塑料管材使用寿命的推导.doc

低温热水地板辐射采暖用塑料管材探讨(三探)塑料管材使用寿命的推导北京瑞迪新型建筑材料有限公司 谢宇张欣于东明热水系统中，影响塑料管材使用寿命的因素很多，但归纳起来不外乎是下述二个方面。一方面是 由塑料管材的材料所决定的，特别是其老化性能，已老化了的塑料管材就完全失去了使用价值，也就 是其使用寿命的终点。另一方面取决于塑料管材的使用条件。塑料管材的力学性能和耐热性能大大 低于金属管材，但使用得当，塑料管材的使用寿命会很长。第一条真正工业化制造的PVC管道诞生 于1938年的联邦德国，至今已60余年。第一条工业化制造的PE管道诞生于1956年的联邦德国， 至今也有40余年，并且实验室的蠕变性能试验仍在进行中。塑料管材的使用寿命究竟能有多长?在 二十世纪的九十年代初以前，所有介绍和报导均称设计寿命为50年。二十世纪末，设计寿命为100 年的塑料管材业已问世。50年也好，100年也好，靠实验去验证是不现实的，PVC管材诞生的初期，人们只是主观推测其可 用几十年，到了今天，人们可根据大量的实验数据，对塑料管材的使用寿命进行客观的推导，并且主要 从塑料管材的蠕变行为和抗热氧老化性能二个方面进行推导。本文将着重讨论用塑料管材抗热氧老 化性能，进行使用寿命的推导。塑料与金属等传统材料相比，属热敏性材料。在比室温稍高的条件下，为数不少的塑料开始不同 程度的热氧化；在较高的掘度下，即使无氧和水等活性物质的作用，也会发生热裂解；热氧化和热裂解 的总称为塑料的热老化。有氧和无氧的热老化，又是两种不同的过程。无氧热老化常发生在塑料制 品成型加工过程，而有氧热老化是塑料制品在使用热环境中的重要老化形式。在一定的温度条件下， 氧会剧烈的攻击塑料中的弱键，从而引起塑料的严重热氧老化，如聚乙烯在无氧条件下，即使是其温 度达到29012，也是很稳定的。但在有氧的条件下即使是温度低于200，也会发生严重的热氧老 化。因此热氧老化是一种更为普遍的老化形式。热水系统用塑料管材在使用时，主要介质是水。目前用于热水系统的塑料管材大分子中不含容 易被水解的化学基因，吸水性极小，对水特别稳定。但是塑料管材中添加的微量助荆，如抗氧剂，光稳 定性剂及金属离子钝化荆等，会授水所抽提，降低了其在塑料中的浓度，也会对塑料管材的使用寿命 产生严重影响。对聚烯烃类(PE、PP、PB、H、x)塑料管材，使用寿命的推导，英国标准测定其200时的氧化诱导 期，若大于或等于014小时(84分)，可据此导其在80时使用寿命50年。在ISODISl58741999 (PP管)，ISODISl58751999PEX管，ISODISl58761999(PB臂)和D1N4721(PERT管)中，均规 定对塑料管材必须通过110(内水外空气)8760h(一年)的测试，可据此推导其在70时，使用寿 命50年，表1为各种塑料管材抗热氧老化试验条件。裹1昔材温度 舟质持续时问 环应力 标准备注PEX110 内水外空气 8760h 25mISODISl5875-2：21999 交联聚乙烯PBi110 内水外空气 S7h 24慨ISODISl58762：21999秉丁烯PERT110 内水外空气 8760h 1 9MPa DIN472l一2000 耐高掘非交联聚乙烯一85昔材 温度 介质 持续时间 环应力 标准 备注PPR110 内水卦空气 8760h 1 9慨IS0，DISl58742：21999 乙烯，丙烯无规共囊物PPH110 内水外空气 8760h 1 9慨ISODISl5874 w2 2 1999 均聚聚丙烯PPB110 内水外空气 8760h 14慨ISCVDISl58742：21999依稀丙烯嵌段共橐物对比这两种试验方法可以看出，前者缺少介质水和环应力的因素影响，距实际应用的条件相距甚 远，而后者更接近于实际应用的条件，实践也验证了这一分析。如某种塑料管材200下测得其氧化 诱导期大于O5小时，推导其在80下使用寿命可达数百年，按后一种试验方法测得持续时间为028，推导其在70下使用寿命仅14年，相差扳为悬殊，显然后者可信度更高，这也就是前者很少被采用的主要原因。