董歲具 孫偉麗 楊泉

（1.鄭州市熱力總公司，河南 鄭州 450006；2.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，河南 鄭州 450044）

PE-RTⅡ型耐熱聚乙烯保溫復(fù)合塑料管的設(shè)計應(yīng)用

董歲具1孫偉麗2楊泉1

（1.鄭州市熱力總公司，河南 鄭州 450006；2.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，河南 鄭州 450044）

本文以某小區(qū)供暖改造工程項目為例，通過介紹PE-RTⅡ型管道材料性能及使用條件，整理管道規(guī)格的選取方法，匯總塑料管道設(shè)計計算公式，提出管道安裝中連接時的注意事項，總結(jié)PE-RTⅡ型耐熱聚乙烯保溫復(fù)合塑料管在低溫?zé)崴┡芫W(wǎng)工程設(shè)計中的選型過程和計算方法。

保溫復(fù)合塑料管；PE-RTⅡ型塑料管；直埋敷設(shè)；設(shè)計應(yīng)用

集中供暖由于能源綜合利用率高，是目前我國北方地區(qū)較普遍的供暖方式。小區(qū)內(nèi)供暖二極管網(wǎng)普遍使用埋地鋼質(zhì)管道，在使用中頻頻出現(xiàn)由于接頭腐蝕產(chǎn)生泄漏和損壞、腐蝕和銹蝕產(chǎn)生銹渣污染水質(zhì)，并堵塞儀表閥門等部件，出現(xiàn)了管網(wǎng)使用壽命短、供暖熱計量無法真正實現(xiàn)等問題。為解決目前存在的問題，國家建設(shè)主管部門把耐熱性能好的PE-RTⅡ型塑料管道引入供暖行業(yè)，用于集中供暖的二極管網(wǎng)。

由于PE-RTⅡ型耐熱聚乙烯保溫復(fù)合塑料管是近兩年國內(nèi)剛推出的新型管材，目前該管材的設(shè)計應(yīng)用還不是很多，本文以鄭州市某小區(qū)供暖改造工程為例，從管材性能分析和關(guān)鍵參數(shù)選取、管道選型和作用力計算方法、安裝連接注意事項等角度，歸納整理PE-RTⅡ型耐熱聚乙烯保溫復(fù)合塑料管的設(shè)計應(yīng)用。

本項目為鄭州市20世紀(jì)80年代建成的多層住宅小區(qū)，建筑最高樓層為7層，建筑高度最大為21m，總建筑面積5.4萬m2，最大供熱半徑約為200m。項目采用熱水供暖系統(tǒng)，熱源為由小區(qū)內(nèi)熱力站，設(shè)計熱負(fù)荷3 240kW，設(shè)計供回水溫度為70/50℃，二極管網(wǎng)設(shè)計壓力0.6MPa，采用直埋敷設(shè)。根據(jù)室外氣溫情況，在滿足典型測點房間室溫不低于標(biāo)準(zhǔn)值的要求下，二極管網(wǎng)采用質(zhì)-量并調(diào)的調(diào)節(jié)運行方式。

1 管道材料性能

1.1 管道設(shè)計使用壽命和設(shè)計應(yīng)力

PE-RTⅡ型保溫復(fù)合塑料管道作為一種新型耐熱聚乙烯管道，具有耐腐蝕性，使用壽命長的特點［1］。國家標(biāo)準(zhǔn)《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強(qiáng)度》（GB/T18252-2008）中規(guī)定，對于PE-RTⅡ型耐熱聚乙烯工作管，當(dāng)40℃≤ΔT＜50℃時，外推時間因子ke為50，即可推出保溫復(fù)合塑料管材在70℃下應(yīng)用的外推時間極限可達(dá)50a?？紤]到供暖系統(tǒng)不是常年連續(xù)運行，PE-RTⅡ型保溫復(fù)合塑料管道在70℃下的供暖系統(tǒng)使用壽命可以超過50a。

PE-RTⅡ型工作管及管件的設(shè)計應(yīng)力是選用管道規(guī)格的重要基礎(chǔ)參數(shù)，該值與具體的溫度、時間條件緊密相關(guān)，至于工程中低溫?zé)崴┡到y(tǒng)的選用，有兩種方法。

