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塑料類管材應(yīng)用于住宅熱介質(zhì)管道的若干問題

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 1、適合于輸送熱介質(zhì)的塑料類管材

  1999年12月,建設(shè)部、國家經(jīng)貿(mào)委、質(zhì)量技監(jiān)局和建材局,聯(lián)合下達了《關(guān)于在住宅建設(shè)中淘汰落后產(chǎn)品的通知》,其中提到:自2000年6月1日起,在城鎮(zhèn)新建住宅建設(shè)中,禁止使用冷鍍鋅鋼管用于室內(nèi)給水管道,并根據(jù)當?shù)貙嶋H情況逐步限時禁止使用熱鍍鋅鋼管, 推廣應(yīng)用鋁塑復(fù)合管、交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管、三型無規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)管等新型管材,有條件的地方也可推廣應(yīng)用銅管。

  塑料類管材可用以輸送多種介質(zhì),由于其生產(chǎn)過程的低能耗和低污染、較小的水阻力、便于施工安裝、價格有較大下降空間,以及在質(zhì)量能確保和應(yīng)用得當?shù)臈l件下有較長使用壽命等優(yōu)點,將會得到廣泛的應(yīng)用。

  硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC-U)管已逐步替代鑄鐵管廣泛應(yīng)用于排水管道。室外地下埋設(shè)的燃氣管已開始采用高密度聚乙烯(HDPE)管。冷水管則可采用價位較低的中密度聚乙烯(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)管或承壓硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC-U)管等??梢姡鲜觥锻ㄖ匪茝V應(yīng)用的,主要是指適合于輸送熱介質(zhì)的塑料類管材。此類管材目前較為可靠的有以下四種:

 ?。?)交聯(lián)鋁塑復(fù)合管。內(nèi)層和外層為密度≥0.94 g/cm3的聚乙烯或乙烯共聚物、中間層為增強鋁管、層間用熱熔膠緊密粘合為一體的管材。用作輸送熱水時,內(nèi)外層應(yīng)為交聯(lián)聚乙烯,稱為交聯(lián)鋁塑復(fù)合管,通常以XPAP標記。

 ?。?)聚丁烯管。由聚丁烯-1樹脂添加適量助劑,經(jīng)擠出成型的熱塑性管材,稱為聚丁烯管,通常以PB標記。

 ?。?)交聯(lián)聚乙烯管。以密度≥0.94 g/cm3的聚乙烯或乙烯共聚物,添加適量助劑,通過化學(xué)的或物理的方法, 使其線型的大分子交聯(lián)成三維網(wǎng)狀的大分子結(jié)構(gòu),由此種材料制成的管材,稱為交聯(lián)聚乙烯管,通常以PE-X標記。

 ?。?)無規(guī)共聚聚丙烯管。以丙烯和適量乙烯的無規(guī)共聚物,添加適量助劑,經(jīng)擠出成型的熱塑性管材,稱為無規(guī)共聚聚丙烯管,通常以PP-R標記。有些生產(chǎn)廠或供應(yīng)商稱之為“改性丙烯管”,并以PP-C標記,這是不規(guī)范的含糊稱謂。

  2、輸送熱介質(zhì)的塑料類管材在住宅中的主要應(yīng)用前景是戶內(nèi)供暖系統(tǒng)由于生活熱水系統(tǒng)戶內(nèi)管系長度有限,每平方米建筑面積的管材使用量,約僅為0.2m.因此,其主要用途應(yīng)是戶內(nèi)供暖系統(tǒng)。

  據(jù)一份對歐洲24個國家1997年塑料管市場的調(diào)查材料,在總應(yīng)用量中:聚氯乙烯(PVC)管約占60.6%, 各種密度的聚乙烯(PE)管,約占32.6%,各型聚丙烯(PP)管約占4.9%,交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管僅約占1.1%。其中PP-R管和PE-X管,幾乎全部用于戶內(nèi)供暖系統(tǒng)。

  輸送熱介質(zhì)的塑料類管材在住宅供暖系統(tǒng)中的主要用途是:

 ?。?)集中供暖住宅分戶熱計量的戶內(nèi)系統(tǒng)

  從能源總效率、供暖質(zhì)量、環(huán)境保護、防火和安全保障、衛(wèi)生條件、建筑造價和供暖費用等諸多因素, 集中供暖具有明顯優(yōu)勢。集中供暖住宅必然要逐步實施分戶熱計量。新建住宅分戶熱計量的主要途徑, 是采用“一戶一表”的分戶獨立系統(tǒng)方式。此種戶內(nèi)系統(tǒng)管道, 有布置本層頂板下、布置在本層地面上或鑲嵌于踢腳板內(nèi)和布置在本層地面下墊層內(nèi)的幾種方式。綜合各地的試點方案, 在建筑層高受限和居住者對裝飾要求日趨高擋的情況下, 布置在地面下墊層內(nèi)的方式, 較易被接受,已成為主流的布置方式……

