- 用于地板輻射采暖塑料管材的類別
隨著建筑業(yè)的發(fā)展和居民對居住生活舒適度要求的提高，低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普及。目前國內(nèi)在地板輻射采暖系統(tǒng)中經(jīng)常選用的塑料管材主要有以下幾種。
PE-X： 交聯(lián)聚乙烯1
PP-B： 耐沖擊共聚聚丙烯（韓國曾經(jīng)稱之為PP-C）
PP-R:無規(guī)共聚聚丙烯
PB：聚丁烯
PE-RT: 耐高溫聚乙烯
注1：交聯(lián)聚乙烯按生產(chǎn)方式分為過氧化物交聯(lián)（PE-Xa）、硅烷交聯(lián)（PE-Xb）、電子束交聯(lián)（PE-XC）和偶氮交聯(lián)（PE-Xd）四種。其中過氧化物交聯(lián)和硅烷交聯(lián)是國內(nèi)常用的兩種交聯(lián)聚乙烯管材產(chǎn)品。
- 塑料管材原料的共性要求與其各自特點
2.1管材的原料要求
按照國家和國際的產(chǎn)品標準要求，生產(chǎn)冷熱水用塑料管材和塑料管件的原料，必須是按照GB/T18252—2000 《塑料管道系統(tǒng)用外推法對熱塑性塑料管材長期靜液壓強度的測定》中規(guī)定進行試驗而通過合格判定的管道專用料。也就是說，每個原料生產(chǎn)廠家必須按管材產(chǎn)品標準做出滿足預(yù)測強度參照曲線的蠕變破壞曲線，才能證明所銷售的原料是合格的。僅作110℃、8760小時的靜液壓狀態(tài)下熱穩(wěn)定性一個點的試驗是不能證明管材原料是否合格的。到目前為止，國內(nèi)市場銷售的熱水管原料具有符合標準的蠕變破壞曲線的廠商，PP-R僅有國際上著名的北歐化工、巴塞爾、帝斯曼等幾個廠家；PE-RT只有美國的陶氏化學(xué)具有；PB也只有殼牌公司具備。到目前為止，其它廠家的原料和PE-X、PP-B的品種均未見到符合產(chǎn)品標準的合格判定。如果不知原料產(chǎn)品是否合格，也就相當于水泥沒有確定標號一樣，使用強度不能確定。不管采用那個品種管材鋪設(shè)地暖，只有使用符合產(chǎn)品標準要求的原料，并且生產(chǎn)設(shè)備和工藝合理而生產(chǎn)出的合格管材，通過正確地設(shè)計、安裝和使用，才能可靠地保證地板輻射采暖用塑料管材使用壽命五十年。
2.2不同管材品種各自的特點：
PE-X：國內(nèi)生產(chǎn)一般采用中密度聚乙烯或高密度聚乙烯與硅烷交聯(lián)或過氧化物交聯(lián)的方法。就是在聚乙烯的線性長分子鏈之間進行化學(xué)鍵連接，形成立體網(wǎng)狀分子鏈結(jié)構(gòu)。相對一般的聚乙烯而言，提高了拉伸強度、耐熱性、抗老化性、耐應(yīng)力開裂性和尺寸穩(wěn)定性等性能。整個生產(chǎn)過程屬于化學(xué)反應(yīng)過程。該品種具有交聯(lián)劑不易分散均勻，交聯(lián)度較難控制一致和需要定時清理螺桿以防止產(chǎn)生凝膠顆粒等難點，產(chǎn)品的質(zhì)量控制難度較大，一般的小型生產(chǎn)企業(yè)難以做好。合格PE-X管材具有力學(xué)性能好、耐高溫和低溫性能好等優(yōu)點。但是，PE-X管材沒有熱塑性能，不能用熱熔焊接的方法連接和修復(fù)。
PP-B：耐低溫性能好、彎曲模量高、連接性能優(yōu)越和原料成本低。但在地板輻射采暖系統(tǒng)0.6MPa的設(shè)計壓力下需要選用S3.2系列的管材（PE-X、PP-R、PB和PE-RT等均需選S5），de20的管材壁厚為2.8mm，內(nèi)徑相對于PE-X、PP-R、PB和PE-RT品種減小1.6mm。耐熱性能相對其它產(chǎn)品而言較差。原料廠家目前還沒有做出蠕變破壞曲線。
PP-R:耐高溫性能好、力學(xué)性能好和連接性能優(yōu)越。歐洲有幾家公司的原料具有合格的蠕變破壞曲線。但耐低溫沖擊性能較差。
PB: 耐蠕變性能和力學(xué)性能優(yōu)越，幾種管材中最柔軟，相同的設(shè)計壓力下設(shè)計計算壁厚最薄。在同樣的使用條件下，相同的壁厚系列的管材，該品種的使用安全性最高。但原料價格最高，是其它品種的一倍以上，當前在國內(nèi)應(yīng)用面積較少。
