供暖散熱器片常用塑料管材的選用20091013102343653

1、供暖散熱器（片）常用塑料管材的選用劉啟明 （山東省建設(shè)發(fā)展研究院 濟(jì)南 250001）摘要：本文分析了PP-R、PP-RCT、PB、PE-RT四種管材在供暖極限條件下和國(guó)標(biāo)要求的供暖條件下環(huán)應(yīng)力-壽命-溫度的關(guān)系，通過計(jì)算并參考計(jì)算數(shù)據(jù)在理論上分析常用散熱器供暖管材實(shí)際應(yīng)用所必須的適用條件，為散熱器供暖管材的設(shè)計(jì)選用提供參考。關(guān)鍵詞： 散熱器 供暖 塑料管材作為常用散熱器供暖，一直以來采用最多的就是鍍鋅鋼管，隨著國(guó)家在城鎮(zhèn)新建住宅建設(shè)中，禁止將冷鍍鋅鋼管用于室內(nèi)給水管道，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況逐步限制禁止使用熱鍍鋅鋼管，推廣應(yīng)用各種塑料管材的政策推出，現(xiàn)有階段的供水、供暖已基本實(shí)現(xiàn)了管道的塑料化。

2、然而，針對(duì)散熱器供暖，目前國(guó)家和行業(yè)以及各省都未有相應(yīng)的針對(duì)散熱器采暖的管材設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，基本靠各管材相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給使用帶來了些許安全隱患。本文通過分析四種常用采暖用管材的環(huán)應(yīng)力-溫度-壽命的關(guān)系，討論了四種管材在供熱應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。一、常用作采暖系統(tǒng)的塑料管材目前，在采暖系統(tǒng)中常用的塑料管材主要包括交聯(lián)鋁塑復(fù)合管（XPAP）、交聯(lián)聚乙烯管（PE-X）、無規(guī)共聚聚丙烯管（PP-R）、聚丁烯管（PB）、耐熱聚乙烯管（PE-RT）以及市場(chǎng)上出現(xiàn)不久的PP-RCT管材，這里面XPAP由于多種原因現(xiàn)已很少應(yīng)用，而用量較大的PE-X多用在地板采暖中，由于管材本身的性能限制，基

3、本不用在散熱器采暖上，所以在散熱器（片）的采暖管材選用上本文重點(diǎn)分析了其它四種管材，即PP-R、PE-RT、PP-RCT和PB管材。PP-R：丙烯無規(guī)共聚物，含有不多于50%（質(zhì)量）的其他烯烴單體（可以是多種），沒有除烯烴以外的其他基團(tuán)與丙烯共聚；作為PP的改進(jìn)型產(chǎn)品，無規(guī)共聚改性聚丙烯（PP-R）材料在保持聚丙烯（PP）材料耐熱性能好、抗拉伸強(qiáng)度高等特點(diǎn)的同時(shí)，也提高了材料的韌性和抗環(huán)境應(yīng)力開裂、耐低溫沖擊等性能。該類材料和制品質(zhì)輕、節(jié)能、連接可靠性能高、安裝方便等。1PE-RT即耐熱聚乙烯，是一種采用特殊的分子設(shè)計(jì)和合成工藝生產(chǎn)的一種中密度聚乙烯。它采用乙烯和辛烯共聚的方法，通過控制側(cè)鏈的

4、數(shù)量和分布得到獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，來提高PE的耐熱性。由于辛烯短支鏈的存在使PE的大分子不能結(jié)晶在一個(gè)片狀晶體中，而是貫穿在幾個(gè)晶體中，形成了晶體之間的聯(lián)結(jié)，它保留了PE的良好的柔韌性，高熱傳導(dǎo)性和惰性，同時(shí)使之耐壓性更好。PP-RCT（PP-R）是一種帶有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的PP無規(guī)共聚物。PP-RCT（PP-R）管材因改變了晶體結(jié)構(gòu)從而提高了耐熱性和長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性，同樣規(guī)格管材可提升一個(gè)壓力等級(jí)使用，PP-RCT（PP-R）由于特殊的晶結(jié)構(gòu),使其具有剛?cè)嵯酀?jì)的優(yōu)良特性,低溫脆性由原來的5提高到-5,韌性得到大大提高，同時(shí)該管材具有優(yōu)良的長(zhǎng)期耐熱耐壓性能。2聚丁烯（PB），以1-丁烯，2-丁烯，或異丁烯為單

