低温热水地面辐射供暖用塑料管材的探讨

1、    低温热水地面辐射供暖用塑料管材的探讨     二十世纪七十年代以后，低温热水地面辐射供暖(下称热水地暖)在欧美得到迅速普及，得益于塑料管材在热水地暖系统中的成功应用。这里值得一书的是PEX管。据统计：欧洲热水系统用塑料管材2000年的消费量如表一。表一  2000年欧洲热水系统用管材品  种PEX管PERT管PP-R管PB管C-PVC管总量总量(万吨)2.81.60.50.40.045.34占有率(%)52.4309.47.50.7100注：1.PEX管：交联高密度聚乙烯管；2.PERT

2、管：耐高温增强聚乙烯管；3.PP-R管：乙烯/丙烯无规共聚物管；4.PB管：聚丁烯管；5.C-PVC管：氯化聚氯乙烯管；塑料热水管道市场，群雄纷争，PEX管能主导市场近30年稳居霸主地位，这在合成材料飞速发展的今天是十分罕见的。如PB管，这是最早用于热水系统的一种塑料管。近30年来，其市场占有率如终徘徊在11%以下。曾被寄予很大希望的PP管，折腾了近30年，由第一代的PP-H管(均聚聚烯丙烯管)到第二代的PP-B管(乙烯/丙烯嵌段共聚物管)到今天的PP-R管，(乙烯/丙烯无规共聚物管，也被称为第三代聚丙烯管三型聚丙烯管)，其应用范围仍限于生活冷热水系统，很难涉足于室内热水地暖系统。曾被十分看好

3、的M/P管(铝塑复合管)，近年其市场占有率也出现下降趋势。PEX管是如何能独占鳌头，并经久不衰呢？这其中安全性和经济性是两大关键因素。本文将着重讨论管道的安全性。热水地暖系统中，管道的安全性，它主要指管道的耐热性，承压能力，抗应力开裂性，抗蠕变能力，耐老化性能及连接的可靠性等。(一)            耐热性及承压能力：将这两个问题一并讨论，更接近于工程应用环境，实际上在热水地暖系统中，人们的着眼点是该塑料管材的热强度，热强度的塑料管材可以在较高的温度下承受较大的管内压。这些数据可

4、由各种塑料管材的相关标准中查到。表二列出了常用于热水系统的几种塑料管材的规定。表二：各种塑料管材的热强度管材PEX管PERT管PB管PP-R管PP-H管PP-B管试验温度110110110110110110试验时间8760h8760h8760h8760h8760h8760h环应力2.5MPa1.9 MPa2.4 MPa1.9 MPa1.9 MPa1.4 Mpa标准ISO/DIS15875DIN4721ISO/DIS15876ISO/DIS15874ISO/DIS15874ISO/DIS15874从表二可以看出PEX管的环应力最高。在环应力为2.5Mpa，110条件下，测试一年(8760h)管件

5、不破坏，PB管仅次于PES管，最差的为PP-B管。将表二的环应力换算成试验系统压力可采用下式进行计算：P=2e  DeP：试验压力(Mpa)：环应力(Mpa)e：管壁厚(MM)D：管外径(MM)假设管外径为16MM，壁厚为2MM，各种塑料管材在110下试验系统压力计算结果如表三：表三  各种塑料管材110下试验压力管材PEX管PB管PERT管PP-R管PP-H管PP-B管试验温度110110110110110110试验时间8760h8760h8760h8760h8760h8760h试验环应力2.5MPa2.4 MPa1.9 MPa1.9 MPa1.9 MPa1.4 Mpa试

6、验内压力0.71 MPa0.68 MPa0.54 MPa0.54 MPa0.54 MPa0.4 MPa热水地暖的运行条件远低于110。按ISO/DIS10508中使用条件分级中的4级，热水地暖用条件如表四：使用条件分级ISO/DIS10508正常工作条件最高工作条件故障条件应用范围温度时间温度时间温度时间42040602.5年20年25年702.5年100100h热水地暖按表四规定，热水地暖中管材的许用应力如表五表五  热水地暖系统中塑料管材许用应力管材PEX管PB管PP-R管PP-H管PP-B管许用应力4.0MPa5.46MPa3.3 MPa3.2 MPa1.95 MPa需要说明的

