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塑料供热管材

塑料供热管材

供暖散热器（片）常用塑料管材的选用

刘启明

（山东省建设发展研究院济南250001）

摘要：

本文分析了PP-R、PP-RCT、PB、PE-RT四种管材在供暖极限条件下和国标要求的供暖条件下环应力-寿命-温度的关系，通过计算并参考计算数据在理论上分析常用散热器供暖管材实际应用所必须的适用条件，为散热器供暖管材的设计选用提供参考。

关键词：

散热器供暖塑料管材

作为常用散热器供暖，一直以来采用最多的就是镀锌钢管，随着国家在城镇新建住宅建设中，禁止将冷镀锌钢管用于室内给水管道，并根据当地实际情况逐步限制禁止使用热镀锌钢管，推广应用各种塑料管材的政策推出，现有阶段的供水、供暖已基本实现了管道的塑料化。

然而，针对散热器供暖，目前国家和行业以及各省都未有相应的针对散热器采暖的管材设计技术规范，基本靠各管材相应国家标准和设计人员积累经验进行设计，给使用带来了些许安全隐患。

本文通过分析四种常用采暖用管材的环应力-温度-寿命的关系，讨论了四种管材在供热应用中的优缺点。

一、常用作采暖系统的塑料管材

目前，在采暖系统中常用的塑料管材主要包括交联铝塑复合管（XPAP）、交联聚乙烯管（PE-X）、无规共聚聚丙烯管（PP-R）、聚丁烯管（PB）、耐热聚乙烯管（PE-RT）以及市场上出现不久的PP-RCT管材，这里面XPAP由于多种原因现已很少应用，而用量较大的PE-X多用在地板采暖中，由于管材本身的性能限制，基本不用在散热器采暖上，所以在散热器（片）的采暖管材选用上本文重点分析了其它四种管材，即PP-R、PE-RT、PP-RCT和PB管材。

PP-R：

丙烯无规共聚物，含有不多于50%（质量）的其他烯烃单体（可以是多种），没有除烯烃以外的其他基团与丙烯共聚；作为PP的改进型产品，无规共聚改性聚丙烯（PP-R）材料在保持聚丙烯（PP）材料耐热性能好、抗拉伸强度高等特点的同时，也提高了材料的韧性和抗环境应力开裂、耐低温冲击等性能。

该类材料和制品质轻、节能、连接可靠性能高、安装方便等。

〔1〕

PE-RT即耐热聚乙烯，是一种采用特殊的分子设计和合成工艺生产的一种中密度聚乙烯。

它采用乙烯和辛烯共聚的方法，通过控制侧链的数量和分布得到独特的分子结构，来提高PE的耐热性。

由于辛烯短支链的存在使PE的大分子不能结晶在一个片状晶体中，而是贯穿在几个晶体中，形成了晶体之间的联结，它保留了PE的良好的柔韧性，高热传导性和惰性，同时使之耐压性更好。

PP-RCT（βPP-R）是一种带有β结晶结构的PP无规共聚物。

PP-RCT（βPP-R）管材因改变了晶体结构从而提高了耐热性和长期热稳定性，同样规格管材可提升一个压力等级使用，PP-RCT（βPP-R）由于特殊的β晶结构,使其具有刚柔相济的优良特性,低温脆性由原来的5℃提高到-5℃,韧性得到大大提高，同时该管材具有优良的长期耐热耐压性能。

〔2〕

聚丁烯（PB），以1-丁烯，2-丁烯，或异丁烯为单体或其混合物为单体聚合或共聚合制得的聚合物。

是一种线型分子结构的等规半结晶性聚烯烃热塑性塑料，结晶度一般为50-55%。

其密度处于其它热塑性如PE或PP范围之内，具有很高的耐温性，持久性、化学稳定性和可塑性，无味、无毒、无嗅的优良性能。

市场上的聚丁烯管主要是采用 1- 丁烯单体通过等规立构聚合反应而生成的聚丁烯料经挤出而成，具有耐高温，耐寒冻的特点，化学稳定性好，可塑性强，无味、无毒，有多种连接方式（热粘接式接头焊接、热螺旋式现场焊接、机械夹紧式连接），管材性能与交联聚乙烯管相似，但相对强度更高，有更高的耐蠕变性 和高温下的性能保持性，导热系数为 0.24W/m·K ，保温性能好，在长期连续工作压力下，输送水温可达95 ℃，是理想的小口径供水供暖新型管材。