PE-RT: 該原料是一種力學(xué)性能十分穩(wěn)定的中密度聚乙烯，由乙烯和辛烯的單體經(jīng)茂金屬催化共聚而成。它所特有的乙烯主鏈和辛烯短支鏈結(jié)構(gòu)，使之同時具有乙烯優(yōu)越的韌性、耐應(yīng)力開裂性能、耐低溫沖擊、杰出的長期耐水壓性能和辛烯的耐熱蠕變性能�？梢杂脽崛圻B接方法連接，遭到意外損壞也可以用管件熱熔連接修復(fù)。原料具有符合產(chǎn)品標準的蠕變破壞曲線，是聚乙烯中現(xiàn)階段唯一不需交聯(lián)就可用于熱水管的一個品種。但其加工范圍較窄，質(zhì)量控制較難。
- 產(chǎn)品的性能對比與選擇
3.1 因為采暖系統(tǒng)不是在恒溫狀態(tài)下長期使用,系統(tǒng)內(nèi)的水溫要隨著氣候的變化而升降，所以在ISO10508《冷熱水系統(tǒng)用熱塑性塑料管材和管件》標準中將塑料管的使用條件分為五個級別，地板輻射采暖屬于級別4，見表1。
表1使用條件級別
使用 級別 | 設(shè)計溫度 TD℃ | 在TD下的 時間 年 | 最高設(shè)計 溫度Tmax | 在Tmax下的 時間 年 | 故障溫度 Tmal℃ | 在Tmal下的 時間 h | 典型的應(yīng) 用領(lǐng)域 |
級別4 | 20 40 60 | 2.5 20 25 | 70℃ | 2.5 | 100 | 100 | 地板輻射采暖系統(tǒng) |
注：當TD，Tmax和Tmal超出本表所給出的值時，不適用本表。 所有取暖設(shè)備中，只能輸送水或經(jīng)處理的水作為熱的載體。 表中的年限數(shù)字是“加和”的關(guān)系，不是 “或”的關(guān)系。 | |||||||
3.2 由于在使用條件級別4條件下各個品種的設(shè)計應(yīng)力σD不同，所以在相同的設(shè)計壓力下應(yīng)選擇的管系列S值也不同，不同品種塑料管在給定設(shè)計壓力下應(yīng)選的管系列S值見表2。
表2各種塑料管材應(yīng)選管系列S值的對比
設(shè)計壓力PD | 管系列S值1 | ||||
PE-X | PP-B | PP-R | PB | PE-RT | |
0.4MPa | 6.32 | 4 | 5 | 102 | 6.32 |
0.6MPa | 6.32 | 3.2 | 5 | 82 | 5 |
0.8MPa | 5 | 2 | 4 | 6.32 | 4 |
1.0MPa | 4 | - | 3.2 | 5 | 3.2 |
注：1表中的S值是在使用條件級別4的情況下按其產(chǎn)品標準所選。 2目前實際生產(chǎn)和應(yīng)用中，一般管系列S值最大選5。 | |||||
3.3 需要驗證產(chǎn)品力學(xué)性能的質(zhì)量控制點及對比見表3。
表3各種塑料管材的力學(xué)性能對比
性能 | 品種及 產(chǎn)品標準 | 試驗參數(shù) | 實 驗 方 法 | ||
靜液壓應(yīng)力，MPa | 溫度，℃ | 實驗時間，h | |||
靜 液 壓 實 驗 | PE-X GB/T18992-2003 | 12 | 20 | 1 | GB/T6111 |
4.6 | 95 | 165 | |||
4.4 | 95 | 1000 | |||
2.5 | 110 | 8760 | |||
PP-B GB/T18742-2002 | 16 | 20 | 1 | GB/T6111 | |
3.0 | 95 | 165 | |||
2.6 | 95 | 1000 | |||
1.4 | 110 | 8760 | |||
PP-R GB/T18742-2002 | 16 | 20 | 1 | GB/T6111 | |
3.8 | 95 | 165 | |||
3.5 | 95 | 1000 | |||
1.9 | 110 | 8760 | |||
PB GB/T×××× | 15.5 | 20 | 1 | GB/T6111 | |
6.2 | 95 | 165 | |||
6.0 | 95 | 1000 | |||
2.4 | 110 | 8760 | |||
PE-RT CJ/T175-2002 | 10.0 | 20 | 1 | GB/T6111 | |
3.55 | 95 | 165 | |||
3.50 | 95 | 1000 | |||
1.9 | 110 | 8760 | |||
