塑料类管材及其在暖通工程中的正确应用.doc

刊于暖通空调2007年7期塑料类管材及其在暖通工程中的正确应用北京市建筑设计研究院 张锡虎 孙江红摘要 塑料类管材在暖通工程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。塑料类管材同钢管等金属管道的力学特性有较大区别。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 暖通工程 正确应用1 塑料类管材的应用和输送热介质的塑料管种类早于1999年12月, 建设部、国家经贸委、质量技监局和建材局, 就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。”上述通知所禁止使用、逐步限时禁止使用和推广应用的主要对象, 似局限于“城镇新建住宅”和“室内给水管道”。塑料类管材可用以输送多种介质, 因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, 在各类建筑中得到越来越广泛的应用。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。室内的冷水给水管、中水管，可以使用价位较低的承压硬质聚氯乙烯管（UPVC）、中密度聚乙烯管（MDPE）、均聚聚丙烯管（PP-H）、嵌段共聚聚丙烯管（PP-B）等管材。塑料类管材近年来在暖通空调工程中得到日益广泛的应用，主要是由于热水地面辐射供暖系统、顶棚或地面冷暖辐射系统、集中供暖计量供热或分户独立热源的住宅户内供暖系统等的需要。暖通空调工程中应用的管材，应适应输送不同温度热介质的需要。在众多建筑用塑料管中，仅有一部分管材适用于输送热介质，目前主要有：聚氯乙烯耐热管（PVC-C）； 交联聚乙烯管（PE-X）；非交联耐热聚乙烯管（PERT）；无规共聚聚丙烯管（PP-R）；聚丁烯管（PB）；铝塑复合管中的部分产品（PAP、XPAP或RPAP）。2 采用塑料类管材应进行强度验算任何管道（无论是金属管材还是塑料类管材）在内压（正压或负压）作用下, 管壁任意一点会产生三个方向的应力, 即: 轴向（沿长度方向正压时拉伸或负压时压缩）、径向（负压时收缩）和环向（正压时扩大）, 在三个方向的应力中，以环向应力为最大。根据工程计算根据最不利条件的原则，应按照环向应力进行耐压强度分析。环向应力的计算式如式（1）。 （1）上式中： 环向应力(MPa) D 管径 (mm)P 管内压力(MPa)E 管壁厚(mm)显然，管材的许用设计应力D应该不小于管道所承受的环向应力。即:D 。将式（1）变换为可以用以确定管壁厚度的形式, 可得式（2）。 （2） 从式（2）可知：管壁厚度与管材的许用设计应力的一次方成反比，与管材的工作压力和管径的一次方成正比。 长期以来，暖通空调工程中习惯使用钢管等金属管道。使用温度对钢管的许用设计应力影响不大。例如：10号钢的钢管许用设计应力, 在较大的温度幅度范围内变化不大，温度100为110.85MPa，温度150为109.87MPa，温度200为 103.99MPa。 如近似取许用设计应力D100MPa计算，直径200mm的钢管，在工作压力1.0MPa时，理论计算管壁厚度仅需1mm。钢管的使用寿命主要取决于腐蚀速度，因此要考虑焊缝因素和腐蚀裕量, 管壁厚度计算应按照式（3）。 (3)上式中： 焊缝系数，1C 腐蚀裕量，应为年腐蚀量与预期使用年限的乘积暖通空调系统的工作压力一般很少超过1.0MPa，可见焊接钢管的管壁厚度，主要不是满足承受应力、而是满足腐蚀因素的需要。因此，在一般情况下，使用钢管无需进行许用设计应力的强度验算。塑料类管道不需考虑焊缝因素和腐蚀裕量, 故仍可按照式(2)计算管壁厚度。但是，式（1）、(2)、（3）中的管径D，对于钢管是指内径，而对于塑料管是指外径减去一个壁厚的中径，式（2）应改变为式（4）的形式。 （4）塑料类管材同钢管等金属管道力学特性的主要区别，是使用温度对许用设计应力的影响极大, 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。因此，采暖通风与空气调节设计规范第3.4.11条(强制性条文)规定：“地板辐射采暖加热管的材质和壁厚，应按工程要求的使用寿命、累计使用时间以及系统的运行水温、工作压力等条件确定。”这虽然是针对地板辐射采暖加热管，但是，也应扩大理解为对暖通空调工程中采用塑料管选择计算的基本要求。3 塑料管的选择计算（确定S系列或壁厚e）塑料类管道强度计算，也常用式（4）变通形式的式（5）。 （5）上述等式中的第一项, 是管材许用设计应力与管材应用系统工作压力的比值, 第二项内集中了只与管道尺寸有关的参数。如果令上述两项参数的值为 S ,那么, S 就是是塑料类管材的尺寸系列（S系列）,就可以在许用设计应力和系统工作压力既定的条件下,便捷地直接计算和确定应该选用的S系列,并得知不同管道外径所需要的对应壁厚。塑料类管道划分为2，2.5, 3.2, 4.0, 5.0, 6.3, 8.0和10共8个系列。每一种材质的塑料管，实际上只生产中间的几个系列产品，S2和S10系列一般不生产。表1为常用范围尺寸系列的管壁厚度。表1 塑料管常用范围的尺寸系列公称外径De（mm）公称壁厚en（mm）S8S6.3S5S4S3.2S2.5161.31.31.51.82.22.7201.31.51.92.32.83.4251.51.92.32.83.54.2321.92.42.93.64.45.44 塑料管的许用设计应力塑料类管道强度计算的首要因素是正确确定许用设计应力。根据许用设计应力，就可以按照式（5）计算确定相应工作压力条件下的S系列或壁厚e。图1是PB管的环应力等应变蠕变特性曲线图。纵座标是环应力，横座标是使用时间（h），若干条曲线表示从20110不同温度作用条件下，每一温度环应力的变化。图1 PB管的环应力等应变蠕变特性曲线图从图1可见：PB管的许用设计应力，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，曲线的断点即为管材的失效时间。其他塑料类管道的特性规律也与此相类似。如果要近似表达钢管的环应力特性曲线，那就沿纵座标100MPa的一条平行于横座标的直线。由于塑料类管道在其全部使用期内, 必然存在不同温度的时间分布，不可能始终处在同一温度作用条件下。例如: 供暖系统管道的温度，在非供暖期内会近似于室温, 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, 图1中PB管对应于不同温度的等应变蠕变特性曲线，显然不能直接作为确定许用设计应力的依据，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。 按照国际标准ISO/10508:1995推荐的方法, 对总设计使用周期为50年, 根据奥、德、法地区典型使用条件, 统一划分的使用条件分级, 如表2 1。表2 欧洲对热塑性塑料管的使用条件分级使用条件等级设计温度最高设计温度 故障温度典型应用范围(举例)时间 (Y)时间 (Y)时间 (h)应力安全系数1.51.31.01604980195100供60热水2704980195100供70热水440602020252.5702.5100100地面辐射供暖560802025101490110010085/60散热器供暖使用条件分级体现了“综合热作用”（即“设计温度”和“最高设计温度”作用周期的总和）的概念。表1的数值可以看出，欧洲这些地区典型使用条件的特点是采暖期很长、热媒温度较低。例如5级，总设计使用周期的50年中，只有14年（即28、平均每年3.4个月）是非采暖期。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，应该合理地加以引用。