对塑料管材的采暖应用上，管材的持续耐久性检测指标是重要的参考条件之一，下面是PP-R、、PE-RT、PP-RCT、PB管材各执行标准指标对照。

静液压

管材种类

168h静液压应力MPa（95℃）

1000h静液压应力MPa（95℃）

8760h静液压应力MPa（110℃）

PP-R（GB/T18742.2-2002）

3.8

3.5

1.9

PE-RT（CJ/T175-2002）

3.55

3.5

1.9

PP-RCT（DIN8078）

4.0

3.8

2.6

PB（GB/T19473.2-2004）

6.2

6.0

2.4

二、PP-R、PE-RT、PP-RCT、PB管材在供暖应用中的理论计算

塑料管材的使用寿命，受温度和应力的双重影响，其函数关系式可表示为：

Lgt=A+（B/T）×lgσ+C/T+D×lgσ（公式1）

式中：

A、B、C、D——常数（取决于不同管材，可在相应的ISO标准中查到）

t——破坏时间，即管材的使用寿命，单位为小时（h）；

T——使用温度，单位为开尔文（K）；

σ——管材的静液压应力（环应力），单位为兆帕（MPa）。

另外，计算还需要用到的公式：

σ=P·S（公式2）

P——管道所受内压，偏安全的算法，P取1.5倍工作压力。

S——管系例，管材规格的无量纲常数〔3〕

计算说明：

管材应力、温度、寿命应变蠕变特性曲线附后。

这里通过两种计算方法对比管材寿命，一种是按照长期恒温恒压条件下计算（适合冷水系统：

20℃，1MPa压力下和生活用热水系统，如宾馆建筑长期保持60℃或70℃使用），另一种按较为实际的供暖条件下计算（如各地区采暖系统）。

通过两种计算方法对比管材寿命，一种是按照长期恒温恒压条件下计算（适合冷水系统：

20℃，1MPa压力下和生活用热水系统，如宾馆建筑长期保持60℃或70℃使用），另一种按较为实际的供暖条件下计算（如各地区采暖系统）。

首先需要说明的是管材的选用系列，PP-R、PP-RCT的最小可选用S值为2，PE-RT的最小可选用S值为2.5，PB的最小可选用S值为3.2。

1、长期恒温恒压条件（管材安全系数按1.5计算）

50年持续使用（设计压力1MPa）

PP-R管材

PE-RT管材

70℃

80℃

95℃

60℃*

70℃

80℃

95℃

预测环应力σ/MPa

3.2

/3.22

2.1

/2.08

1.2

/1.12

4.4

/4.33

3.1/

3.17

2.3/

2.33

1.5/

1.46

最小S值

2.1

1.4

0.8

2.9

2.1

1.5

1.0

可选管系列

S2

无适合

无适合

S2.5

无适合

无适合

无适合

*依理论计算结果，长期恒温恒压条件下，如表所示，在70℃以上PE-RT管材无适合应用要求的管材，这里增加一个60℃条件。

50年持续使用（设计压力1MPa）

PP-RCT管材

PB管材

70℃

80℃

95℃

70℃

80℃

95℃

预测环应力σ/MPa

5.1

/5.11

4.3

/4.24

3.1

/3.15

7.5

/7.58

6

/6.1

3.5

/3.7

最小S值

3.4

2.8

2

5

4

2.3

可选管系列

S3.2

S2.5

S2

S5

S4

无适合

注：

图中预测环应力数据前者为根据各管材环应力-温度-寿命曲线采用作图法估算而得，后者根据公式

（1）计算而得，通过验算，可以验证：

管材预测静液压强度参照曲线图的未画出部分可以通过延伸得出对应数据，此数据与理论公式计算数据基本相符。

当设计压力为0.8MPa、0.6MPa、0.4MPa时可依次计算或查出各温度下的管材使用寿命。

（比如0.8MPa设计压力时，考虑安全系数1.5，PP-R或PP-RCT以最小管系列S值2计算，管环应力值最小应为2.4MPa。