5、體或其混合物為單體聚合或共聚合制得的聚合物。是一種線型分子結(jié)構(gòu)的等規(guī)半結(jié)晶性聚烯烴熱塑性塑料，結(jié)晶度一般為50-55%。其密度處于其它熱塑性如PE或PP范圍之內(nèi)，具有很高的耐溫性，持久性、化學(xué)穩(wěn)定性和可塑性，無味、無毒、無嗅的優(yōu)良性能。市場(chǎng)上的聚丁烯管主要是采用 1- 丁烯單體通過等規(guī)立構(gòu)聚合反應(yīng)而生成的聚丁烯料經(jīng)擠出而成，具有耐高溫，耐寒凍的特點(diǎn)，化學(xué)穩(wěn)定性好，可塑性強(qiáng)，無味、無毒，有多種連接方式（熱粘接式接頭焊接、熱螺旋式現(xiàn)場(chǎng)焊接、機(jī)械夾緊式連接），管材性能與交聯(lián)聚乙烯管相似，但相對(duì)強(qiáng)度更高，有更高的耐蠕變性 和高溫下的性能保持性，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.2

6、4W/m·K ，保溫性能好，在長(zhǎng)期連續(xù)工作壓力下，輸送水溫可達(dá)95 ，是理想的小口徑供水供暖新型管材。對(duì)塑料管材的采暖應(yīng)用上，管材的持續(xù)耐久性檢測(cè)指標(biāo)是重要的參考條件之一，下面是PP-R、PE-RT、PP-RCT、PB管材各執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)照。 靜液壓管材種類168h靜液壓應(yīng)力MPa（95）1000h靜液壓應(yīng)力MPa（95）8760h靜液壓應(yīng)力MPa（110）PP-R（GB/T 18742.2-2002）3.83.51.9PE-RT（CJ/T175-2002）3.553.51.9PP-RCT（DIN 8078）4.03.82.6PB（GB/T 19473.2-200

7、4）6.26.02.4二、PP-R、PE-RT、PP-RCT、PB管材在供暖應(yīng)用中的理論計(jì)算塑料管材的使用壽命，受溫度和應(yīng)力的雙重影響，其函數(shù)關(guān)系式可表示為： Lgt=A+（B/T）×lg+C/T+D×lg （公式1）式中：A、B、C、D常數(shù)（取決于不同管材，可在相應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)中查到）t破壞時(shí)間，即管材的使用壽命，單位為小時(shí)（h）；T使用溫度，單位為開爾文（K）；管材的靜液壓應(yīng)力（環(huán)應(yīng)力），單位為兆帕（MPa）。另外，計(jì)算還需要用到的公式：=P·S （公式2）P管道所受內(nèi)壓，偏安全的算法，P取1.5倍工作壓力。S管系例，管材規(guī)格的無量綱常數(shù)3計(jì)算說明：管材應(yīng)力、

8、溫度、壽命應(yīng)變?nèi)渥兲匦郧€附后。這里通過兩種計(jì)算方法對(duì)比管材壽命，一種是按照長(zhǎng)期恒溫恒壓條件下計(jì)算（適合冷水系統(tǒng)：20，1MPa壓力下和生活用熱水系統(tǒng)，如賓館建筑長(zhǎng)期保持60或70使用），另一種按較為實(shí)際的供暖條件下計(jì)算（如各地區(qū)采暖系統(tǒng)）。通過兩種計(jì)算方法對(duì)比管材壽命，一種是按照長(zhǎng)期恒溫恒壓條件下計(jì)算（適合冷水系統(tǒng)：20，1MPa壓力下和生活用熱水系統(tǒng)，如賓館建筑長(zhǎng)期保持60或70使用），另一種按較為實(shí)際的供暖條件下計(jì)算（如各地區(qū)采暖系統(tǒng)）。首先需要說明的是管材的選用系列，PP-R、PP-RCT的最小可選用S值為2，PE-RT的最小可選用S值為2.5，PB的最小可選用S值為3.2。1、長(zhǎng)期恒