  布置在地面下的墊層內(nèi)的管道,不論采用下供下回雙管式、水平串聯(lián)單管跨越式或放射雙管式(或稱“章魚式”)的配管方式, 都要求管道有較長的使用壽命、較小的墊層厚度和較為簡便的安裝方法,并避免在墊層內(nèi)有連接管件,因此不宜采用鋼管,只能采用塑料類管材。

 ?。?)分戶獨立熱源供暖系統(tǒng)

  在具備多種能源供應(yīng)條件的地區(qū),集中供暖會與多種供暖熱源和方式并存,例如:以燃氣或電熱為熱源的分戶獨立式供暖。此種熱源的供暖系統(tǒng)制式,同采用集中供暖“一戶一表”的分戶獨立系統(tǒng)是相同的。

  據(jù)典型工程的推算,上述兩種分戶獨立系統(tǒng)每平方米建筑面積的管材使用量約為1m.

 ?。?)低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)

  無論集中供暖還是單戶獨立熱源供暖,都可采用具有舒適、節(jié)能和有利于裝飾等顯著優(yōu)點的低溫熱水地板輻射供暖。輻射供暖方式形成的較合理的室內(nèi)溫度場分布和等效熱效應(yīng),不僅比傳統(tǒng)的散熱器對流供暖方式有較好的舒適度,還可節(jié)約熱能約10%左右。相對于鑄鐵散熱器或其它散熱器加罩等陳舊的供暖設(shè)施,地板輻射供暖更能適應(yīng)居住者對于建筑裝飾的要求。與按標準散熱量計算的價格在0.5元/W以上的普通散熱器供暖方式相比,綜合經(jīng)濟比較并不處于劣勢。

  分戶獨立系統(tǒng)如需在地面墊層內(nèi)敷設(shè)管道時,采用地板輻射供暖就更有較大優(yōu)勢,除上述優(yōu)點外,還由于需在樓板基底上鋪設(shè)保溫層,可部分減少分戶熱計量時戶與戶之間的熱傳遞量,并可改善樓板的隔聲和降低撞擊聲。低溫熱水地板輻射供暖的加熱管,應(yīng)采用塑料類管材。據(jù)通過典型工程的推算,地板輻射供暖每平方米建筑面積的管材使用量約為3m.

  3、塑料類管材的蠕變特性輸送熱介質(zhì)的塑料類管材的應(yīng)用,目前存在一些模糊概念和盲目性,其中最重要的是塑料類管材的蠕變特性。

  例如:某些生產(chǎn)廠或供應(yīng)商介紹產(chǎn)品時,孤立地提出對承壓、使用壽命和耐溫性能的承諾,顯然是不科學(xué)的。設(shè)計人員和使用單位,切不能以為這些承諾會同時存在。

  塑料類管材,同長期以來習慣應(yīng)用的鋼管等金屬管道力學(xué)特性的主要區(qū)別,主要是應(yīng)力的變化規(guī)律不同。鋼管的使用壽命主要取決于腐蝕速度,使用溫度對許用應(yīng)力影響不大,例如:10號鋼的鋼管許用應(yīng)力,在較大的溫度幅度范圍內(nèi)變化不大,溫度≤100℃時為 110.85MPa;溫度=150℃時為109.87MPa;溫度=200℃時為 103.99MPa.

  塑料類管材則不同,使用溫度的影響極大,冷態(tài)下的承壓能力不能用以判斷在長期使用條件下的耐久性。其使用壽命主要取決于不同使用溫度對管材的累積破壞作用,概略地說,溫度每提高10℃,使用壽命約縮短2.5倍, 熱作用使環(huán)應(yīng)力逐步下降即發(fā)生管材的“蠕變”,以至不能滿足使用壓力而破壞。

  顯然,應(yīng)按使用溫度確定許用應(yīng)力,據(jù)以計算所需壁厚。同時,不能沿用鋼管以公稱直徑標記設(shè)計管徑的方法,應(yīng)以“外徑×壁厚”標記,并且考慮壁厚的顯著差異選擇管徑。

  塑料類管材在不同溫度下的等應(yīng)變?nèi)渥兲匦郧€,可見北京市標準《低溫熱水地板輻射供暖應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的附錄。附錄中各類塑料管的環(huán)應(yīng)力等應(yīng)變?nèi)渥兲匦郧€,來源于相關(guān)國際標準。從環(huán)應(yīng)力特性曲線圖可見,每一種塑料管材的許用應(yīng)力,都會隨時間的推移而下降,特別是隨作用溫度的升高而急劇下降。