第一種，在《冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統(tǒng)》（GB/T28799）中按照使用條件級別查取使用。標(biāo)準(zhǔn)中對于熱水供暖系統(tǒng)有兩種使用條件級別，即地板下供熱和低溫暖氣、較高溫暖氣，對應(yīng)的設(shè)計應(yīng)力值分別為3.60MPa和3.16MPa。地板下供熱和低溫暖氣級別對應(yīng)的設(shè)計溫度為60℃時使用時間25a，設(shè)計溫度為40℃時使用時間20a，設(shè)計溫度為20℃時使用時間2.5a，最高溫度70℃時使用時間2.5a，故障溫度100℃時使用時間100h。對比本工程70/50℃的設(shè)計供回水溫度和管網(wǎng)運行條件，按照地板下供熱和低溫暖氣級別選取設(shè)計應(yīng)3.60MPa可以滿足工程要求。經(jīng)分析，該標(biāo)準(zhǔn)中推薦的兩種級別的溫度和時間使用條件情況更加趨近于嚴(yán)寒地區(qū)的管網(wǎng)運行條件，對于鄭州市來說，溫度和時間使用條件情況與嚴(yán)寒地區(qū)的有所不同，直接選用該取值雖可以滿足工程要求，但是較為保守。

第二種，可以依據(jù)管網(wǎng)運行條件和當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)情況，自行確定使用條件，根據(jù)《冷熱水系統(tǒng)用熱塑性塑料管材和管件》（GB/T18991）中Miner's規(guī)則可以計算相應(yīng)條件下的設(shè)計應(yīng)力。依據(jù)鄭州市的供暖運行情況，本工程溫度和時間條件設(shè)計溫度為60℃下時使用時間10a，40℃時使用時間25a，冷態(tài)溫度20℃時使用時間14a，最高溫度75℃時使用時間1a，故障溫度95℃時使用時間100h。計算過程中，設(shè)計系數(shù)取值情況為：設(shè)計溫度對應(yīng)取1.5，最高溫度對應(yīng)取1.3，故障溫度對應(yīng)取1.0，冷態(tài)溫度對應(yīng)取1.25。設(shè)計應(yīng)力計算結(jié)果為4.02MPa，本工程PE-RTⅡ型工作管管材的設(shè)計應(yīng)力也可以取值為4.02MPa。

1.2 管材耐溫耐壓性能

根據(jù)管材的預(yù)測靜液壓強(qiáng)度參照曲線，按照曲線中參數(shù)，管材在一定的試驗溫度下，管材在不被破壞時間內(nèi)對應(yīng)的靜液壓強(qiáng)度（環(huán)應(yīng)力）值，從而可知管材的耐溫性能與設(shè)計應(yīng)力的使用時間直接相關(guān)。按照管道設(shè)計使用壽命和設(shè)計應(yīng)力的有關(guān)數(shù)據(jù)可知，PE-RTⅡ型保溫復(fù)合塑料管道在70℃時的供暖系統(tǒng)使用壽命可以超過50a。當(dāng)供暖系統(tǒng)的設(shè)計溫度高于70℃且管網(wǎng)運行情況比標(biāo)準(zhǔn)中推薦的使用條件要求高時，需要驗算管材的耐溫性能是否可以滿足工程要求。工程設(shè)計中，可以在設(shè)計壽命為50a的設(shè)定條件下，根據(jù)工程的設(shè)計溫度和管網(wǎng)運行條件，確定管道壽命周期內(nèi)溫度的時間分布情況，按照Min? er's規(guī)則，計算管材的設(shè)計應(yīng)力，再依據(jù)工程設(shè)計壓力，校核設(shè)計應(yīng)力取值是否可以滿足工程選用管道規(guī)格的需要，進(jìn)而確定管材的耐溫性能是否滿足要求。PE-RTⅡ型工作管可以滿足國內(nèi)常用的低溫?zé)崴崞鳎ㄔO(shè)計供水溫不超過85℃）供暖系統(tǒng)的溫度要求。