判定：不破裂、不滲漏。 | |||||
3.4 各個品種塑料管材的物理和機械性能對比見表4。
表4塑料管材物理和機械性能的對比
項目 | 單位 | PE-X | PP-B | PP-R | PE-RT | PB |
密度 | g/cm3 | 0.94 | 0.9 | 0.9 | 0.933 | 0.93 |
維卡軟化點 | ℃ | 123 | 150 | 135 | 122 | 113 |
導(dǎo)熱系數(shù) | W/m·K | 0.4 | 0.24 | 0.24 | 0.4 | 0.22 |
熱膨脹系數(shù) | 10－4/K | 1.8 | 1.5 | 1.5 | 1.95 | 1.3 |
拉伸屈服強度 | MPa | 16 | 27 | 24 | 16.5 | 17 |
拉伸斷裂強度 | MPa | 20 | 21 | 19 | 34 | 33 |
斷裂伸長率 | % | ＞500 | ＞630 | ＞500 | ＞800 | ＞125 |
彎曲模量 | MPa | 800 | 1100 | 810 | 550 | |
彈性模量 | MPa | 580 | 350 | |||
可焊接 | 不能 | 能 | 能 | 能 | 能 | |
連接方式 | 機械連接 | 焊接、機械 | 焊接、機械 | 焊接、機械 | 焊接、機械 |
3.5 在使用條件級別4的情況下，不同品種塑料管材的設(shè)計應(yīng)力見表5。
表5使用條件級別4情況下的設(shè)計應(yīng)力對比
品種 | PE-X | PP-B | PP-R | PE-RT | PB |
設(shè)計應(yīng)力σD，MPa | 4.00 | 1.95 | 3.30 | 3.34 | 5.46 |
根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)和管值計算公式：
σD
Scalc = ———，
PD
式中Scalc—計算管值；
σD—設(shè)計應(yīng)力，MPa；
PD—設(shè)計壓力，MPa。
可以計算出在不同的設(shè)計壓力下，各個管材品種的計算管值Scalc，再將數(shù)值向下圓整到接近的管系列S值，即可選取在設(shè)計壓力下的管系列S值。
例如，在使用條件級別4和設(shè)計壓力下0.9MPa的情況下，PE-X的計算管值Scalc為4.44，經(jīng)過圓整應(yīng)為S4。
3.6 從以上所述和各項對比可以看出，只要原料和制品兩個方面同時滿足產(chǎn)品標準要求，五個品種都能可靠地應(yīng)用在地板輻射采暖系統(tǒng)中，只是相同設(shè)計壓力下管材壁厚不同，還有施工的效率和難易程度不同。
PE-X是目前歐洲在地板輻射采暖系統(tǒng)中使用量最大的一個品種。歐洲一些國家在生產(chǎn)與應(yīng)用PE-X方面有很好的控制方法和幾十年的管理經(jīng)驗，原料選用巴斯夫、北歐化工等幾個國際上著名的化工公司的產(chǎn)品，設(shè)備根據(jù)所選用廠家的原料的特點而設(shè)計。但是，值得注意的是目前國內(nèi)外的原料生產(chǎn)廠商還沒有進行產(chǎn)品的合格驗證，原料價格相差較大，國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家對原料的隨意選用，使得產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，該品種在選擇低價位產(chǎn)品的應(yīng)用方面存在著一定風險。
PP-B在韓國的壁掛式加熱爐地板輻射采暖系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍，因其系統(tǒng)的壓力較低，0.3MPa時僅需要設(shè)計管系列S6.3的管材，一般都選擇管系列S5的管材，所以在韓國國內(nèi)的使用過程中不易出現(xiàn)問題。目前該品種的原料也沒有通過合格驗證的生產(chǎn)廠家，其設(shè)計應(yīng)力在五個品種中最低，彎曲模量卻最高，鋪設(shè)難度也相對較大。不適合使用壓力較高的地板輻射采暖用管等熱水管道，但該品種卻是理想的冷水用管。
PP-R、PB和PE-RT這三個品種都有不同的廠家具有符合產(chǎn)品標準的蠕變破壞曲線，這是熱水管材能夠可靠使用五十年的基本前提。