  4、塑料類管材的使用條件分級由于管材在其全部使用期內(nèi),不可能始終是處在同一溫度作用條件下, 必然存在不同溫度的時間分布。

  例如:供暖系統(tǒng)管材在非供暖期內(nèi)的溫度會近似于室溫,即使在供暖期內(nèi)也會因進行質(zhì)調(diào)節(jié)而受不同溫度作用。因此,上述各種塑料類管材對應(yīng)于不同溫度的等應(yīng)變?nèi)渥兲匦郧€,顯然不能直接作為設(shè)計選用的依據(jù),需要先按不同使用條件的溫度作用頻率,確定使用條件分級。

  按國際標準ISO/10508:1995推薦的方法,對總設(shè)計使用周期為50年,奧、德、法地區(qū)典型使用條件的不同管材,統(tǒng)一劃分的使用條件分級,如下表:

 

使用條件等級  正常操作溫度  最大操作溫度  異常溫度  典型應(yīng)用范圍  ℃  時間 (Y)  ℃  時間 (Y)  ℃  時間 (h)  (舉例)  應(yīng)力安全系數(shù)  1.5  1.3  1.0     1  60  49  80  1  95  100  供60℃熱水  2  70  49  80  1  95  100  供70℃熱水  3  30
   40  20
   25  50  4.5  95  100  低溫參數(shù)
地板輻射供暖  4  40
   60
   20  20
   25
   2.5  70  2.5  100  100  地板輻射供暖  5  60
   80
   20  25
   10
   14  90  1  100  100  85 / 60℃
散熱器供暖 

 

  根據(jù)上表各使用條件分級不同溫度的綜合熱作用,可計算出各種塑料類管材確保50年使用壽命的許用應(yīng)力,其數(shù)值也收集在北京市標準《低溫熱水地板輻射供暖應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的附錄內(nèi)。

  當然,使用條件分級并不是硬性規(guī)定,是按特定地區(qū)氣候和典型使用條件計算所得的推薦性標準,因此,應(yīng)按實際要求的使用壽命年限,并根據(jù)使用情況,分析使用壽命年限內(nèi)不同溫度的頻率,合理確定使用條件分級。

  例如:對于北京地區(qū)一般低溫熱水地板輻射供暖工程,如按上述標準的4級選用管材和確定管壁厚,即在共50年的總使用周期中,運行溫度20℃共歷時2.5年,40℃共歷時20年,60℃共歷時25年,70℃共歷時2.5年,100℃的意外運行條件不超過共100小時,顯然是十分安全可靠的。

  5、散熱器供暖系統(tǒng)使用條件分級的合理確定散熱器供暖系統(tǒng)的運行水溫高于地板輻射供暖,分戶熱計量戶內(nèi)系統(tǒng)將管道埋設(shè)在地面墊層內(nèi)時,由于缺乏適宜的標準,北京市《集中供暖住宅分戶熱計量設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中,只能提出對管材的性能指標要求和選擇計算,應(yīng)按不低于“使用條件分級”的5級。所謂5級是指:

  在50年的總使用壽命周期內(nèi),運行溫度20℃共歷時14年,60℃共歷時25年,80℃共歷時10年,最高運行溫度90℃共歷時1年(平均每年僅約7天),100℃的意外運行條件不超過共100小時。這種使用條件級別,反映了歐洲供暖期長和熱媒溫度低的特點,適合于熱媒溫度60-80℃、不高于90℃的運行工況。我國的具體條件與此有較大差異,對于通常熱媒設(shè)計供水溫度95℃的系統(tǒng)顯然并不適合。“使用條件分級”的5級,約只適合北京地區(qū)熱媒設(shè)計溫度85/60℃的系統(tǒng)。因此,認為只要采用塑料類管材就可萬無一失的認識是盲目的,在多種技術(shù)條件不能確保時,會留有許多隱患。

  最近,北京市建筑設(shè)計研究院根據(jù)北京地區(qū)的氣象資料,針對熱媒設(shè)計供水溫度95℃的系統(tǒng),提出了“使用條件分級”5A級的一組數(shù)據(jù),較“使用條件分級”的5級,由于降低了各類塑料類管材的許用應(yīng)力,在相同管徑和壓力下較需選用較大壁厚,按此計算,有些管材在較高壓力的系統(tǒng)中,因無較大壁厚而不能采用。

