暖通空调常见问题和若干新技术的合理应用(15-20)

十五、塑料类管材及其正确应用※塑料管和输送热介质的塑料管种类※塑料管应进行强度验算※塑料管的选择计算（确定S系列或壁厚e）※塑料管的许用设计应力※关于最小管壁厚度※塑料类管材的设计选用程序※关于铝塑复合管※各种塑料管的比较①塑料管和输送热介质的塑料管种类建筑用塑料类管材PVC聚氯乙烯管PVC--C聚氯乙烯耐热管★PE聚乙烯管LDPE低密度聚乙烯管MDPE中密度聚乙烯管HDPE高密度聚乙烯管PE-X交联聚乙烯管★PE-RT非交联热塑性聚乙烯管★PAP铝塑复合管XPAP交联铝塑复合管★PP聚丙烯管PP-H均聚聚丙烯管（耐压较高，但易低温脆化）4级σ＝2.90Mpa，20℃/50年σ＝6.25Mpa。PP-B嵌段共聚聚丙烯管（耐压低于PP-H）4级σ＝1.67MPa，20℃/50年σ＝6.21Mpa。PP-R无规共聚聚丙烯管★4级σ＝3.3MPa，20℃/50年σ＝6.93Mpa。（PP-C管，接近并略优于PP-B管）PB聚丁烯管★适合于输送热介质的塑料管及其正确命名PVC-C聚氯乙烯耐热管PE-X交联聚乙烯管★PE-RT非交联热塑性聚乙烯管PP-R无规共聚聚丙烯管★PB聚丁烯管★XPAP交联铝塑复合管★（PP-R或PERT铝塑复合管）★铝塑复合管的种类日益繁多，到目前为止，搭接焊式大致有PAP-聚乙烯或无规共聚聚丙烯/铝/聚乙烯或无规共聚聚丙烯（铝塑复合管），XPAP-交联聚乙烯/铝合金/交联聚乙烯（交联铝塑复合管）；对接焊式有：PAP1-聚乙烯/铝/交联聚乙烯（一型铝塑管），XPAP2-交联聚乙烯/铝/交联聚乙烯（二型铝塑管），PAP3-聚乙烯/铝/聚乙烯（三型铝塑管），PAP4-聚乙烯/铝/聚乙烯（四型铝塑管-可用于输送燃气等气体），RPAP5-耐热聚乙烯/铝/耐热聚乙烯（五型铝塑管）。尽管各种铝塑复合管均称长期工作温度可以达到60℃或以上，但是，由于长期工作温度这个概念比较模糊，仍然只有采用交联聚乙烯（PE-X）塑料、无规共聚聚丙烯（PP-R）塑料和非交联耐热聚乙烯（PE-RT）塑料的铝塑复合管，才可以用于输送热介质。②采用塑料管应进行强度验算无论是金属管材还是塑料类管材，在内压作用下,管壁任意一点将产生三个方向的应力,即:轴向应力、径向应力和环向应力,其中环向应力最大，因此应按最不利条件的环向应力进行分析。管壁厚、管径、承受压力和环向应力之间的关系,可用下式表示:eDP2上式中:σ管材环向应力(MPa)D管径(mm)P管内压力(MPa)e管壁厚(mm)管材的许用设计应力σD，应该不小于管材环向应力,即:σD≥σ。上式说明:1.应力σ与管内压力P成正比,即许用应力越大可承压越大;反之,压力越大要求许用应力越大。2.应力σ与管径D成成正比,即许用应力越大对应的管径越大;反之,管径越大要求许用应力越大。3.应力σ与管壁厚e成反比,即许用环向应力越大对应的管壁厚越小;反之,管壁厚越小要求许用应力越大。用以确定管壁厚度,可转换成以下形式:DDPe2金属管道的使用寿命主要取决于腐蚀速度，使用温度对许用应力影响不大。例如：10号钢的钢管许用应力,在较大的温度幅度范围内变化不大，温度≤100℃时为110.85MPa;温度＝150℃时为109.87MPa;温度＝200℃时为103.99MPa。但钢管等金属管道，要考虑焊缝因素和腐蚀裕量,公式成为:CDPeD2暖通空调工程中习惯使用钢管，使用温度对许用设计应力影响不大。如近似取许用设计应力为100MPa，直径为200mm的钢管，工作压力为1.0MPa时，理论计算管壁厚度仅需1mm。暖通空调系统工作压力一般很少超过1.0MPa，可见钢管的管壁厚度，主要不是满足承受应力，而是满足腐蚀因素的需要。因此，除在特殊高压条件下应用以外，一般无需进行强度验算。塑料管同金属管道力学特性的主要区别，是应力的变化规律不同。温度作用对塑料类管材许用应力σ的影响极大。