7、是按表二、表三PB管的环应力低于PEX管，按表五PB管的环应力(许用应力)又高于PEX管，这是由于PB管的抗应力开裂性、抗蠕变能力比PEX管差，温度超高，越为严重的缘故，后文将详述。(二)抗应力开裂性及抗蠕变能力：这里所讨论的塑料管材的应力开裂性，主要指塑料管在应力的作用下所发生的龟裂，而导致塑料管材的破坏。这种破坏一般不会被很快发现，而是经过较长时间塑料管材发生了蠕变后才可暴露出来。蠕变有时被称为“冷流”，是指材料受力不变，材料的应变随时间的增长而逐渐增大的现象，其数学表达式为：=f(t)式中-应变   -应力   f(t)加载时间的函数这一表达说明对

8、任何载荷任何材料只是时间(t)的函数，在较低的温度下，金属管材的蠕变是与时间无关的，但当升高了温度后，金属管的蠕变就与时间有关了，这是由于它处于塑料状态的缘故，对塑料管而言，它在常温下其局部即呈塑性状态，并且因其弹性模量低，分子结构比较松散，其蠕变对温度和时间有着强烈的依赖性。1.所有曲线相对于横座标时间(t)存在一个斜率，这个斜率告诉我们，当应变不变(等应变)时，随着时间的增长，管壁能够承受的应力是逐渐下降的，也就是说，当管壁承受的应力()不变时，应变()随时间(t)的增长而逐渐加大，符号=f(t)的定义。斜率的大小，与材料的蠕变行为对时间的依赖性有关，斜率越大，说明该材料的蠕变性对时间的依

9、赖性越大，反之就小。比较典型的是PEX管、DOWLeX2344E管和PB管(曲线拐点的左侧)，这三种管材的曲线的斜率较小，因此可以说他们抗蠕变的能力是较好的。相比之下，PP-R、PP-B、PP-H和C-PVC的曲线斜率较大，抗蠕变的能力较弱。2.同一种材料，不同温度下的蠕变曲线是平行的，温度越高，其在纵座标上的交点就越低，这就是塑料热强度对温度最敏感的一个很好的说明。平行线的间距对同种材料当温差相同时，间距越大，说明该材料强度受温度的影响越大，反之就小。如PB管80-95(温差t=15) =2Mpa(略大)，而在95-110时，(t=15)2.5Mpa，而PEX管80-95时，=1Mpa，95

10、-110时=1.5Mpa(略大)。对不同材料，当温度相同时，曲线在从座标上的交点越高，说明材料的强度越高，反之就低。在这七组曲线中50以下，PB管、PP-R管、PP-H管、C-PVC管短时间持续强度都比PEX管高，而50以上它们多数都低于PEX管，持续时间越长，PEX管是优势越大，仅次于DOWLeX2344E管。3.PB管、PP-R管、PP-H管的蠕变曲线上均带有一个拐点A。拐点A左侧，曲线的斜率小于拐点右侧。这个拐点A被称为物理拐点。还应有一个拐点B，被称为化学拐点，管材在B点以后发生了化学变化(老化)，完全失去了使用价值。塑料管材在一定应力作用下，经过一定时间后，管材会由于变形逐渐加大，而

11、导致破坏，在I阶段管材破裂时先被拉伸后破裂，这是典型的韧性破坏，其原因是超负荷所致，管材所处环境温度和所输送介质的压力都有可能超负荷，如果不超负荷，则意味着管材可以历经很长时间不会被破坏。无疑管材运行在此阶段是最为安全的。在拐点A及以后，管材的破坏纯粹是脆性破裂，其原因也就是拐点A产生的原因，管材表面受到划伤，管壁厚的突然变化(如焊接口处)，管材因蠕变造成颈缩，管材表面受到硬锐物的作用，管壁上产生的微小银纹等均会造成应力集中，而导致应力开裂，开裂的缓慢增加开裂的快速传递等，因此曲线在此阶段其斜率急剧变大，管材在此阶段运行，存在着很大风险。在拐点B及以后的III阶段，管材已因老化而失去使用价值。

12、B点也就是管材寿命的终点。在这几种塑料管材中，抵抗应力破坏抗应力开裂性最差的当属PB管，20时拐点A出现在11.4年左右，60时拐点A出现在1年左右，70时拐点A出现在5000h左右，而PEX管DOWLeX2344E管的蠕变曲线上并未出现拐点，这说明它们抗应力开裂性很强，长期运用也是很安全的，这无疑也是PEX管主导热水地暖市场近30年的主要原因。DOWLeX2344E管经过近20年的研发，投放市场仅数年，其市场占有率大大高于PP-R、PB、PP-H和PP-B管，而仅次于PEX管，更主要的还在于其热强度、抗应力开裂性、抗蠕变能力均不低于PEX管，完全是热塑性的，不仅废料可以加收利用，管材也可很容