180DIS9080是一个外推法的标准，它可以用较高温度较短时间的试验结果，向较低温度较长对 间外推，当工作温度增加一个10时，塑料管材的工作寿命按2 53的系数减少，反之当工作温度每 降低一个IOC时，工作寿命按253的系数增加，这个253的系数教称为外推因子ke，对于聚烯 烃类管材而言，kg与温差Zxt的关系列于表2。表2It lO 152025 303540IooIke25 4 6 1218 30 50 100铡如：某种塑料管材在110下通过了8760小时(一年)的试验，可以推导其在110以下不同温 度时的工作寿命，100(2时，对应11012，t=1012，ke=25推导工作寿命为25年；8512时，对应110(2 t=25t2。ke=12推导其工作寿命为12年，同理70时工作寿命50年。 如果某种聚烯烃管材在110试验时失效时间不是8760h，而是02年、03,04年等，也可按IS。DIS9080给出的外推因子进行外推，如表3。表3测试温度()110 1009080706050O，2 0，512361015 2003 075 18 54 15 225 30 失 04 1 24 72 20 30 40 效 05 125 3 9 25 375 50时06 153610-8304560间07 17542 126 35 525(一年) O8248144 4060O9225 54162 45 675125618 50利用ke也可以进行反推，即若需要某种聚烯烃塑料管材在80CT：作30年，反推其在HOCT的试验持续时问1l埘zNt=301；ke=18，测试验持续时间1460卟(167年)。能否进行110抗热氧老化试验，取决于该簧材的维卡软化温度标准中规定只有某种塑料管材的维卡软化温度比110C高出15时，方可进行这一试验。有些塑料管材的维卡软化温度过低，无法 进行110*C的试验，但仍可以利用高温下短时间的试验结果进行低温下长期工作寿命的推导。ke与一86材料有关，材料不同ke也有变化。如cPVC(氯化聚氯乙烯)管材，t=25ke=50，CPVC管 件，t=2012ke=25，因此若CPVC管材通过了951年的试验，CPVC管件通过了902年的 试验，70下推导寿命也可达50年。表3的失效时间均为塑料管材连续工作状态下的推导寿命，在热水地暖系统中，塑料管材的工作 状态为间歇工作，热水地礁的设计寿命50年实际工作寿命不足50年的。表4为IsoDISl0508(冷 热水系统用热塑性塑料管材和管件使用条件分级，其中的4级即为热水地暖的使用条件。丧4 ISOD_fSl0508使用条件分级ToTmaxnn应用举例级别 时间(年) 时问(年) 时间(h)1604980l95 loo 供热水(60)370 49 80 l95 100 供热水(70)30203 504565 100 地板下的低温热水402540 204 7025100 100 地板下的供热和低温暖气60 2560 255 901100 100 高温暖气80 10注：1 To：工作温度，Tmax可被允许的最高温度，TIn故障温度。2表4中的3,4、5级累计时间并未达到50年，计算时应用20的工作时问补足至50年。 表4是根据北欧的统计其结果制定的，其中4级在50年内有45年是在40-60下工作的，占总工作时数的90。我国的情况与此相差甚远，即使是东北地区，年采暖期也仅5个月左右，在50年内 仅40的时间是在4060工作的，也就是说累计时间只有20年左右在40-60下运行的。因此 在我国大多数地区的热水低暖若采用表4中的4级，其安全系数是银高辨的。如果用ke将表4中4 级的各温度全部折算为6012下工柞时间，结果如下(按IS0D1810508规定Tm不计算在内)。20C 十60zXt=40Ke=50 25年005年40 6012At=20Ke=6 20年 33年60一60At=0Ke=1 25年一25年70C 60V At=lOKe=25 25年十625年 合计34，6年 这一计算结果表明，若某种塑料管材能在60下连续工作346年。则在ISODISl0508中的4级的条件下使用寿命可达到50年。对照表3可以看出，某种塑料管材在IIOC下通过了05年(4380h) 的测试，推导其在6012下连续工作寿命可达375年，用于热水地暖系统其工作寿命可达54年。半年也好一年也好，这是我们目前用以推