当然，最好能够根据当地的采暖周期特点、使用寿命年限内不同温度的作用频率，逐步编制出各地区自己的使用条件分级标准。北京地区热水地面辐射供暖工程, 可以按表1中的4级选用管材和确定壁厚,即在总寿命周期中, 热作用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, 各种不同温度热作用周期的总和是50年，还允许100意外运行条件下的故障温度不超过共100小时。北京地区的散热器供暖系统，可以按表1中的使用条件等级5级，即在总寿命周期中，60热作用25年，80热作用10年，20热作用14年，90热作用1年，各种不同温度热作用周期的总和也是50年，而且，也允许100的故障温度热作用不超过共100小时。显然，这是十分安全可靠的根据各使用条件分级不同温度的综合热作用，按照ISO13760推荐的 Miner,s规则，计算出各种塑料类管材满足总设计使用周期为50年的设计许用应力，如表3 2。表2的数值，说明了综合热作用越大，设计许用应力越小，应该采用较大的壁厚。表3 各种塑料类管材的设计许用应力使用条件分级124520/50年PB管5.735.045.464.3110.92PE-X管3.853.544.003.247.60PP-R管3.092.133.301.906.93PE-RT管3.062.153.342.027.365 关于最小管壁厚度北京市标准低温热水地板辐射供暖应用技术规程（DBJ/T01-49-2000）的 附录H3有如下提示：“考虑到管材生产和施工过程可能产生的缺陷，各类管材的壁厚均不宜1.7mm。” 北京市试用图新建集中供暖住宅分户热计量设计和施工试用图集4的C1718有如下提示：“考虑到管材生产和施工过程可能产生的缺陷，采用壁厚均不宜小于2.0mm。” 国家行业标准地面辐射供暖技术规程（JGJ 142 2004）的附录B.1.45有如下提示：“考虑施工及使用中的一些不利因素，为安全起见，塑料管材壁厚应适当加厚，可参照德国标准DIN4726关于热水地面供暖用塑料管材的基本要求：对于管径15mm的管材壁厚不应小于2.0mm，对于管径15mm的管材壁厚不应小于1.8mm；需进行热熔焊接的管材，其壁厚不得小于1.9mm。”JGJ1422004中的“管径”寓意不够清晰，是指塑料管一般使用的公称外径De ，还是指相应钢管的公称直径DN？如为公称外径De，那么，在热水地面辐射供暖或散热器供暖系统中，一般不会使用De15mm的管材。因此，是否应该理解为所有管材的壁厚均不应小于2.0mm？上引各有关规定，都只是出现在标准中的“附录”或“试用图”中，虽然不具备强制性。但由于塑料类管道的问世历史较短，生产和施工过程又很难避免可能产生的缺陷，为安全起见，根据具体工程应用条件，作适当的最小壁厚控制，是有必要的。6 塑料类管材的设计选用程序综上所述，采用塑料类管材的设计选用程序，大致可以归纳如下：1）根据建设单位的意向初选管材；2）根据系统情况，确定“使用条件分级”；3）得到所选管材的“设计许用应力”；4）根据所在部位的工作压力和设计许用应力，计算确定管材的 S系列或最小壁厚；5）根据工程条件对最小壁厚的限制，对管材的S系列进行调整；6）当计算壁厚过大时，考虑是否需要改选其他管材。7 关于铝塑复合管铝塑复合管的定义是：以焊接（搭接焊或对接焊）铝管为中间层，内外层均为塑料，通过挤出成型复合成一体的管材。铝塑复合管是由塑料和铝材两种杨氏模量相差很大的材料组成的多层管，在承受内压时，厚度方向的管环应力分布是不等值的，无法考虑各种使用温度的累积作用，而且，每一种管径只有一个壁厚，因此不能用S值来选用管材或确定管材的壁厚。早期最典型的铝塑复合管，采用中、高密度聚乙烯塑料的，称为铝塑复合管（PAP），采用交联中、高密度聚乙烯塑料的，可以用于输送热介质，称为交联铝塑复合管（XPAP）。近年以来，铝塑复合管的种类日益繁多，到目前为止，搭接焊式6的大致有：PAP聚乙烯或无规共聚聚丙烯/铝/聚乙烯或无规共聚聚丙烯（铝塑复合管）；XPAP交联聚乙烯/铝合金/交联聚乙烯（交联铝塑复合管）。