13、易的进行焊接连接，又是PEX管所不可以比拟的。据预测，数年后DOWLeX2344E管很可能后来居上，接近或超越PEX管。三、耐老化性能：通常在人们的印象中，塑料在耐老化性能是不好的。但是现代技术已经很好的解决了这一问题，成功的做法绝大多数塑料暴露使用寿命可达20年以上，埋地使用寿命可达50年以上，热水地暖中塑料管材的设计寿命也是50年，在有经验的专业人员手下这是比较容易实现的。可以造成塑料老化的原因很多，如热、氧、光、生物、电、金属离子等，但是用于热水地暖的管材耐老化性能主要应考虑热氧金属离子和水的影响，在制造、搬运和储存过程中也应考虑光的影响，对PB管还应防划伤，不仅在配方设计上要严格选择助

14、剂品种，添加量应足够，在加工时还应严格要求分散均匀性。做到了这几点，热水地暖中使用，其推导寿命可达50年以上。如何判断塑料管材推导使用能否达到50年，目前有许多方法，如天候试验，人工老化试验，热老化试验，臭氧老化试验，BS4791规定用测定材料的氧化诱导期用以进行塑料耐老化寿命的推导，国际标准和先进标准都规定了，用于热水系统的P0(聚烯烃)管材，必须进行110热稳定性的测试，用高温短时试验所获得的数据进行低温长时间工作寿命的推导，P0管材(包括PEX管、PB管、PP-R管、PERT管、PP-B管、PP-H管)的测试条件如表二。需要补充说明的是试验环境规定管内为水，管外为空气，这更接近工程应用的

15、环境条件。假若管内外都是水，或者管内外都是空气，测试结果将会产生很大差别的。空气中氧的浓度要大大高于水中氧的浓度，水会抽提管材配方中所添加的助剂，降低其在管材中的浓度，但空气却不会发生对助剂的抽提作用，这些矛盾在短期都很难解决了，也还不及内水外空气更具实际意义。国标标准和许多先进标准所规定的1108760h试验，若通过了，可以借以推导其在70下连续使用寿命50年。这里引入了一个叫做外推因子的ke,ke与温差T的关系，一般来讲，每一个10的温差ke=2.5-3，归纳入表六：表六   ke与T的关系T10152030354060ke2.5412183050100如果某种PO管材

16、在110下通过了8760小时的测试，则可根据表六推导出其在90(t=110-95=15)下通过4年的测试(ke=4)，在70下(t=40)可通过50年(8760×5=43.8万h)的测试(ke=50)。如果110下未通过8760h(一年)的测试，而是3000h、5000h、7000h，或者使用条件不是95、70，而是60、50，均可采用表六提供的ke进行推导，为方便计算，也可根据图十所提供的曲线查阅，可某种管材在110时下只通过了5000h的测试，根据图十可查得其在70下可通过250000h(28.5年)测试，在60下可通过700000(80年)测试(图十中的线)：上述推导结果均为连

17、续运行寿命，而热水地暖为间歇运行。表四系统按欧洲统计结果制订的，可以看出在设计寿命50年内有45年(90%)的时间，热水地暖是在40-60下运行的，按我国的实际采暖期仅4-5个月，也就是说只有33-42%的时间是在供暖，因此在我国采用IS0/DIS 10508中的4级，其安全系数是很高的。就按IS0。DIS 10508中4级计算，计算50寿命年的热水地暖把不同温度段换算成60的连续运行时间，仅为34.6年(303096小时)，从图十上可以查到110通过2200h的测试，即可达到IS0/DIS 1050肿4级设计寿命50年的要求。前述塑料管的设计寿命达到 50年，在有经验的专业技术人员手下是很容

18、易实现的。但是并不意味着所有塑料管材制造商都能达到，特别是采用国内技术制造的PEXb管至今也未看到其110的试验数据，倒是工程失效例屡见不鲜，虽然本文从不同的侧面论证了PEX管的优异性能，但应该声明，不包括国内技术制造的PEXb管。四、连接技术在工程上，仅仅谈论塑料管材是不具有实际意义是的，塑料管材最终必须连接成管道使用，因此连接技术在热水地暖系统中也是保证管道能否长期安全运行的一个重要方面。不同的连接方法，适用于不同的管道的连接。1.热工具承插焊接如图十一，适用于热塑性塑料管道的连接如PB管道、PP-R管道、PP-B管道。这种连接方法密封性能十分可靠，但对管材及连接件的要求是壁厚不低于2MM

