胡 法，張明志，孫 晉，李玉娥，者東梅

(1.中國石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京 100013；2. 浙江偉星新型建材股份有限公司，浙江 臺州 317000)

0 前言

供熱管網(wǎng)作為社會的“生命線工程”，關(guān)系著人們的生產(chǎn)和生活。供熱管網(wǎng)用管道一般采用保溫復(fù)合管，其中工作管以鋼管為主，輸送過程熱損失較大，且存在“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，造成大量能源浪費，影響城鎮(zhèn)的供熱保障能力和服務(wù)質(zhì)量。近年來，以塑料管為工作管的保溫塑料復(fù)合管發(fā)展迅速，具有顯著的節(jié)能、耐腐蝕效果，符合當(dāng)前國家節(jié)能減排的國策[1-2]，在集中供熱、化工流體輸送、溫泉公寓、中央空調(diào)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[3-4]，典型的保溫鋼管和保溫塑料復(fù)合管如圖1所示。

圖1 典型的保溫鋼管和保溫塑料復(fù)合管Fig.1 Typical insulating steel pipes and insulating plastic composite pipes

本文著重從性能優(yōu)勢、結(jié)構(gòu)與分類，標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等方面介紹了保溫塑料復(fù)合管的現(xiàn)狀。通過外護管、保溫層、工作管及整管4個方面介紹了保溫塑料復(fù)合管的技術(shù)要求，并分析了軸向剪切強度、耐環(huán)境應(yīng)力開裂、柔韌性和保溫層性能等核心評價方法。

1 保溫塑料復(fù)合管的現(xiàn)狀

歐洲自1982年，在集中供熱二次管網(wǎng)中逐步應(yīng)用預(yù)制直埋保溫塑料復(fù)合管，較為典型的案例是1987年奧地利Lichetenegg的集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)[5]。在保溫塑料復(fù)合管發(fā)展的同時，也逐步建立起了較為完善的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系[6]。目前，保溫塑料復(fù)合管已在歐洲大部分地區(qū)得到推廣，全球有40多個國家得到應(yīng)用。

我國保溫塑料復(fù)合管在供熱管網(wǎng)中應(yīng)用較晚，性能評價方法和標(biāo)準(zhǔn)也有待完善。隨著國家大力推行節(jié)能減排政策，城鎮(zhèn)化進程加速，既有供熱管網(wǎng)的改造，供熱范圍的擴大為保溫塑料復(fù)合管的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。同時，為了提高管網(wǎng)熱輸送效率和管網(wǎng)可靠性，2009年住建部聯(lián)合原料商、質(zhì)檢機構(gòu)、管道生產(chǎn)企業(yè)等研究并推廣保溫塑料復(fù)合管，并建設(shè)了應(yīng)用試點及示范工程，極大地推動了保溫塑料復(fù)合管的發(fā)展[3]。

1.1 性能優(yōu)勢

截止至2018年底，保溫塑料復(fù)合管已應(yīng)用于國內(nèi)數(shù)百項工程，施工簡單及可靠、保溫效果好等優(yōu)點也得到了工程方及用戶的認可。在工程應(yīng)用中，保溫塑料復(fù)合管保溫效果好，無融雪現(xiàn)象，而保溫鋼管由于保溫效果差，融雪現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖2所示。

圖2 保溫塑料復(fù)合管和保溫鋼管的融雪現(xiàn)象對比Fig.2 Snow melting phenomenon of insulating steel pipes and insulating plastic composite pipes

此外，塑料管道的粗糙度為0.009 mm左右，約為鋼管的1/5，因此水力損失較小，流體輸送能力強。保溫塑料復(fù)合管相比保溫鋼管的進一步優(yōu)勢如表1所示。