使用寿命主要取决于不同使用温度对管材的累积破坏作用,概略说,温度每提高10℃,使用寿命约缩短2.5倍,热作用使环应力逐步下降即发生管材的蠕变,以至不能满足使用压力而破坏。（可见下图）从PB管在不同温度下的等应变蠕变特性曲线可见:许用应力都会随时间的推移而下降，特别是随作用温度的升高而急剧下降。显然，应按使用温度确定许用应力，据以计算所需壁厚。因此，《采暖通风与空气调节设计规范》3.4.11条(强制性条文)规定：“地板辐射采暖加热管的材质和壁厚，应按工程要求的使用寿命、累计使用时间以及系统的运行水温、工作压力等条件确定。”③塑料管计算（确定S系列或壁厚e）塑料管不需要考虑焊缝因素和腐蚀裕量,故仍采用下式确定所需壁厚：DDPe2强度计算用的管径D,对于钢管是指内径,而对于塑料管,是指中径,即DZ,DZ＝D－e,故应写作:DZDPe2塑料管强度计算，也常用下列形式:eeDPD2等式中的第一项,是管材环应力与承压的比值,第二项只与管道尺寸有关。如果令其值为S,那么,S既是管材的尺寸系列,又可以在许用应力和系统工作压力既定的条件下,便捷地计算和确定应该选用的S系列,或得知不同管外径所需要的对应壁厚。塑料类管道的Ｓ值,是直径对壁厚的比值，由此可见：在管材许用应力确定后，Ｓ值越小承压越高。塑料类管道划分为2，2.5,3.2,4.0,5.0,6.3,8.0和10共8个系列，其中2和10两种系列一般无产品。塑料管常用范围的尺寸系列公称外径De/mm公称壁厚en/mmS8S6.3S5S4S3.2S2.5161.31.31.51.82.22.7201.31.51.92.32.83.4251.51.92.32.83.54.2321.92.42.93.64.45.4eeDSSDR12欧洲还有一种塑料类管道划分系列的方法，即所谓标准尺寸比SDR。④塑料管的许用设计应力管材在全部使用期内,不可能始终是在同一温度作用条件下,必然存在不同温度的时间分布。例如:供暖系统管材在非供暖期内温度会近似于室温,即使在供暖期内也会因质调节而受不同温度作用。显然,各种塑料管对应于不同温度的等应变蠕变特性曲线，不能直接作为设计选用的依据，需要先按不同使用条件的温度作用频率，确定使用条件分级。按照国际标准ISO/10508:1995推荐的方法,对总设计使用周期为50年,奥、德、法地区典型使用条件的不同管材,统一划分了使用条件分级。根据各使用条件分级不同温度的综合热作用，可按ISO13760的Miner,s规则,计算出各种塑料管确保50年使用寿命的许用应力。使用条件等级正常操作温度最大操作温度异常温度典型应用范围(举例)℃时间(Y)℃时间(Y)℃时间(h)应力安全系数1.51.31.01604980195100供60℃热水2704980195100供70℃热水440602020252.5702.5100100地板辐射供热560802025101490110010085/60℃散热器供暖使用条件分级不是硬性规定,是按特定地区气候和典型使用条件计算所得的推荐性标准,因此应按实际要求的使用寿命年限,并根据使用情况,分析使用寿命年限内不同温度的频率，合理确定使用条件分级。例如:北京地区一般低温热水地板辐射供暖工程,如按上述标准的4级选用管材和确定管壁厚,即在共50年的总使用周期中,运行温度20℃共历时2.5年,40℃共历时20年,60℃共历时25年,70℃共历时2.5年,100℃的意外运行条件不超过共100小时，显然是十分安全可靠的。管材的许用设计应力D(MPa)使用条件分级124520℃PB5.185.045.464.3110.92PE-X3.853.544.003.247.60NFβPP-R3.633.403.672.928.20PP-R3.092.133.301.906.93PE-RT管3.062.153.342.027.36⑤关于最小管壁厚度北京市标准《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》（DBJ/T01-49-2000）的附录H有如下提示：考虑到管材生产和施工过程可能产生的缺陷，各类管材壁厚均不宜＜1.7mm。