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(dá)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(dāng)?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(dāng)?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?xì)夤芤验_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：

　　（1）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(qiáng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(hù)、防火和安全保障、衛(wèi)生條件、建筑造價和供暖費(fèi)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?xì)饣螂姛釣闊嵩吹姆謶舄毩⑹焦┡?。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.

　　（3）低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(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?zé)崴匕遢椛涔┡?。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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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?zé)崴匕遢椛涔┡募訜峁?，?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(xí)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(biāo)記設(shè)計管徑的方法，應(yīng)以“外徑×壁厚”標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)《低溫?zé)崴匕遢椛涔┡瘧?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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)《低溫?zé)崴匕遢椛涔┡瘧?yīng)用技術(shù)規(guī)程》的附錄內(nèi)。

　　當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，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?zé)崴匕遢椛涔┡こ?，如按上述?biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(yùn)行溫度20℃共歷時14年，60℃共歷時25年，80℃共歷時10年，最高運(yùn)行溫度90℃共歷時1年（平均每年僅約7天），100℃的意外運(yùn)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(yùn)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(rèn)為只要采用塑料類管材就可萬無一失的認(rèn)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(dāng)?shù)氐脑O(shè)計選用數(shù)據(jù)。為確保安全，在認(rèn)真進(jìn)行強(qiáng)度驗算的基礎(chǔ)上，要留有適度裕量。

　　在確定當(dāng)?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(yùn)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(dāng)偏大10％時，運(yùn)行水溫約可為90/65℃，當(dāng)偏大20％時，運(yùn)行水溫約可為85/60℃，當(dāng)偏大30％時，運(yùn)行水溫約可為82.5/57.5℃，當(dāng)偏大40％時，運(yùn)行水溫約可為80/55℃。這是經(jīng)理論推算和運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行各類管材的比較。

　　（1）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。

　　（5）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(qiáng)鋁管，可有效阻隔氧的滲透。

　?。?）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(yán)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(qiáng)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(yùn)輸過程中損壞，而其它管材的脆化溫度，可低達(dá)﹣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(fèi)用等因素， 經(jīng)綜合比較合理選擇采用管材。