根據(jù)城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)運行維護技術(shù)規(guī)程規(guī)定[7]管道直接失水率不超過2 %，間接失水率不超過1 %。通過管網(wǎng)補水量可間接比較出塑料管和鋼管的失水率差異。道達爾公司柯錦玲[5]分析了2016年蘭州市某供熱站“跑冒滴漏整治項目”的整治前后的補水量，該項目將保溫鋼管全部替換為PE-RT Ⅱ型保溫塑料復(fù)合管。整治前鋼管管網(wǎng)每年補水量為7 989 t，跑冒滴漏嚴(yán)重。整治后PE-RT Ⅱ型管網(wǎng)每年補水量為3 331 t，如圖3所示，補水量減少50 %以上，無跑冒滴漏現(xiàn)象。

表1 保溫塑料復(fù)合管相比保溫鋼管的優(yōu)勢

Tab.1 Advantages of insulating plastic composite pipe compared with insulating steel pipe

1—PE-RTII供熱管道 2—鋼管供熱管道圖3 蘭州市某供熱站PE-RT Ⅱ型管道和鋼管供熱管道補水量比較Fig.3 Comparison of water replenishment of PE-RT II pipes and steel pipes in a heating station in Lanzhou

1.2 結(jié)構(gòu)與分類

根據(jù)CJ/T 480規(guī)定[8]，保溫塑料復(fù)合管的基本結(jié)構(gòu)主要由外護管、保溫層、工作管等復(fù)合而成，如圖4所示。近年來，保溫塑料復(fù)合管發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出了多種類型的保溫塑料復(fù)合管[9]，如圖5所示。

1—工作管 2—外護管 3—保溫層 4—支架圖4 保溫塑料復(fù)合管結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of insulating plastic composite pipe

圖5 不同類型的保溫塑料復(fù)合管Fig.5 Different types of insulating plastic composite pipes

外護管的主要作用為保護保溫層在存儲、運輸、施工過程中不被破壞，且防止埋地后受地下水侵蝕而造成保溫層收縮變形、保溫性能下降。外護管的材料有聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等實壁管。PE材料綜合性能優(yōu)異，但抗氧化性較差，因此更適合應(yīng)用于埋地用工程。 PVC材料可用于非埋地的保溫管道，但存在低溫脆性問題，限制了應(yīng)用地域和范圍，如圖6所示。

圖6 PE外護管應(yīng)用案例和PVC外護管應(yīng)用案例Fig.6 Application cases of PE outer casing pipes and PVC outer casing pipes

保溫層主要起保溫作用，保溫材料的性能直接決定了管道整體的能耗，常用的材料有聚氨酯(PU)泡沫、聚苯乙烯(PS)泡沫、PE泡沫等，其中PU泡沫雖然成本較高，但閉孔率高，隔熱性能好，在保溫塑料管領(lǐng)域應(yīng)用最多。PU泡沫塑料是由聚合物和氣孔二相體系構(gòu)成的，低密度PU泡沫由于發(fā)泡時氣泡間相互擠壓，導(dǎo)致氣泡由球形結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嗝骟w結(jié)構(gòu)，從而達到受力平衡和形狀穩(wěn)定的泡孔結(jié)構(gòu)，泡孔之間僅以薄膜相隔離，導(dǎo)熱系數(shù)小，隔熱性能優(yōu)異，但抗擠壓性能較差；中密度泡沫中氣泡存在部分?jǐn)D壓，以球形和多面體混合存在，隔熱和抗擠壓性能適中；高密度泡沫中氣泡不存在擠壓現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)為球形，雖然抗擠壓性能強，但缺乏穩(wěn)定的泡孔結(jié)構(gòu)[10]，導(dǎo)熱系數(shù)大，隔熱性能差，如圖7所示。保溫層性能應(yīng)綜合考慮成本、導(dǎo)熱系數(shù)和抗擠壓性能，當(dāng)前應(yīng)用較多的材料為密度為60～80 kg/m3的PU泡沫。

(a)低密度泡沫 (b)中密度泡沫 (c)高密度泡沫圖7 不同密度泡沫的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of foams with different densities

