价和供暖费用等诸多因素, 集中供暖具有明显优势。集中供暖住宅必然要逐步实施分户热计量。新建住宅分户热计量的主要途径, 是采用“一户一表”的分户独立系统方式。此种户内系统管道, 有布置本层顶板下、布置在本层地面上或镶嵌于踢脚板内和布置在本层地面下垫层内的几种方式。综合各地的试点方案, 在建筑层高受限和居住者对装饰要求日趋高挡的情况下, 布置在地面下垫层内的方式, 较易被接受，已成为主流的布置方式。。
    布置在地面下的垫层内的管道, 不论采用下供下回双管式、水平串联单管跨越式或放射双管式(或称“章鱼式”)的配管方式, 都要求管道有较长的使用寿命、较小的垫层厚度和较为简便的安装方法, 并避免在垫层内有连接管件, 因此不宜采用钢管, 只能采用塑料类管材。
    (2)分户独立热源供暖系统
    在具备多种能源供应条件的地区, 集中供暖会与多种供暖热源和方式并存, 例如: 以燃气或电热为热源的分户独立式供暖。此种热源的供暖系统制式, 同采用集中供暖“一户一表”的分户独立系统是相同的。
    据典型工程的推算, 上述两种分户独立系统每平方米建筑面积的管材使用量约为1m。
    (3)低温热水地板辐射供暖系统
    无论集中供暖还是单户独立热源供暖, 都可采用具有舒适、节能和有利于装饰等显著优点的低温热水地板辐射供暖。辐射供暖方式形成的较合理的室内温度场分布和等效热效应, 不仅比传统的散热器对流供暖方式有较好的舒适度,还可节约热能约10％左右。相对于铸铁散热器或其它散热器加罩等陈旧的供暖设施, 地板辐射供暖更能适应居住者对于建筑装饰的要求。与按标准散热量计算的价格在0.5元/W以上的普通散热器供暖方式相比, 综合经济比较并不处于劣势。
    分户独立系统如需在地面垫层内敷设管道时, 采用地板辐射供暖就更有较大优势, 除上述优点外, 还由于需在楼板基底上铺设保温层, 可部分减少分户热计量时户与户之间的热传递量, 并可改善楼板的隔声和降低撞击声。低温热水地板辐射供暖的加热管, 应采用塑料类管材。据通过典型工程的推算, 地板辐射供暖每平方米建筑面积的管材使用量约为3m。
3  塑料类管材的蠕变特性
输送热介质的塑料类管材的应用, 目前存在一些模糊概念和盲目性, 其中最重要的是塑料类管材的蠕变特性。例如: 某些生产厂或供应商介绍产品时, 孤立地提出对承压、使用寿命和耐温性能的承诺, 显然是不科学的。设计人员和使用单位, 切不能以为这些承诺会同时存在。
    管材的力学特性，即管壁厚、管径、可承受压力和许用应力之间的关系, 无论是金属管材还是塑料类管材，都可用下式表示:
                P×D
          e ＝ ───
                 2σ   
         上式中:  e  管壁厚    (mm)
                  P  管内压力  (MPa)
                  D  管径    (mm)
                  σ 许用应力    (MPa)
塑料类管材, 同长期以来习惯应用的钢管等金属管道力学特性的主要区别，主要是应力的变化规律不同。钢管的使用寿命主要取决于腐蚀速度，使用温度对许用应力影响不大,例如：10号钢的钢管许用应力, 在较大的温度幅度范围内变化不大， 温度≤100℃时为 110.85MPa; 温度＝150℃时为109.87MPa; 温度＝200℃时为 103.99MPa。
塑料类管材则不同, 使用温度的影响极大, 冷态下的承压能力不能用以判断在长期使用条件下的耐久性。其使用寿命主要取决于不同使用温度对管材的累积破坏作用, 概略地说, 温度每提高10℃, 使用寿命约缩短2.5倍, 热作用使环应力逐步下降即发生管材的“蠕变”, 以至不能满足使用压力而破坏。
显然，应按使用温度确定许用应力，据以计算所需壁厚。同时，不能沿用钢管以公称直径标记设计管径的方法，应以“外径×壁厚”标记，并且考虑壁厚的显著差异选择管径。
    塑料类管材在不同温度下的等应变蠕变特性曲线, 可见北京市标准《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》的附录。附录中各类塑料管的环应力等应变蠕变特性曲线, 来源于相关国际标准。从环应力特性曲线图可见，每一种塑料管材的许用应力，都会随时间的推移而下降，特别是随作用温度的升高而急剧下降。
4  塑料类管材的使用条件分级