对接焊式7的有：PAP1聚乙烯/铝/交联聚乙烯（一型铝塑管）；XPAP2交联聚乙烯/铝/交联聚乙烯（二型铝塑管）；PAP3聚乙烯/铝/聚乙烯（三型铝塑管）；PAP4聚乙烯/铝/聚乙烯（四型铝塑管）；RPAP5耐热聚乙烯/铝/耐热聚乙烯（五型铝塑管）。现在，对铝塑复合管的选用，大致有两种方法：1）根据生产厂提供的“长期工作温度”和“允许工作压力”,直接选择不同类别的铝塑管以及不同管径的单一壁厚；2）近似根据相应单一塑料材料的许用应力, 仍用S值来来确定壁厚,并与不同管径铝塑复合管的单一壁厚作比较, 以确定是否可以满足。尽管各种铝塑复合管均称“长期工作温度”可以达到60或以上，但是，由于“长期工作温度”这个概念比较模糊，笔者认为，仍然只有采用交联聚乙烯（PE-X）塑料、无规共聚聚丙烯（PP-R）塑料和非交联耐热聚乙烯塑料（PERT）的铝塑复合管，才可以用于输送热介质，而且以第二种方法（即根据相应单一塑料材料的许用应力）为稳妥。8 各种塑料管的比较可从以下几个方面进行各类管材的比较。1) 按照设计许用应力排序。在相同的使用条件分级和有效使用寿命条件下, 各类管材的许用设计应力, 大致为以下排列顺序（如表3 ）: 聚丁烯管, 交联聚乙烯管, 无规共聚聚丙烯管、非交联耐热聚乙烯管。铝塑复合管没有设计许用应力数值，如果按照交联铝塑复合管（XPAP）“长期工作温度82”的“允许工作压力0.86MPa”推算，公称外径20mm的许用设计应力为4.30MPa，公称外径25 mm为4.30MPa，公称外径32mm为4.58MPa，大体与聚丁烯管相近。2）按市场价格的高低排列, 大体上也是上述顺序。也就是说，设计许用应力较低的管材具有价格方面的优势。工程应用中，并非一定要选用设计许用应力高的管材。例如: 散热器供暖系统的热源为户式燃气热水炉时，工作压力不会超过0.3MPa，如果采用聚丁烯管，S =D/ P = 4.31/0.3 = 14.37，按照强度计算可以采用S8系列; 如果采用无规共聚聚丙烯管，S =D/ P = 1.90/0.3 = 6.33，按照强度计算可以采用S6.3系列。但根据最小壁厚要求，都宜优于S5系列。价格较高的聚丁烯管就显得“大材小用”了。3）有效质量控制。据塑料工业业内人士分析, 聚丁烯管、无规共聚聚丙烯管、非交联耐热聚乙烯管的质量, 主要通过原料的成份和品质可以实现较可靠的质量控制。 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、无规共聚聚丙烯、非交联耐热聚乙烯的施工剩余材料，可以再生利用, 对环保有利。 这几种管材还可采用热熔接的连接工艺, 不但可以节省昂贵的连接配件，而且可以在特定条件下使用。例如,北京市新建集中供暖住宅分户热计量设计技术规程6.4.4条8规定：住宅户内供暖系统垫层内埋设的管道,“除采用下分双管式系统连接散热器处的PB管和PP-R管可采用相同材质的专用连接件进行热熔接外, 其它管材和所有管材在其它部位均不应设置连接配件。”5) 氧渗透问题。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、无规共聚聚丙烯管和非交联耐热聚乙烯管, 宜有阻氧层, 以有效防止渗入氧而加速对系统和散热器的氧化腐蚀。铝塑复合管的中间层为增强铝管, 可有效阻隔氧的渗透。6) 纵向线膨胀问题。钢管的线膨胀系数为0.012 mm/mK，交联铝塑复合管约为0.025，其他塑料管材约为0.1300.200。由于塑料管材有较大的纵向膨胀，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，会转化为内应力的膨胀力，是线膨胀系数、管材弹性模量和管道截面积的乘积。塑料类管材受热后虽有较大的伸长量，但弹性模量远小于钢管（钢管的弹性模量为20.6103kN