管材的最大允許工作壓力可按公式（1）計算：

式1中：P為最大允許工作壓力，MPa；σD為對應(yīng)級別下的設(shè)計應(yīng)力MPa；dn為公稱外徑，mm；en為公稱壁厚，mm。

對于本工程，管道系列按照常用S5和S6.3系列選取情況下，計算的最大允許工作壓力分別為0.80MPa和0.630MPa，設(shè)計壓力0.6MPa小于最大允許工作壓力，滿足要求。

1.3 線性膨脹、彈性模量特性

耐熱聚乙烯PE-RT II型材料的線性熱膨脹系數(shù)為1.2×10－4m/mK，而常用的材質(zhì)為Q235-B的鋼管的線性熱膨脹系數(shù)為1.2×10－5m/mK，PE-RT II型的線性熱膨脹系數(shù)是鋼管的10倍左右。

根據(jù)資料，不同計算溫度下PE-RTⅡ型管材的彈性模量值如下：20℃時為850MPa，60℃時為330MPa，80℃時為160MPa。而鋼管的彈性模量為206 000MPa，是PERT II材料的200多倍，而且PE-RT II的彈性模量還會隨著溫度升高而減少。

因此，相同的應(yīng)用條件下，塑料管的膨脹力一般不到鋼管的1/50。鋼管是100%彈性的材料，和傳統(tǒng)的金屬材料不同，PE-RTⅡ型材料是一種粘彈性材料，粘彈性材料具有彈性和粘性的雙重特性。塑料管和鋼管的另一個區(qū)別體現(xiàn)在熱脹冷縮特性上，塑料管的膨脹量很大，但是膨脹力很?。欢摴芟喾?，膨脹量很小，膨脹力很大。

2 工作管和外護(hù)管的規(guī)格及選取

2.1 PE-RTⅡ型保溫復(fù)合塑料管工作管的管道規(guī)格尺寸

PE-RTⅡ型工作管及管件的管系列（S）應(yīng)根據(jù)管道在相應(yīng)使用條件下的設(shè)計應(yīng)力和管道系統(tǒng)設(shè)計壓力來計算。S值可按公式（2）計算，按照管系列分級規(guī)則向下圓整。

式2中：S為管系列；σD為設(shè)計應(yīng)力，MPa；P為系統(tǒng)設(shè)計壓力，MPa。

針對本工程，系統(tǒng)設(shè)計壓力為0.6MPa，設(shè)計應(yīng)力按照查取的3.60MPa，計算結(jié)果為6，管系列選取為S5；設(shè)計應(yīng)力按照核算的4.02MPa，計算結(jié)果為6.6，管系列可選取為S6.3。由此可見，根據(jù)情況核算設(shè)計應(yīng)力值，可以更好地選取管道規(guī)格，在滿足技術(shù)要求的前提下節(jié)省工程投資。

2.2 外護(hù)管的規(guī)格尺寸

外護(hù)管的工程外徑應(yīng)根據(jù)設(shè)計溫度參數(shù)按照規(guī)范計算不同管徑工作管的保溫厚度，依據(jù)工作管管徑和計算確定的保溫厚度，選取外護(hù)管的公稱外徑，然后查外護(hù)管公稱直徑和最小壁厚表（見表1），根據(jù)外護(hù)管公稱直徑和最小壁厚可以選取高密度聚乙烯外護(hù)管的規(guī)格尺寸。

表1 外護(hù)管公稱直徑和最小壁厚

3 管道應(yīng)力計算與作用力計算

本工程采用無補償直埋敷設(shè)，復(fù)合塑料保溫管道的應(yīng)力驗算按照《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求，應(yīng)采用應(yīng)力分類法。供熱介質(zhì)參數(shù)和安裝溫度應(yīng)符合下列規(guī)定：①熱水管網(wǎng)供、回水管道的計算壓力應(yīng)采用循環(huán)水泵最高出口壓力加上循環(huán)水泵與管道最低點地高差產(chǎn)生的靜水壓力；②管道工作循環(huán)最高工作壓力，應(yīng)采用室外采暖計算溫度下的熱網(wǎng)計算供水溫度；管道工作循環(huán)最低溫度，對于全年運行的管網(wǎng)溫度設(shè)計應(yīng)為30℃，對于只在采暖期運行的管網(wǎng)溫度設(shè)計應(yīng)為10℃；③計算安裝溫度取安裝時當(dāng)?shù)氐淖畹蜏囟取?/p>