工作管是承壓和耐溫的主體，主要作用為介質(zhì)輸送。工作管往往采用耐熱聚乙烯(PE-RT)、無規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)、聚丁烯(PB)、交聯(lián)聚乙烯(PE-X)等塑料管材，其中以PE-RT和PP-R為主，不同材料工作管的特點：

(1)道達爾公司柯錦玲[11]指出PE-RT Ⅱ型工作管管耐熱性較好，適用于多種連接方式(電熔連接，熱熔對接和熱熔承插)，且可生產(chǎn)大口徑管材，適用于我國施工環(huán)境復(fù)雜且流量較大的國情；

(2)PP-R管對銅離子極為敏感，在銅離子存在下會加速降解老化，而電熔連接的電阻絲為銅絲，因此PP-R不能采用電熔的連接方式，同時大口徑PP-R生產(chǎn)較為困難，所以PPR工作管在國內(nèi)使用比例低于國外，通常應(yīng)用于小口徑的保溫塑料復(fù)合管；

(3)纖維增強PE-RT Ⅱ型工作管是PE-RT Ⅱ型管進行了纖維編制增強，如圖8所示，不僅具有PE-RT Ⅱ型工作管優(yōu)點，還大大提高了耐壓能力，因此可降低管壁的厚度，提高了保溫塑料復(fù)合管的柔韌性，擴大了可盤管的口徑。但纖維增強PE-RT Ⅱ型工作管生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜且成本高，連接接頭為不銹鋼夾具，價格昂貴；

圖8 纖維增強PE-RT Ⅱ型工作管Fig.8 Fiber-reinforced PE-RT Ⅱ service pipe

(4)中國石油大慶化工研究中心李軍等[12]對比了PB管和PP-R管性能，指出PB工作管綜合性能優(yōu)異，但原料制造商較少，價格昂貴，且管道成型后結(jié)晶期較長，限制了PB工作管在保溫領(lǐng)域的發(fā)展；(5)PE-X工作管因生產(chǎn)過程中交聯(lián)度不易在線控制，生產(chǎn)的廠家較少。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

保溫塑料復(fù)合管經(jīng)過30多年的發(fā)展，已在全世界40多個國家得到應(yīng)用，并形成了較為完備的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 保溫塑料復(fù)合管國外相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

Tab.2 Foreign related specifications and standards for insulating plastic composite pipes

我國保溫塑料復(fù)合管起步較晚，但近年來發(fā)展較快，性能評價方法也越來越多[13]，住建部出臺了設(shè)計與施工指導(dǎo)書《集中供熱預(yù)制直埋保溫塑料管道生產(chǎn)與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究設(shè)計與施工技術(shù)指導(dǎo)書(試行)》，相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)逐步完善。表3給出了保溫塑料復(fù)合管國內(nèi)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

表3 保溫塑料復(fù)合管國內(nèi)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

Tab.3 Domestic related specifications and standards for insulating plastic composite pipes

2 保溫塑料復(fù)合管技術(shù)要求

從外護管、保溫層、工作管和整管4個方面，分別介紹相應(yīng)的技術(shù)要求。

2.1 外護管

外護管一方面防止運輸和施工過程中保溫塑料復(fù)合管受到劃傷、擠壓和損壞；另一方面由于聚氨酯保溫層遇水會發(fā)生變形，且導(dǎo)熱系數(shù)變大，外護管能夠起到保護作用，防止聚氨酯保溫層與水接觸。表4給出了外護管的關(guān)鍵性能要求。

表4 外護管的關(guān)鍵性能要求

Tab.4 Key performance requirements for the outer casing pipe

2.2 保溫層

泡沫密度是考察保溫層性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，如果密度過低的話會導(dǎo)致壓縮強度偏小，在實際使用過程中易發(fā)生形變。但是泡沫密度并非越高越好，泡沫密度過高會導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降，降低保溫效果。

吸水率用來評定聚氨酯泡沫吸水情況，泡沫在吸水后會產(chǎn)生收縮，保溫性能下降等后果，因此吸水率要控制。

因為泡沫難免受到損傷，而泡沫在受到擠壓等外力損傷后，泡孔壁會破裂而開孔，開孔率升高是吸水率增大的一個重要因素。為了應(yīng)對這種情況，往往提高泡沫的密度，使泡沫強度相應(yīng)增加，以有效抵御外界對泡沫本體造成損傷。