    由于管材在其全部使用期内, 不可能始终是处在同一温度作用条件下, 必然存在不同温度的时间分布。例如: 供暖系统管材在非供暖期内的温度会近似于室温, 即使在供暖期内也会因进行质调节而受不同温度作用。因此, 上述各种塑料类管材对应于不同温度的等应变蠕变特性曲线，显然不能直接作为设计选用的依据，需要先按不同使用条件的温度作用频率，确定使用条件分级。
    按国际标准ISO/10508:1995推荐的方法, 对总设计使用周期为50年, 奥、德、法地区典型使用条件的不同管材, 统一划分的使用条件分级, 如下表:
  ━━━━━━━┯━━━━━━━┯━━━━━━━┯━━━━━━━┯━━━━━━
                │ 正常操作温度 │ 最大操作温度 │   异常温度   │ 典型应用范围
   使用条件等级 ├──┬──    ┼──┬────┼──┬────┼──────
                │ ℃ │时间 (Y)│ ℃ │时间 (Y)│ ℃ │时间 (h)│    (举例)   
  ━━━━━━━┿━━┷━━━━┿━━┷━━━━┿━━┷━━━━┿━━━━━━
   应力安全系数 │      1.5     │      1.3     │     1.0      │
  ━━━━━━━┿━━┯━━━━┿━━┯━━━━┿━━┯━━━━┿━━━━━━  
        1       │ 60 │   49   │ 80 │   1    │ 95 │  100   │供60℃热水   
  ───────┼──┼────┼──┼────┼──┼────┼──────
        2       │ 70 │   49   │ 80 │   1    │ 95 │  100   │供70℃热水
  ───────┼──┼────┼──┼────┼──┼────┼──────
        3       │ 30 │   20   │ 50 │  4.5   │ 95 │  100   │低温参数地
                   │  40  │    25    │      │          │      │           │板辐射供暖
  ───────┼──┼────┼──┼────┼──┼────┼──────
        4       │ 40 │   20   │ 70 │  2.5   │100 │  100   │地板辐射供暖
                │ 60 │   25   │    │        │    │        │
                │ 20 │    2.5 │    │        │    │        │
  ───────┼──┼────┼──┼────┼──┼────┼──────
        5       │ 60 │   25   │ 90 │  1     │100 │  100   │ 85 / 60℃
                │ 80 │   10   │    │        │    │        │散热器供暖
                │ 20 │   14   │    │        │    │        │
  ━━━━━━━┷━━┷━━━━┷━━┷━━━━┷━━┷━━━━┷━━━━━━
      根据上表各使用条件分级不同温度的综合热作用，可计算出各种塑料类管材确保50年使用寿命的许用应力，其数值也收集在北京市标准《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》的附录内。
当然，使用条件分级并不是硬性规定, 是按特定地区气候和典型使用条件计算所得的推荐性标准, 因此, 应按实际要求的使用寿命年限, 并根据使用情况,分析使用寿命年限内不同温度的频率，合理确定使用条件分级。
    例如: 对于北京地区一般低温热水地板辐射供暖工程, 如按上述标准的4级选用管材和确定管壁厚,即在共50年的总使用周期中, 运行温度20℃共历时2.5年, 40℃共历时20年, 60℃共历时25年, 70℃共历时2.5年, 100℃的意外运行条件不超过共100小时，显然是十分安全可靠的。
5  散热器供暖系统使用条件分级的合理确定