北京市试用图集《新建集中供暖住宅分户热计量设计和施工试用图集》的C17-18有如下提示：考虑到管材生产和施工过程可能产生的缺陷，采用壁厚均不宜小于2.0mm。国家行业标准《地面辐射供暖技术规程》（JGJ142—2004）附录B.1.4有如下提示：考虑施工及使用中的一些不利因素，为安全起见，塑料管材壁厚应适当加厚，可参照德国标准DIN4726关于热水地面供暖用塑料管材的基本要求：对于管径≥15mm的管材壁厚不应小于2.0mm，对于管径≤15mm的管材壁厚不应小于1.8mm；需进行热熔焊接的管材，其壁厚不得小于1.9mm。⑥采用塑料管的设计选用程序1根据建设单位的意向初选管材。2根据系统情况确定“使用条件分级”。3得到所选管材的“许用应力”。4根据所在部位的工作压力和许用应力，计算确定管材的S系列或最小壁厚。5工程条件对最小壁厚的限制。6计算壁厚过大时是否需要改选其他管材。⑦关于铝塑复合管铝塑复合管的定义是：以焊接（搭接焊或对接焊）铝管为中间层，内外层均为塑料，通过挤出成型复合成一体的管材。铝塑复合管是由塑料和铝材两种杨氏模量相差很大的材料组成的多层管，在承受内压时，厚度方向的管环向应力分布是不等值的，无法考虑各种使用温度的累积作用，而且，每一种管径只有一个壁厚，因此不能用S值来选用管材或确定管材的壁厚。铝塑复合管的选用，大致有两种方法：1）根据生产厂家提供的长期工作温度和允许工作压力直接选择不同类别的铝塑管以及不同管径的单一壁厚；2）近似根据相应单一塑料材料的许用设计应力,仍用S值来确定壁厚,并与不同管径铝塑复合管的单一壁厚作比较,以确定是否可以满足要求。以此方法选用为稳妥。交联铝塑复合管(XPAP)只有对应于管径的一种壁厚：1014，1216，1620，2025，2632，3240，4150，5163，6075。可根据其壁厚，判断其能否满足工程要求。⑧各种塑料管的比较(1)按许用应力排序。(2)按市场价格排列。(3)有效质量控制。(4)再生和热熔连接。(5)管材的氧渗透。(6)管材的纵向线膨胀。(7)耐低温性能。1）按照许用设计应力排序。在相同的条件下,各类管材的许用设计应力大致为以下排列顺序:聚丁烯管,交联聚乙烯管,无规共聚聚丙烯管、非交联耐热聚乙烯管。铝塑复合管没有许用设计应力数值，如果按照交联铝塑复合（XPAP）管长期工作温度82℃的允许工作压力0.86MPa推算，公称外径20mm的管道许用设计应力约为4.30MPa，公称外径25mm的约为4.30MPa，公称外径32mm的约为4.58MPa，大体与聚丁烯管相近。2）按市场价格的高低排列,大体上也是上述顺序。许用设计应力较低的管材具有价格方面的优势。工程应用中，并非一定要选用许用设计应力高的管材。例如，散热器系统的热源为户式燃气热水炉时，工作压力不会超过0.3MPa，如采用聚丁烯管，S=σD/p=4.31MPa/0.3MPa=14.37，按照强度计算可以采用S8系列；如果采用无规共聚聚丙烯管，S=σD/p=1.90MPa/0.3MPa=6.33，按照强度计算可以采用S6.3系列。但根据最小壁厚要求，管材宜优于S5系列。价格较高的聚丁烯管就显得大材小用了。3）有效质量控制。据塑料工业业内人士分析,聚丁烯管、无规共聚聚丙烯管、非交联耐热聚乙烯管主要通过原料的成份和品质实现较可靠的质量控制。而交联聚乙烯管和交联铝塑复合管,除原料成份和品质外,其交联工艺对质量控制也至关重要,正是交联工艺这一重要环节,使许多该类管材的质量失控。4)聚丁烯、无规共聚聚丙烯、非交联耐热聚乙烯的施工剩余材料，可以再生利用,对环保有利。这几种管材还可采用热熔连接工艺,不但可以节省昂贵的连接配件，而且可以在特定条件下使用。5)氧渗透问题。系统采用钢制散热器等易腐蚀构件时,聚丁烯管、交联聚乙烯管、无规共聚聚丙烯管和非交联耐热聚乙烯管宜有阻氧层,以有效防止渗入氧而加速对系统和散热器的氧化腐蚀。铝塑复合管中间层为增强铝管