在满足50年使用寿命条件下，从曲线图中可得到对应温度的预测环应力情况，此处不再赘述。

）

2、实际供暖采暖条件下的计算

供暖条件与冷水系统及宾馆热水系统不同，整个供暖季为4-5个月，最多半年，并且在整个供暖季中，水温是随室外气温变化的，各种水温出现的时间不相同，无法从蠕变曲线上找出环应力值，无法确定许用环应力，若按照最高使用温度计算环应力，不仅浪费而且很有可能找不到可用的管材。

为此，国际标准ISO10508对一般的压力冷热水管的使用条件建立了一个分级体系，对各种使用条件进行分级，将各种复杂的使用情况进行统计，归纳为5种常用的使用条件，我国的管材标准也沿用了此分级体系（然而这是欧洲国家根据自己的气候条件归纳出来的，不能完全符合我国，特别是山东省的气象条件。

为此，有研究者归纳了北京地区的使用条件，增加了5A级，但这也仅仅适合北京地区）。

这里，我们沿用国标中的使用条件分级，高温供暖采用5级条件来进行分析。

输送压力流体的热塑性塑料管材，其最大允许环应力与使用温度和管内流体的压力以及预期使用寿命有关，根据使用条件分级，每级均有3个温度，因此只有采用累积破坏的计算方法来得出许用环应力，这个方法通常称为Miner’s规则，是国际标准ISO13760-1998规定采用的方法。

计算得到50年使用寿命、5级使用条件下，PP-R管许用环应力为1.90MPa〔4〕，PE-RT管的许用环应力为2.02MPa，PB管的许用环应力为4.31MPa，PP-RCT管的许用环应力为2.92MPa〔5〕。

PP-RσD=1.90MPa

PE-RTσD=2.02MPa

设计压力

0.4

0.6

0.8

1.0

0.4

0.6

0.8

1.0

最小S值

4.8

3.2

2.4

1.9

5.0

3.3

2.5

2.0

应选管材系列

S3.2

S3.2

S2

无适合

S5

S3.2

S2.5

无适合

D/mm

壁厚/mm

壁厚/mm

16

2.2

2.2

3.3

无适合

2.0

2.2

2.7

无适合

20

2.8

2.8

4.1

2.3

2.8

3.4

25

3.5

3.5

5.1

2.8

3.5

4.2

32

4.4

4.4

6.5

3.6

4.4

5.4

PBσD=4.31MPa

PP-RCTσD=2.92MPa

设计压力

0.4

0.6

0.8

1.0

0.4

0.6

0.8

1.0

最小S值

10.9

7.2

5.4

4.3

7.3

4.8

3.6

2.9

应选管材系列

S10

S6.3

S5

S4

S5

S4

S3.2

S2.5

D/mm

壁厚/mm

壁厚/mm

16

1.3

1.3

1.5

1.8

1.4

1.8

2.2

2.7

20

1.3

1.5

1.9

2.3

1.8

2.3

2.8

3.4

25

1.3

1.9

2.3

2.8

2.3

2.8

3.5

4.2

32

1.6

2.4

2.9

3.6

2.9

3.6

4.4

5.4

从上述计算对比结果看出，常规供暖采暖环境，若按5级使用条件，设计寿命50年，1MPa压力下，PP-R及PE-RT管材已经没有可用的管系列，此条件下PP-R、PE-RT已不适用。

实际使用中，设计压力一般在这里还要考虑管材的壁厚与管径，连接需要熔接的管材，壁厚不能小于2mm。

设计常用散热器供暖管道直径一般为25mm，在此外径条件下，PB管材选用S6.3和S10的管系列不能满足要求，可以都选择S5以下的管系列。

除此之外，所有设计压力条件下所有管材壁厚都满足热熔连接使用要求。

说明一点：

上述计算分析是对5级条件下的分析结果，实际散热器供