9、溫恒壓條件（管材安全系數(shù)按1.5計(jì)算）50年持續(xù)使用（設(shè)計(jì)壓力1MPa）PP-R管材PE-RT管材70809560*708095預(yù)測(cè)環(huán)應(yīng)力/MPa3.2/3.222.1/2.081.2/1.124.4/4.333.1/3.172.3/2.331.5/1.46最小S值2.11.40.82.92.11.51.0可選管系列S2無適合無適合S2.5無適合無適合無適合*依理論計(jì)算結(jié)果，長(zhǎng)期恒溫恒壓條件下，如表所示，在70以上PE-RT管材無適合應(yīng)用要求的管材，這里增加一個(gè)60條件。50年持續(xù)使用（設(shè)計(jì)壓力1MPa）PP-RCT管材PB管材708095708095預(yù)測(cè)環(huán)應(yīng)力/MPa5.1/5.114.3/

10、4.243.1/3.157.5/7.586/6.13.5/3.7最小S值3.42.82542.3可選管系列S3.2S2.5S2S5S4無適合注：圖中預(yù)測(cè)環(huán)應(yīng)力數(shù)據(jù)前者為根據(jù)各管材環(huán)應(yīng)力-溫度-壽命曲線采用作圖法估算而得，后者根據(jù)公式（1）計(jì)算而得，通過驗(yàn)算，可以驗(yàn)證：管材預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度參照曲線圖的未畫出部分可以通過延伸得出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與理論公式計(jì)算數(shù)據(jù)基本相符。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力為0.8MPa、0.6MPa、0.4MPa時(shí)可依次計(jì)算或查出各溫度下的管材使用壽命。（比如0.8MPa設(shè)計(jì)壓力時(shí)，考慮安全系數(shù)1.5，PP-R或PP-RCT以最小管系列S值2計(jì)算，管環(huán)應(yīng)力值最小應(yīng)為2.4MPa。在滿足50

11、年使用壽命條件下，從曲線圖中可得到對(duì)應(yīng)溫度的預(yù)測(cè)環(huán)應(yīng)力情況，此處不再贅述。）2、實(shí)際供暖采暖條件下的計(jì)算供暖條件與冷水系統(tǒng)及賓館熱水系統(tǒng)不同，整個(gè)供暖季為4-5個(gè)月，最多半年，并且在整個(gè)供暖季中，水溫是隨室外氣溫變化的，各種水溫出現(xiàn)的時(shí)間不相同，無法從蠕變曲線上找出環(huán)應(yīng)力值，無法確定許用環(huán)應(yīng)力，若按照最高使用溫度計(jì)算環(huán)應(yīng)力，不僅浪費(fèi)而且很有可能找不到可用的管材。為此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO10508對(duì)一般的壓力冷熱水管的使用條件建立了一個(gè)分級(jí)體系，對(duì)各種使用條件進(jìn)行分級(jí)，將各種復(fù)雜的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，歸納為5種常用的使用條件，我國(guó)的管材標(biāo)準(zhǔn)也沿用了此分級(jí)體系（然而這是歐洲國(guó)家根據(jù)自己的氣候條件歸納出來

12、的，不能完全符合我國(guó)，特別是山東省的氣象條件。為此，有研究者歸納了北京地區(qū)的使用條件，增加了5A級(jí)，但這也僅僅適合北京地區(qū)）。這里，我們沿用國(guó)標(biāo)中的使用條件分級(jí)，高溫供暖采用5級(jí)條件來進(jìn)行分析。輸送壓力流體的熱塑性塑料管材，其最大允許環(huán)應(yīng)力與使用溫度和管內(nèi)流體的壓力以及預(yù)期使用壽命有關(guān)，根據(jù)使用條件分級(jí)，每級(jí)均有3個(gè)溫度，因此只有采用累積破壞的計(jì)算方法來得出許用環(huán)應(yīng)力，這個(gè)方法通常稱為Miners規(guī)則，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13760-1998規(guī)定采用的方法。計(jì)算得到50年使用壽命、5級(jí)使用條件下， PP-R管許用環(huán)應(yīng)力為1.90MPa4，PE-RT管的許用環(huán)應(yīng)力為2.02MPa，PB管的許用環(huán)應(yīng)力

13、為4.31MPa，PP-RCT管的許用環(huán)應(yīng)力為2.92MPa5。PP-R D=1.90 MPaPE-RT D=2.02 MPa設(shè)計(jì)壓力0.40.60.81.00.40.60.81.0最小S值4.83.22.41.95.03.32.52.0應(yīng)選管材系列S3.2S3.2S2無適合S5S3.2S2.5無適合D/mm壁厚/mm壁厚/mm162.22.23.3無適合2.02.22.7無適合202.82.84.12.32.83.4253.53.55.12.83.54.2324.44.46.53.64.45.4PB D=4.31 MPaPP-RCT D=2.92 MPa設(shè)計(jì)壓力0.40.60.81.00.4