復(fù)合塑料保溫管道如采用固定安裝，錨固安裝的應(yīng)力計算應(yīng)考慮保溫復(fù)合塑料管道的自由膨脹力大小。單位長度塑料管道自由膨脹力應(yīng)按公式（3）計算。

式3中：F為軸線方向每米管道的自由膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，kN；E為工作溫度下PE-RTⅡ的彈性模量，MPa；A為管道截面積，m2；λ為材料的線型膨脹系數(shù)，一般取1.2×10-4m/（m·K）；ΔT為安裝時溫度和最高工作溫度的溫度差，K。

由公式（3）可知，管道的自由膨脹力與溫差、管道的截面面積、管道材料的線性膨脹系數(shù)以及管道材料的彈性模量有關(guān)。彈性模量越大，膨脹力越大，管道的截面面積越大，膨脹力越大。工程設(shè)計中，考慮到運行時的最不利情況，PE-RTⅡ型管材的彈性模量一般按照20℃時850MPa取值較為合理。

4 管道安裝與連接注意事項

①工作管公稱外徑小于90mm時，宜采用電熔管件進(jìn)行連接；工作管公稱外徑大于等于90mm時，應(yīng)采用熱熔對接連接或電熔承插焊接。

②管材、管件連接必須根據(jù)不同連接形式選用專用的連接工具。焊接機(jī)具應(yīng)由管材、管件供應(yīng)商予以確認(rèn)。

③應(yīng)采用相同牌號材料生產(chǎn)的管材和管件進(jìn)行電熔焊接連接和熱熔對接連接，當(dāng)無法避免時應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定。

④復(fù)合塑料保溫管道工作內(nèi)管與金屬管道或閥門、流量計、壓力表等管道配件的連接可采用法蘭連接。

5 結(jié)論

①PE-RTⅡ型復(fù)合塑料保溫管的設(shè)計使用壽命為50a，對于設(shè)計供水溫度不超過70℃的低溫?zé)崴┡芫W(wǎng)系統(tǒng)，考慮到不是常年連續(xù)運行，設(shè)計使用壽命可以超過50a，使用壽命方面優(yōu)于目前常用的鋼質(zhì)管道。

②設(shè)計應(yīng)力的取值關(guān)系管道規(guī)格的選用，進(jìn)而影響工程投資，設(shè)計時宜根據(jù)工程的設(shè)計參數(shù)和管網(wǎng)運行條件，計算確定管道的設(shè)計應(yīng)力值。

③PE-RTⅡ型復(fù)合塑料保溫管的工作管，產(chǎn)品中有固定的管系列分級，相應(yīng)系列的公稱直徑對應(yīng)固定的公稱壁厚，管道規(guī)格的選取應(yīng)先根據(jù)設(shè)計應(yīng)力和系統(tǒng)設(shè)計壓力確定管系列，再根據(jù)水力計算在管系列中選用管道規(guī)格。

④設(shè)計文件中要明確管道連接方式和安裝要求，確保管道接頭的嚴(yán)密性和可靠性。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GJJ/T81-2013.城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版，2013.

The Design and Application of PE-RTⅡHeat Resistant Polyethylene Thermal Insulation Compound Plastic Pipe

Dong Suiju1Sun Weili2Yang Quan1
（1.Zhengzhou Heating General Corporation，Zhengzhou Henan 450006；2.Henan Province Urban and Rural Planning and Design Research Institute Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450044）

In this paper,with an actual example of a heating reconstruction project,the performance and operating conditions of PE-RT type pipe material were introduced,the selection of the pipe size and the formula for design and calculation of plastic pipe were collected.It obtained that the attentions of connection mode of pipingsysteminstalla?tion.The selection process and calculation method of PE-RT type heat resistant polyethylene composite pipe that used in low temperature hot water heating pipe network were summarized.

insulation composite plastic pipe；PE-RTⅡtype plastic pipe；directly buried installation；design andap?plication

TU995

A

1003-5168（2017）08-0054-03

2017-07-03

董歲具（1981-），男，本科，工程師，研究方向：供熱工程。