散热器供暖系统的运行水温高于地板辐射供暖, 分户热计量户内系统将管道埋设在地面垫层内时，由于缺乏适宜的标准，北京市《集中供暖住宅分户热计量设计技术规程》中, 只能提出对管材的性能指标要求和选择计算, 应按不低于 “使用条件分级”的5级。所谓5级是指: 在50年的总使用寿命周期内, 运行温度20℃共历时14年, 60℃共历时25年, 80℃共历时10年, 最高运行温度90℃共历时1年(平均每年仅约7天) ，100℃的意外运行条件不超过共100小时。这种使用条件级别, 反映了欧洲供暖期长和热媒温度低的特点，适合于热媒温度60—80℃、不高于90℃的运行工况。我国的具体条件与此有较大差异, 对于通常热媒设计供水温度95℃的系统显然并不适合。“使用条件分级”的5级，约只适合北京地区热媒设计温度85/60℃的系统。因此，认为只要采用塑料类管材就可万无一失的认识是盲目的, 在多种技术条件不能确保时，会留有许多隐患。
最近，北京市建筑设计研究院根据北京地区的气象资料，针对热媒设计供水温度95℃的系统，提出了“使用条件分级”5A级的一组数据, 较“使用条件分级”的5级，由于降低了各类塑料类管材的许用应力，在相同管径和压力下较需选用较大壁厚，按此计算，有些管材在较高压力的系统中，因无较大壁厚而不能采用。
由于采暖期的长短不同，各地区会有较大的差别，不同的地区应经深入计算论证，提出当地的设计选用数据。为确保安全，在认真进行强度验算的基础上，要留有适度裕量。
在确定当地设计选用数据时，还宜考虑以下有利和不利因素：
有利因素是，由于各种原因系统实际配置的散热面积，均不同程度地偏大于理论所需散热面积，因此实际运行水温，均可低于设计水温，例如：对于设计水温95/70℃的系统，当偏大10％时，运行水温约可为90/65℃，当偏大20％时，运行水温约可为85/60℃，当偏大30％时，运行水温约可为82.5/57.5℃, 当偏大40％时，运行水温约可为80/55℃。这是经理论推算和运行实践所证明的。
一般系统的散热面积置，均会偏大20％-30％。
不利因素是，目前的供暖期标准明显偏低，逐步延长供暖期，会是必然趋势，因此应考虑要能适应今后较长供暖期的热作用。
各种塑料类管材的比较   
可从以下几个方面进行各类管材的比较。
    (1)许用应力排序。在相同的使用条件分级和有效使用寿命条件下, 各类管材的许用应力, 大致为以下排列顺序: 交联铝塑复合管, 聚丁烯管, 交联聚乙烯管, 无规共聚聚丙烯管。
    (2)按市场价格的高低排列, 正好大体上也是上述顺序。并非一定要选用许用应力高的管材, 例如: 实际使用寿命不需50年、或使用温度较低、或工作压力较低, 就有可能选择许用设计应力较小的管材。
    (3)关键还是各类管材的有效质量控制。据塑料工业业内人士分析, 聚丁烯管和无规共聚聚丙烯管的质量, 主要通过原料的成份和品质控制。而交联聚乙烯管和交联铝塑复合管, 除原料成份和品质外, 其交联工艺对质量控制至关重要, 正是交联工艺这一重要环节, 使许多该类管材的质量失控。
    (4)聚丁烯管和无规共聚聚丙烯管, 是可以再生的材料, 对环保较为有利。这两种管材还可采用热熔接的连接工艺, 节省昂贵的连接配件。
(5)管材的氧渗透的问题, 也应有所考虑, 与其它采暖系统共用同一集中热源水系统、且其它供暖系统采用钢制散热器等易腐蚀构件时, 聚丁烯管、交联聚乙烯管和无规共聚聚丙烯管, 宜有阻氧层, 以有效防止渗入氧而加速对系统的氧化腐蚀。而交联铝塑复合管的中间层为增强铝管, 可有效阻隔氧的渗透。
    (6)管材的纵向线膨胀问题, 对于热管道应予以注意。钢管的线膨胀系数为0.012 mm/m·K，塑料类管材线膨胀系数的概略值, 按从小到大排列如下:
        交联铝塑复合管               0.025
        聚丁烯管                     0.130
        无规共聚聚丙烯管             0.180
        交联聚乙烯管                 0.200
    由于较大的纵向膨胀，使管道受热后变形严重，因此不适合于明装。而埋设于混凝土垫层内的管道纵向膨胀受限，会转化为内应力，故在强度计算时需有适量安全系数。
(7)耐低温性能问题，无规共聚聚丙烯管在﹣10℃环境条件下,会发生低温脆化，易在运输过程中损坏，而其它管材的脆化温度，可低达﹣70℃。
因此, 应根据工程的耐用年限要求、使用条件等级、热媒温度和工作压力、系统水质要求、材料供应条件、施工技术条件和投资费用等因素, 经综合比较合理选择采用管材。