19、，并且因焊接操作受人为影响很大，成功率比较低，2000年某地统计PP-R管采用热工具承插焊接的焊口处渗漏率达22%，因此采用此法时，必须选择具有丰富经验的焊接工进行连接施工，所用焊接工具也必须选用温度和时间能够自动控制的，焊头表面还必须涂复有防粘层，鉴于我国实际情况，焊接工具的电源也应配备稳压电源，否则是很难保证焊接质量的，需要说明的是，焊口处管道的壁厚发生了实变，突变处容易产生应力集中，也是造成应力开裂的一个隐患，特别是对讥应力开裂性很差的PB管，这种可能是不应被忽视的。2.电阻丝热熔焊接如图十二，适用于绝大多数热塑性塑料管道的连接，密封性也是十分可靠的，并且不易受人为因素的影响，但价格较高

20、，也容易造成应力集中。早期多用于大口径管道的连接，近年也被用于热水地暖小口径管道(如16MM)连接。PEX管属于半热固性塑料管，传统理论认为是不能采用热熔焊接的。但1993年德国GVDW授权芬兰GASTEC机构检验电熔法连接PEX管的适用性。1997年GASTEC发布了肯定的结果。从此电熔连接法被普遍视为适合PEXa管的连接方法，而对PEXb管还需进一步实验才能得出合理的理论。3.机械锁紧式连接，如图十三，适用于PEX管，PB管和DOWLeX2344管。而PP-R管、PP-H管和PP-B管的讥蠕变能力太差(从蠕变曲线上可以看出，这三种管材的蠕变曲线斜率太大)，此法并不适用。目前国内市场上出现了

21、一种叫做插接式连接法，也有人称其为卡环式连接法，如图十四，并肯多用于PB管连接。笔者在北京某工程工地上目赌过这种连接方法，并进行了分析，该工程使用了16×1.6MMPB管，实测壁厚为1.7MM，卡环上带有16只倒刺，连接时这些倒刺刺入管壁，刺入深度为0.4-0.6MM。相当于管壁厚度的23.5-35%，16只倒刺的刺痕长度2×16=32MM，相当于16管外径园周围长度50.24(16)MM的63.6%，PB管就怕表面被划伤，因此认为，对该工程能否安全长期运行并非杞人忧天。但是无论何种连接方法，国际标准和一些先进标准均规定了必须进行冷热循环实验和高低压力实验，只是通过了这些试

22、验，才被认为管道是可以长期安全运行的。表八   管道连接好后，至可用冷水压，至少需要等候的时间(最大试验压力为1.5MPa)管材连接方法至少等候时间(h)PVC-U粘接15HGPE焊接1HDPE机械连接0PEX机械连接0PB焊接1PB机械连接0PP焊接1A柔性管材耐热水循环试验B刚柔性管材耐热水循环试验C压力循环试验水温23±2下，压力0.1±0.05Mpa/1.5±0.05Mpa，循环频率30次/分种，累计10000次，管材、管件或连接件不应渗漏。目前国内只有极少数制造商开殿了这两项试验，尚未引起广泛重视。实际上国产有的连接件送到欧洲测试，冷

23、热循环未超过300次即发生了连接部位渗漏，分析认为属于连接件的制造精度过低所致。更有甚者，国产分集水器的连接螺纹多数都未按标准制造，致使热水地暖工程陷于长期维修的尴尬境地。五、三种PEX管的比较已商品化的PEX管目前有三种，它们是：1.     PEXa 有机过氧化交联聚乙烯(化学交联)2.     PEXb 硅烷水交联聚乙烯(化学交联)3.     PEXc (电子射线、射线)辐照交联聚乙烯(物理交联)由于大分子结构不同，大分子键型有别，三种PEX管的性能是不完全相同的，大

24、分子结构中，二维网状的大分子，其热运动比较容易，三维体型结构的大分子，其热运动稍难。PEXa的大分子以二维网状为主，而PEXb与PEXc的大分子则以三维体型结构为主。因此，当采用同一种发聚乙烯做基础原料，当交联度相同时，PEXb和PEXc的耐热性能、抗蠕变能力和抗应力开裂性要高于PEXa。提高PEXa的交联度，它们的这一差异就会被扯平。如国际标准ISO/DIS15875和先进标准DIN16892对三种PEX管的交联度规定如下：1.     PEXa  70%2.     PEXb  65%3.