綜上所述，保溫層的性能指標(biāo)要控制的較為平衡，保溫層的關(guān)鍵性能要求如表5所示。

2.3 工作管

工作管是介質(zhì)輸送層，為保溫塑料復(fù)合管的核心部分，其性能決定了整管的耐壓、耐溫等級和長期使用壽命。工作管的性能指標(biāo)分別與耐冷熱水管塑料管材的要求基本相同，常見的工作管的連接方式及性能要求如表6所示。

表5 保溫層的關(guān)鍵性能要求

Tab.5 Key performance requirements for insulation layers

表6 工作管的連接方式及性能要求

Tab.6 Connection methods and performance requirements of service pipes

2.4 整管

整管是指由3層復(fù)合結(jié)構(gòu)組成的保溫塑料復(fù)合管整體，因此影響整體性能的因素較多，其中保溫塑料復(fù)合管整管的關(guān)鍵性能要求如表7所示。

表7 整管的關(guān)鍵性能要求

Tab.7 Key performance requirements for whole pipes

3 保溫塑料復(fù)合管核心評價方法

3.1 軸向剪切強度

軸向剪切強度主要考察工作管和保溫層結(jié)合強度。GB/T 29046[14]給出了軸向剪切強度的測試方法。試樣處于常溫23 ℃±2 ℃環(huán)境條件下，由試驗裝置按5 mm/min的速度對工作管一端施加軸向力，直至保溫結(jié)構(gòu)的結(jié)合面破壞分離。記錄最大軸向力值，并計算軸向剪切強度。試驗可在管道軸線置于垂直方向或水平方向的2種情況下進行，當(dāng)管道軸線處于垂直方向時，軸向力中應(yīng)計入工作管的質(zhì)量，如圖9所示。

軸向剪切強度應(yīng)按式(1)進行計算：

(1)

式中τax——軸向剪切強度，MPa

Fax——軸向剪切力， N

L——試樣長度，mm

Ds——工作管外徑，mm

圖9 軸向剪切強度試驗Fig.9 Axial shear strength test

圖10 樣品試驗后3種典型狀態(tài)Fig.10 Three typical states after the test

圖11 含支架的保溫塑料復(fù)合管Fig.11 Insulating plastic composite pipe with bracket

軸向剪切試驗后，樣品常見有3種典型狀態(tài)，如圖10所示：(1)樣品內(nèi)部有支架，如圖11所示，但由于外護管內(nèi)表面未進行電暈等處理或處理工藝較差，導(dǎo)致發(fā)生外護管和保溫層脫層，而工作管和保溫層未脫層；(2)樣品內(nèi)部有支架，外護管和保溫層脫層，工作管和保溫層也發(fā)生脫層，此狀態(tài)較為少見，一般是由保溫層密度較低或泡孔較多導(dǎo)致的；(3)樣品內(nèi)部不含支架，此時一般為工作管和保溫層脫層，且軸向剪切力偏低。

因此，為防止工作管和保溫層發(fā)生脫層，保溫塑料復(fù)合管在發(fā)泡時應(yīng)當(dāng)有支架。根據(jù)中國石油工程技術(shù)研究院蔣林林等研究[15]，外護管內(nèi)表面及工作管外表面應(yīng)進行電暈等表面處理，如圖12所示，電暈處理可增加表面粗糙度，從而增加外護管與保溫層，保溫層與工作管的結(jié)合強度。

圖12 電暈處理前與電暈處理后對比Fig.12 Comparison before and after corona treatment

鋼管的模量約為塑料管道的200多倍，因此鋼管埋地敷設(shè)要進行復(fù)雜的熱脹應(yīng)力分析。而塑料管模量較小，柯錦玲等[16]研究了保溫塑料復(fù)合管受力情況，如表8所示，可得以下結(jié)論：(1)當(dāng)軸向剪切強度取值為0.09 MPa時，工作管的軸向熱脹力小于工作管和保溫層之間的剪切力，此時工作管和保溫層不會發(fā)生脫層現(xiàn)象；(2)小口徑管材僅需不到1 m長，管段與土壤間的摩擦力就足夠抵消管道的軸向熱脹力，對于大口徑如dn355管材，也僅需5.1 m的直埋長度就可依靠摩擦力抵消軸向熱脹力。因此管材直埋時，無需補償，不用額外固定措施；(3)管材的熱脹力遠小于屈服時需要的拉伸力，因此不會因熱脹力而發(fā)生屈服。另外，由于塑料管材存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，隨著時間推移，內(nèi)部的熱脹應(yīng)力會逐漸減小。

表8 管材受力計算

Tab.8 Pipe force calculation

3.2 模擬工況試驗

3.2.1耐環(huán)境應(yīng)力開裂

保溫塑料復(fù)合管在實際使用中會受外界環(huán)境溫度，外力等因素影響，可能會產(chǎn)生外護管開裂現(xiàn)象。應(yīng)力開裂是指材料在受到低于其屈服點的應(yīng)力或者說低于其短期強度的長期應(yīng)力作用下發(fā)生開裂的現(xiàn)象，該現(xiàn)象一般需較長時間才會發(fā)生。因此，耐環(huán)境應(yīng)力開裂試驗是通過化學(xué)試劑和機械應(yīng)力的協(xié)同作用，縮短開裂時間，模擬外護管應(yīng)力開裂的工況試驗。

根據(jù)ISO 16770[17]，試驗過程如下：(1)調(diào)制環(huán)境室內(nèi)的溶液，即在水中加入2.0 %表面活性劑(壬酚聚乙二醇醚或仲辛基聚氯乙烯醚[TX-10])；(2)測量已刻痕試樣的實際帶狀面積，即試樣橫截面積去除四周刻痕后的實際凈面積；將試樣安裝在夾頭上，并保證刻痕部位完全浸入環(huán)境溶液中;(3)施加按式(2)計算的砝碼質(zhì)量，使試樣承受 4.0 MPa的恒定拉伸應(yīng)力；(4)調(diào)節(jié)溶液的溫度為80 ℃，保持恒溫；不斷攪拌溶液，防止表面活性劑沉淀，以確保溶液均勻；(5)恒溫后開始計時，當(dāng)試樣出現(xiàn)破壞，記錄破壞時間并終止試驗。耐環(huán)境應(yīng)力開裂試驗設(shè)備如圖13所示。

圖13 耐環(huán)境應(yīng)力開裂試驗設(shè)備示意圖Fig.13 Environmental stress crack resistance test equipment

(2)

式中M——施加的負載砝碼質(zhì)量，kg

An——試樣的帶狀面積，mm2

σ——拉伸應(yīng)力， MPa

R——杠桿臂長之比(如果負載直接加在試樣上，則R=1)

通過上述試驗對外護管進行耐環(huán)境應(yīng)力開裂試驗，以確定外護管耐環(huán)境應(yīng)力開裂的失效時間，一般取失效時間300 h，該指標(biāo)可以判斷外護管耐環(huán)境應(yīng)力開裂的性能優(yōu)劣。目前通用的PE80和PE100原料制備的外護管耐環(huán)境應(yīng)力開裂失效時間均大于300 h，然而當(dāng)前市場上外護管用料普遍較差，該項試驗通過率較低。

3.2.2柔韌性

相比保溫鋼管，保溫塑料復(fù)合管的工作管為塑料管，具有更好的柔韌性，在生產(chǎn)、運輸、施工等方面具有以下優(yōu)勢：(1)小口徑的保溫塑料復(fù)合管生產(chǎn)時可采用一步法生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性；(2)小口徑的保溫塑料復(fù)合管可盤管運輸，降低了運輸成本；(3)施工時，敷設(shè)適應(yīng)性更好，可彈性敷設(shè)，甚至彎曲敷設(shè)，如圖14所示，因此可以減少接頭的使用量，降低成本，方便施工，提高保溫性能。

圖14 彈性敷設(shè)甚至彎曲敷設(shè)Fig.14 Elastic laying and curved laying

通過柔韌性試驗考察保溫塑料復(fù)合管的柔韌性。根據(jù)CJ/T 480中第7.4.12節(jié)規(guī)定，試驗過程如下：試樣在室溫下狀態(tài)調(diào)節(jié)24 h 后，如圖15所示，將試樣在10 min 內(nèi)固定在彎曲裝置上，保持30 min后，在所示位置4 進行不圓度的測試。試驗完成后，外護管應(yīng)沿軸向剖開，肉眼觀察整個彎曲部分保溫層的表觀質(zhì)量，應(yīng)注意剖開過程不應(yīng)產(chǎn)生新的裂紋和劃痕。

圖15 柔韌性試驗示意圖Fig.15 Flexibility test

根據(jù)荷蘭國家技術(shù)指南BRL 5609[18]和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15632-1[19]，確定了柔韌性試驗要求：當(dāng)最小彎曲半徑≤外護管外徑的30倍時，保溫層與外護管不應(yīng)破裂，且外護管的不圓度≤30 %，且外護管連接部位的保溫層開裂寬度≤5 mm。該試驗可驗證保溫塑料復(fù)合管在敷設(shè)時，不光可以彈性敷設(shè)，還可以彎曲敷設(shè)，減少了彎頭等管件的使用量，因此減少管材管件的連接，降低工作量和接口造成的熱損失。

3.3 保溫層性能

保溫塑料復(fù)合管中的保溫材料一般為聚氨酯泡沫材料，聚氨酯泡沫材料是由氣體較為均勻的分散于聚氨酯中形成的以聚氨酯為連續(xù)相、氣體為分散相的兩相體系，是由大量泡孔構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)[10]。泡孔尺寸微小細密，泡孔分布均勻，顯微鏡下顯示為密閉蜂窩狀結(jié)構(gòu)，如圖16所示，表現(xiàn)出來的性能是抗壓強度較高，保溫隔熱性能好。

圖16 顯微鏡下保溫層結(jié)構(gòu)Fig.16 Observation of the insulation layer structure by microscope

PU泡沫密度越大，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)越高，壓縮強度越高，吸水率越低，泡孔尺寸越小，如表9所示。因此，發(fā)泡時必須控制密度、導(dǎo)熱系數(shù)、壓縮強度、吸水率、泡孔尺寸的平衡，密度在大于60 kg/m3的基礎(chǔ)上，不必一味要求高密度。將密度控制在60～80 kg/m3范圍內(nèi)，PU保溫層具有良好的保溫和力學(xué)性能。

表9 保溫層性能

Tab.9 Performance of insulation layers

4 結(jié)語

保溫塑料復(fù)合管相比傳統(tǒng)保溫鋼管具有耐腐蝕，保溫效果好，連接可靠性強，彈性敷設(shè)等優(yōu)點。發(fā)展保溫塑料復(fù)合管對國家大力推行的節(jié)能減排政策，城鎮(zhèn)化進程加速，老舊供熱管網(wǎng)的改造和供熱范圍的擴大具有重要意義；保溫塑料復(fù)合管種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也逐步完善，通過選擇不同材料和結(jié)構(gòu)的管道，可滿足不同區(qū)域和環(huán)境下的保溫需求；保溫塑料復(fù)合管的技術(shù)要求包括外護管、保溫層、工作管和整管四個方面要求，且綜合考慮了成本和性能之間的平衡，并通過耐環(huán)境應(yīng)力開裂和保溫層密度等試驗防止以次充好現(xiàn)象；纖維增強型保溫塑料復(fù)合管在市場中嶄露頭角，建議進一步加強研究，擴大保溫塑料復(fù)合管的使用溫度和壓力。