  由于采暖期的長短不同,各地區(qū)會有較大的差別,不同的地區(qū)應(yīng)經(jīng)深入計算論證,提出當?shù)氐脑O(shè)計選用數(shù)據(jù)。為確保安全,在認真進行強度驗算的基礎(chǔ)上,要留有適度裕量。

  在確定當?shù)卦O(shè)計選用數(shù)據(jù)時,還宜考慮以下有利和不利因素:

  有利因素是,由于各種原因系統(tǒng)實際配置的散熱面積,均不同程度地偏大于理論所需散熱面積,因此實際運行水溫,均可低于設(shè)計水溫,例如:對于設(shè)計水溫95/70℃的系統(tǒng),當偏大10%時,運行水溫約可為90/65℃,當偏大20%時,運行水溫約可為85/60℃,當偏大30%時,運行水溫約可為82.5/57.5℃,當偏大40%時,運行水溫約可為80/55℃。這是經(jīng)理論推算和運行實踐所證明的。

  一般系統(tǒng)的散熱面積置,均會偏大20%-30%。

  不利因素是,目前的供暖期標準明顯偏低,逐步延長供暖期,會是必然趨勢,因此應(yīng)考慮要能適應(yīng)今后較長供暖期的熱作用。

  各種塑料類管材的比較

  可從以下幾個方面進行各類管材的比較。

 ?。?)許用應(yīng)力排序。在相同的使用條件分級和有效使用壽命條件下,各類管材的許用應(yīng)力,大致為以下排列順序:交聯(lián)鋁塑復(fù)合管,聚丁烯管,交聯(lián)聚乙烯管,無規(guī)共聚聚丙烯管。

 ?。?)按市場價格的高低排列,正好大體上也是上述順序。并非一定要選用許用應(yīng)力高的管材,例如:實際使用壽命不需50年、或使用溫度較低、或工作壓力較低,就有可能選擇許用設(shè)計應(yīng)力較小的管材。

 ?。?)關(guān)鍵還是各類管材的有效質(zhì)量控制。據(jù)塑料工業(yè)業(yè)內(nèi)人士分析,聚丁烯管和無規(guī)共聚聚丙烯管的質(zhì)量, 主要通過原料的成份和品質(zhì)控制。而交聯(lián)聚乙烯管和交聯(lián)鋁塑復(fù)合管,除原料成份和品質(zhì)外,其交聯(lián)工藝對質(zhì)量控制至關(guān)重要,正是交聯(lián)工藝這一重要環(huán)節(jié),使許多該類管材的質(zhì)量失控。

 ?。?)聚丁烯管和無規(guī)共聚聚丙烯管,是可以再生的材料,對環(huán)保較為有利。這兩種管材還可采用熱熔接的連接工藝,節(jié)省昂貴的連接配件。

 ?。?)管材的氧滲透的問題,也應(yīng)有所考慮, 與其它采暖系統(tǒng)共用同一集中熱源水系統(tǒng)、且其它供暖系統(tǒng)采用鋼制散熱器等易腐蝕構(gòu)件時,聚丁烯管、交聯(lián)聚乙烯管和無規(guī)共聚聚丙烯管,宜有阻氧層,以有效防止?jié)B入氧而加速對系統(tǒng)的氧化腐蝕。而交聯(lián)鋁塑復(fù)合管的中間層為增強鋁管,可有效阻隔氧的滲透。

  (6)管材的縱向線膨脹問題,對于熱管道應(yīng)予以注意。鋼管的線膨脹系數(shù)為0.012 mm/m.K,塑料類管材線膨脹系數(shù)的概略值,按從小到大排列如下:

  交聯(lián)鋁塑復(fù)合管   0.025

  聚丁烯管      0.130

  無規(guī)共聚聚丙烯管  0.180

  交聯(lián)聚乙烯管    0.200

  由于較大的縱向膨脹,使管道受熱后變形嚴重,因此不適合于明裝。而埋設(shè)于混凝土墊層內(nèi)的管道縱向膨脹受限,會轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力,故在強度計算時需有適量安全系數(shù)。

 ?。?)耐低溫性能問題,無規(guī)共聚聚丙烯管在﹣10℃環(huán)境條件下,會發(fā)生低溫脆化,易在運輸過程中損壞,而其它管材的脆化溫度,可低達﹣70℃。

  因此, 應(yīng)根據(jù)工程的耐用年限要求、使用條件等級、熱媒溫度和工作壓力、系統(tǒng)水質(zhì)要求、材料供應(yīng)條件、施工技術(shù)條件和投資費用等因素, 經(jīng)綜合比較合理選擇采用管材。

發(fā)布:2007-07-28 13:37    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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