PP-R是目前生活熱水用管與散熱器系統(tǒng)用管的一個理想產(chǎn)品。由于其耐低溫沖擊性能和柔性較差，使得在地板輻射采暖用管方面應(yīng)用較少，鋪設(shè)時需要在管材中流通熱水。但用于地板輻射采暖主管道和其它熱水管道在系統(tǒng)可靠性和使用壽命方面，產(chǎn)品質(zhì)量合格的管材是非常優(yōu)越的。
PB是目前塑料熱水管中在相同使用條件下設(shè)計應(yīng)力最大的一個品種。比如在地板輻射采暖的使用條件下，0.6MPa系統(tǒng)壓力計算管系列的值應(yīng)該選擇S8，de20的壁厚數(shù)值才1.3mm，但因系統(tǒng)的連接要求與施工中劃傷損害等問題，實際生產(chǎn)和選用中一般為S5系列。由此可以看出，PB管材的使用壽命相對同S系列其它塑料管材而言，要過剩的多。該產(chǎn)品是當前幾種用于熱水的塑料管中價格最貴和可靠性最高的品種。
PE-RT品種在0.6MPa設(shè)計壓力下使用時應(yīng)選擇管系列S5,在實際應(yīng)用中與PE-X、PP-R和PB相同。它具有可以熱熔連接、原料性能穩(wěn)定可靠和柔韌性好等優(yōu)點，該產(chǎn)品的彎曲模量數(shù)值不到PE-X的70%。PE-RT塑料管為地板輻射采暖領(lǐng)域所選用管材增加了一個新品種，其綜合的優(yōu)良特性使之在地板輻射采暖領(lǐng)域中具有一定的競爭力。
- PE-RT的發(fā)展趨勢
PE-RT原料不但具有合格的蠕變破壞曲線，而且其管材價格適中，在地板輻射采暖系統(tǒng)的施工時，相對PE-X、PP-B、PP-R而言方便快捷。連接型式屬于現(xiàn)階段最可靠的相同材質(zhì)的管材與管件本體互熔的熱熔連接方式，管件部位的孔徑大于相同規(guī)格管材的內(nèi)徑。在系統(tǒng)中因為沒有局部縮徑的機械聯(lián)接方式，所以系統(tǒng)流體阻力相對較小。
因為PE-RT管材在現(xiàn)階段作為熱水管使用所具有的優(yōu)勢，所以國際標準化組織（ISO）在只有一家公司生產(chǎn)該產(chǎn)品的情況下，也將其產(chǎn)品原料的預(yù)期強度要求作為制定國際標準而立項，其標準號為ISO/AWI24033，國際標準的英文名稱為Polyethylene of raised temperature resistance (PE-RT) pipes — Effect of time and temperature on the expected strength。從這一點上也充分說明了PE-RT作為管道產(chǎn)品在國際上是很受重視和具有發(fā)展前途的。
- 塑料熱水管的系統(tǒng)適應(yīng)性
塑料管道熱熔連接方法的系統(tǒng)適應(yīng)性試驗只需做耐內(nèi)壓試驗和熱循環(huán)試驗兩項，而機械連接方法的塑料管道則需要做耐內(nèi)壓試驗、熱循環(huán)試驗、彎曲試驗、耐拉拔試驗、循環(huán)壓力沖擊試驗和真空試驗的六項試驗。由此看出塑料管道的熱熔連接方法在滿足管道系統(tǒng)要求方面要優(yōu)于機械連接。另一方面，S5系列de20的管材熱熔連接時的連接部位管件最小內(nèi)徑為20mm，機械連接時的連接部位最小內(nèi)徑為9mm，由此看出，機械連接的連接部位的流體局部阻力要大于熱熔連接，并且容易造成堵塞。
在地面下鋪設(shè)的塑料管，運行中不可避免地會出現(xiàn)因施工損傷、裝修過程中損壞等情況造成的滲漏現(xiàn)象，用熱熔連接的方法修復(fù)可以保證修復(fù)點的壽命與整個系統(tǒng)壽命同步，用機械連接的方法就不容易做到這一點。
在熱水塑料管道系統(tǒng)中，使用溫度連續(xù)超過設(shè)計溫度10℃，相同使用壓力下，使用壽命縮短2.5倍；反之，使用溫度低于設(shè)計溫度10℃，相同使用壓力下，使用壽命延長2.5倍。另外，使用壓力超出設(shè)計壓力時對塑料管的損害更大。所以采暖管道系統(tǒng)運行過程中，要盡量避免在超過設(shè)計溫度和設(shè)計壓力狀態(tài)下運行。
參考文獻
孫遜. 聚烯烴管道. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002