14、0.60.81.0最小S值10.97.25.44.37.34.83.62.9應(yīng)選管材系列S10S6.3S5S4S5S4S3.2S2.5D/mm壁厚/mm壁厚/mm161.31.31.51.81.41.82.22.7201.31.51.92.31.82.32.83.4251.31.92.32.82.32.83.54.2321.62.42.93.62.93.64.45.4從上述計(jì)算對(duì)比結(jié)果看出，常規(guī)供暖采暖環(huán)境，若按5級(jí)使用條件，設(shè)計(jì)壽命50年，1MPa壓力下，PP-R及PE-RT管材已經(jīng)沒有可用的管系列，此條件下PP-R、PE-RT已不適用。實(shí)際使用中，設(shè)計(jì)壓力一般在這里還要考慮管材的壁厚與管徑

15、，連接需要熔接的管材，壁厚不能小于2mm。設(shè)計(jì)常用散熱器供暖管道直徑一般為25mm，在此外徑條件下，PB管材選用S6.3和S10的管系列不能滿足要求，可以都選擇S5以下的管系列。除此之外，所有設(shè)計(jì)壓力條件下所有管材壁厚都滿足熱熔連接使用要求。說明一點(diǎn)：上述計(jì)算分析是對(duì)5級(jí)條件下的分析結(jié)果，實(shí)際散熱器供暖各地情況與國(guó)標(biāo)分級(jí)條件有很大差別，除了各溫度所占50年供暖期的比例差別外（比如我們的采暖為4個(gè)月時(shí)間，6090使用條件，總共占三分之一，也就是50年的17年，剩余33年均按20計(jì)算，比分級(jí)表中的條件有利的多，還有另外一些因素，就是由于各種原因，系統(tǒng)實(shí)際配置的散熱面積均不同程度地偏大于理論所需散熱

16、面積，因此實(shí)際運(yùn)行水溫均可低于設(shè)計(jì)水溫，例如：對(duì)于設(shè)計(jì)水溫95 / 70 的系統(tǒng)，當(dāng)偏大20 %時(shí)，運(yùn)行水溫約可為85 / 60 ；當(dāng)偏大30 %時(shí)，運(yùn)行水溫約可為82. 5 / 57. 5，當(dāng)偏大40 %時(shí)，運(yùn)行水溫約可為80 / 55 。這是經(jīng)理論推算和運(yùn)行實(shí)踐所證明的。一般系統(tǒng)的散熱面積均會(huì)偏大20 %30 %。6這些都是對(duì)本地區(qū)散熱器采暖管材選用的有力條件，計(jì)算結(jié)果會(huì)使采暖可選用管材的范圍擴(kuò)大。另外，一些地區(qū)供暖采用熱力公司恒溫出水，通過熱力站變壓力來調(diào)節(jié)用戶用暖、控制室溫，并且設(shè)計(jì)單位對(duì)采暖的設(shè)計(jì)壓力一般取0.8MPa或0.6MPa，這樣一來，這四種管材在5級(jí)條件下，基本滿足采暖應(yīng)用

17、要求。四、結(jié)論本文僅僅通過分析PP-R、PE-RT、PP-RCT、PB四種管材環(huán)應(yīng)力-溫度-壽命的關(guān)系，對(duì)于散熱器采暖應(yīng)用中管材的選用，得出以下結(jié)論：1、如果在最大設(shè)計(jì)壓力1MPa條件下，PE-RT在60溫度下可以滿足50年長(zhǎng)期使用，PP-R、PP-RCT、PB管材在70溫度下可以滿足50年長(zhǎng)期使用，超過各自溫度限制，PE-RT、PP-R管材已無法選用合適管材，PB管在95條件下無適用管材可選，PP-RCT管材能滿足應(yīng)用。2、對(duì)于實(shí)際供暖應(yīng)用中，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，采用5級(jí)使用條件，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力為1MPa 時(shí)，PP-R和PE-RT無適用管材可選擇，不能滿足應(yīng)用；對(duì)于設(shè)計(jì)0.8MPa或0.6MPa壓力下，所有4種管材產(chǎn)品都能滿足供暖應(yīng)用。雖然如此，作為散熱器供暖管材，選用PB或者PP-RCT仍是較佳的選擇。參考文獻(xiàn)：1 李正光等. 聚丙烯生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用.M. 石油工業(yè)出版社，2006.2 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN8