020117热水用塑料管材的选用方法

热水用塑料管材的选用方法 北京市建筑研究院 曹 越! 万水娥 摘要 介绍了用于生活热水、各种供暖热水的塑料管的力学性能和使用条件以及基于 !"#的选用计算方法，给出了其管径标注方法。 关键词 环应力 温度 使用寿命 使用条件分级 管道壁厚 !"#"$%&’( ’) *#+,%&$ %-.", )’/ 0’% 1+%"/ !" #$% &’(" $)* +$) ,-’.( !"#$%&’$ !"#$#%&$ &’# (#)’*%+)*, )’*"*)&#"+$&+)$ *%- $#".+)# )/%-+&+/%$ /0 1,*$&+) &23#$ 0/" ’/& 4*&#" *%- -+00#"#%& ’#*&+%5 $6$&#($，*%- &’# )*,)2,*&+%5 (#&’/- /0 $#,#)&+%5 1,*$&+) &23#$ 3*$#- /% "#,*&#- 789 $&*%-*"-$: !"/1/$#$ &’# (#&’/- /0 $+;#<,*3#,+%5 0/" 1,*$&+) &23#$: ()*+,%-# ’6-"/$&*&+) $&"#$$，&#(1#"*&2"#，$#".+)# ,+0#，),*$$+0+)*&+/% /0 $#".+)# )/%-+&+/%$，&23# 4*,, &’+)=%#$$ " !"#$#%& ’%()#)*)" +, -./0#)"/)*.12 3"(#&% 4 5"("1./0，60#%1 ! ! 管材标准 无论在生活热水系统、低温热水地板辐射供暖系统 还是在较高温度的散热器供暖系统中使用的塑料管材， 必须是合格产品，而衡量其是否合格的依据应该是每种 管材的标准。目前我国有关塑料管材的国家标准正在制 定中，尚未完成，只能采用国际标准化组织的 !"#标准或 其它国际先进标准，如欧洲标准委员会的标准，德国的标 准、美国的标准。正在制定的国内标准以 !"#为基本参 照，$%（聚丁烯管，!"# & ’!" ()*+,）、$-.（交联聚乙烯管， !"# &’!" ()*+)）和 $$/0（无规共聚聚丙烯管，!"# & ’!" ()*+1）等管材均等同采用 !"#标准（!"# 是标准号，!"# & ’!"是标准草案号）。!"# 标准不包括 .$2$（铝塑复合 管），推荐采用美国 2"34标准。每一种管材标准均规定 了其使用范围，列出了引用的其它相关标准，规定管材用 料和对管材的方法，还列出了管材的几何特性，力学 性能，物理、化学性能，操作要求及管道标志等内容。因 此在执行过程中要采用很多其它相关标准。管材必须在 标准规定的几种温度下，按规定条件进行内压试验和热 稳定性的液压试验，测得的环应力大于、等于这些曲线的 规定值，管材的长期耐水压强度才是合格的。 " 内压引起的应力 为了确定管道的壁厚，首先要看一下管壁承受的应 力。输送压力流体的管道，无论是钢管或热塑性塑料管， 由于内压的作用，管壁均承受三向应力，属复杂受力状 态。三向应力包括环向应力（也称切向应力）!环，轴向应 力!轴，径向应力!径，，且!环 5!轴 5!径，环向应力为主应 力。环向应力可用下式计算： !环 ! "# 6$ ! "（% & 6$） 6$ （(） 式中 " 为管内工作压力，4$7；% 为管道外径，88；# 为管 道内径，88；$为管壁厚度，88。 在塑料管材的标准中，均采用!环9 : "（% ; $） 6$ 即按管 壁中心线距离计算环向应力，这是一种偏安全算法。塑 料管的外径即为其公称外径。 # 钢管的选择 以往在确定钢管壁厚时，是先建立强度条件!87<# ［!］，!87<是实际使用时的最大应力，根据不同的强度理 论，将上述 =种应力综合后得出!87<。许用应力［!］是根 据单向实验测得的数据，考虑安全系数后确定。一般采 用［!］: !3 ( >)，!3 为屈服极限，对每种钢材!3 是惟一的。 确定钢管壁厚时，一般考虑内压引起的应力，同时还要考 虑焊缝系数和腐蚀裕量。在一般使用温度条件下，钢管 壁厚和温度的关系不大，在做实验时只考虑内压，而不考 虑温度的影响。一般不计算钢管的使用寿命，其寿命主 要取决于腐蚀速度。 $ 塑料管的选择 $%! 塑料管的特性 塑料管的性能与钢管不同，其性能与使用温度和使 用寿命关系密切。在建筑工程中，通常要求塑料管的使 ·6)· 设计参考 !""!年第 #!卷第 $期 !! 曹越，女，(?1@年 (@月生，教授级高级工程师 (@@@1) 北京市南礼士路 ,6号 （@(@）,*@((()) ; 6@(= 收稿日期：6@@( ; @* ; 61 修回日期：6@@( ; @? ; 6+ 用寿命达到 !"年（自然年）。 图 # $ % 为 &’，&()和 &&*+管的环应力—温度—寿 命参考曲线。曲线称谓很多，也称长期液压强度曲线等。 这些曲线不是随时间实测出来的，而是用加速测试理论， 用标准 ,-. / 0,- 1"2"规定的外推试验方法对热塑性塑料 管材进行测定得到的。铝塑复合管只有以工作压力为标 记的曲线，图 3中的环应力是用环应力计算公式，根据压 力值反推出来的。对于塑料管材，这些曲线是非常重要 的，是选择塑料管材的基本依据。 上述曲线横坐标为预期寿命，纵坐标为环应力!环， 不同温度有不同的曲线，与钢材不同，每种钢材只有一条 应力—应变曲线。从图 # $ 3可见，在寿命相同时，温度越 高，可承受的环应力越小；在承受相同的环应力时，温度 越高，寿命越短。总之温度越高越不利。不同管材在不 同 温 度 下 有 各 自的曲线，为了进行比较，在图!中列出了4" 5时各种 图 ! "# $条件下各类管材的 环应力等应变蠕变特性曲线 管材的曲线，从图中可 以看出，铝塑复合管可 承受的环应力最高，其 它依次为 &’，&()和 &&* +。在工程中并不是采 用环应力越高的越好， 而是应该通过计算选择 合适的管材，既满足要 求，又节省资金。在确 定塑料管管壁厚度时， 采用环应力来计算，而 不采用综合应力，比钢 管简单，但其许用应力 的确定比钢管复杂，下 面分两方面来说明。 %&’ 实际环应力!环6的计算 !环6 7 !（" 8 #） 9# （9） 令 $ 7 " 8 #9# ，可以看出，$ 只与管道的结构尺寸有 关，与管道种类无关。管外径相同的管道，管壁越厚，$ 越 小，反之，$越大，管壁越薄；壁厚相同时，外径越大，$ 值 越大，反之，外径越小，$值越小。 在壁厚的选择中，主要计算 $ 值的大小，$ 值是用得 非常多的。引入 $ 值后，管壁环应力和管内工作压力的 关系可以写成 !环% ! & $ （%） 式（%）说明，当 $ 值确定以后，!环%和 ! 的比例关系就 确定了。即!环% 7 !$，说明管道承受同样的环应力时，$ 值越大，承压能力越小。即外径相同时，壁厚越大，承压 能力越大；壁厚相同时，外径越小，承压能力越大。 %&( 许用环应力!0的计算 从管材蠕变曲线可以看到，如果管道始终工作在某 一温度下，寿命要求 !"年，则设计许用应力很容易确定， 只需在该温度曲线上，根据 !"年寿命查出环应力值，考虑 安全系数后即可得到。但实际使用时管道不可能都只在 单一温度下工作。如冷水系统可以在 !"年中始终工作在 9" 5（规定以 9" 5计）；生活热水系统，如旅馆建筑全年 均保持 93 :全天供应，也即在 !"年中始终保持 ;" 5或 4" 5的使用温度；而供暖系统则不同，如在北京，每年供 暖季为 3 $ !个月，要求再高也至多半年，并且在供暖季 中，水温是随室外气温变化的，各种水温出现的时间是不 相同的，这样就无法直接从曲线上找出环应力值，无法确 定许用环应力!0，给管道的选择计算造成了困难。如果 用最高使用温度计算环应力，则造成浪费，甚至找不到可 用的管材。 %&(&) 使用条件分级 ,-. #"!"2标准为一般的压力冷热水管的使用条件建 ·%!·暖通空调 !"#$% 设计参考 立了一个分级体系，对各种使用条件进行分级，即将各种 复杂的使用情况进行统计，归纳成 !种常用的使用条件。 标准提供了 !个等级，为了包括我国供暖系统使用条件， 笔者经过计算增加了 !"级。见表 #。 表 ! 使用条件分级 级别 正常操作 温度情况 最大操作 温度情况 异常温度 情况 !$ % & 时间 % ’ !(’) % & 时间 % ’ !( % & 时间 % * 典型应用范围 # +$ ,- .$ # -! #$$ 供 +$ &热水 / 0$ ,- .$ # -! #$$ 供 0$ &热水 1! 1$ /$ !$ ,2! +! #$$ ,$ /! 地板下的低温 供热 , ,$ /$ 0$ /2! #$$ #$$ +$ /! /$ /2! 地板下的低温 供热和低温 暖气 ! +$ /! -$ # #$$ #$$ .$ #$ /$ #, 高温暖气" !" -$ 02/ -! #20 #$$ #$$ .$ !2! 0$ + /$ /-2+ 供回水温度为 -! & % 0$ & 的暖气系统 注：! 1级已基本上不被采用。" 原标准用语。 表中用 1个温度—时间分布来归纳，其中 !$ 为正常 操作温度，!(’)为最大操作温度，!(为异常温度，指可能出 现的超过控制限度的温度，出现的时间总累积不超过 #$$ *。以地板辐射供暖为例，说明一下使用情况。地板辐射 供暖使用条件为 ,级，在 !$ 年中，,$ &下工作时间累积 为 /$年，+$ &下工作时间累积为 /!年，最高温度 0$ &工 作时间累积为 /2 ! 年，异常水温 #$$ &工作时间累积为 #$$ *，总计 ,02!年，其余 /2 !年为不供暖时间，其温度均 按 /$ &冷水温度计算。 根据标准，使用条件分级仅是一种指南，而不是硬性 规定，可以根据不同的气候条件，使用其它分级方法。标 准中的使用条件 ,级是采用 345 #$!$.标准附录 6的方 法，根据温度—时间分布规律导出的，温度时间分布图的 制作使用了奥地利、法国、德国的数据。用德国 637 ,0$/ 标准，以散热器入口温度（此温度为室外温度的半经验函 数）确定各部分的温度分布，从而得到各相关的温度—时 间分布。统计时以 #$ &为单位划分温度范围，并列出每 年使用的 *数（异常温度时间不包括在内）。为了简化，归 纳成几个温度范围，将某温度范围归入高一档时，其时间 分布除以系数 /2 !，将某温度范围归入低一档时，其时间 分布乘以系数/2!。因为塑料管材使用温度每降 #$ &，寿 命增加约 /2!倍，反之亦然。这是用外推法得出的，安全 外 推 系 数 由 345 % 634 -$.$确定，见表/。表中 "8为时间外推因子，例如 管材在 ##$ &下通过 #年测试（. 0+$ *），可以推断管材在 0$ &下已通过 !$年的测试（#! 9 ##$ & : 0$ & 9 ,$ &， "8 9 !$，!$ ; #年 9 !$年）。按上述方法统计归纳后得出 表 " 不同温度下的时间外推因子 温差#! % & !#$ !#! !/$ !/! !1$ !1! !,$ !+$ 外推因子 "8 / 2! , + #/ #. 1$ !$ #$$ 使用条件，使比较复杂的温度时间分布，简化为三个温度 —时间分布。另外表中 !个级别中的任一级别，必须适用 于输送 /$ &，操作压力 #2$ <=’（#$ >’?）的水达到 !$年的 使用寿命。 当需要的使用寿命小于 !$年时（例如临时建筑），使 用时间可按表中的规定按比例减少，而故障时间仍按 #$$ *要求。 从使用级别 , 可见，其使用年限与北京地区差别较 大，北京地区地板供暖若按每年使用半年计算，则 ,$ @ 0$ &使用条件，总共占 !$A，其余 /!年均按 /$ &计算，比表 中的条件有利得多。因为现在尚未统计北京地区地板供 暖水的温度—时间分布图，为了保险起见，先采用表中的 使用条件 ,。 #$%$" 累积破坏的计算方法（规则

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