低温热水地板辐射采暖用塑料管材的性能分析

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• 用于地板辐射采暖塑料管材的类别

随着建筑业的发展和居民对居住生活舒适度要求的提高，低温热水地板辐射采暖系统的应用越来越普及。目前国内在地板辐射采暖系统中经常选用的塑料管材主要有以下几种。

PE-X： 交联聚乙烯1

PP-B： 耐冲击共聚聚丙烯（韩国曾经称之为PP-C）

PP-R:无规共聚聚丙烯

PB：聚丁烯

PE-RT: 耐高温聚乙烯

注1：交联聚乙烯按生产方式分为过氧化物交联（PE-Xa）、硅烷交联（PE-Xb）、电子束交联（PE-XC）和偶氮交联（PE-Xd）四种。其中过氧化物交联和硅烷交联是国内常用的两种交联聚乙烯管材产品。

• 塑料管材原料的共性要求与其各自特点

2.1管材的原料要求

按照国家和国际的产品标准要求，生产冷热水用塑料管材和塑料管件的原料，必须是按照GB/T18252—2000 《塑料管道系统用外推法对热塑性塑料管材长期静液压强度的测定》中规定进行试验而通过合格判定的管道专用料。也就是说，每个原料生产厂家必须按管材产品标准做出满足预测强度参照曲线的蠕变破坏曲线，才能证明所销售的原料是合格的。仅作110℃、8760小时的静液压状态下热稳定性一个点的试验是不能证明管材原料是否合格的。到目前为止，国内市场销售的热水管原料具有符合标准的蠕变破坏曲线的厂商，PP-R仅有国际上著名的北欧化工、巴塞尔、帝斯曼等几个厂家；PE-RT只有美国的陶氏化学具有；PB也只有壳牌公司具备。到目前为止，其它厂家的原料和PE-X、PP-B的品种均未见到符合产品标准的合格判定。如果不知原料产品是否合格，也就相当于水泥没有确定标号一样，使用强度不能确定。不管采用那个品种管材铺设地暖，只有使用符合产品标准要求的原料，并且生产设备和工艺合理而生产出的合格管材，通过正确地设计、安装和使用，才能可靠地保证地板辐射采暖用塑料管材使用寿命五十年。

2.2不同管材品种各自的特点：

PE-X：国内生产一般采用中密度聚乙烯或高密度聚乙烯与硅烷交联或过氧化物交联的方法。就是在聚乙烯的线性长分子链之间进行化学键连接，形成立体网状分子链结构。相对一般的聚乙烯而言，提高了拉伸强度、耐热性、抗老化性、耐应力开裂性和尺寸稳定性等性能。整个生产过程属于化学反应过程。该品种具有交联剂不易分散均匀，交联度较难控制一致和需要定时清理螺杆以防止产生凝胶颗粒等难点，产品的质量控制难度较大，一般的小型生产企业难以做好。合格PE-X管材具有力学性能好、耐高温和低温性能好等优点。但是，PE-X管材没有热塑性能，不能用热熔焊接的方法连接和修复。

PP-B：耐低温性能好、弯曲模量高、连接性能优越和原料成本低。但在地板辐射采暖系统0.6MPa的设计压力下需要选用S3.2系列的管材（PE-X、PP-R、PB和PE-RT等均需选S5），de20的管材壁厚为2.8mm，内径相对于PE-X、PP-R、PB和PE-RT品种减小1.6mm。耐热性能相对其它产品而言较差。原料厂家目前还没有做出蠕变破坏曲线。

PP-R:耐高温性能好、力学性能好和连接性能优越。欧洲有几家公司的原料具有合格的蠕变破坏曲线。但耐低温冲击性能较差。

PB: 耐蠕变性能和力学性能优越，几种管材中最柔软，相同的设计压力下设计计算壁厚最薄。在同样的使用条件下，相同的壁厚系列的管材，该品种的使用安全性最高。但原料价格最高，是其它品种的一倍以上，当前在国内应用面积较少。

PE-RT: 该原料是一种力学性能十分稳定的中密度聚乙烯，由乙烯和辛烯的单体经茂金属催化共聚而成。它所特有的乙烯主链和辛烯短支链结构，使之同时具有乙烯优越的韧性、耐应力开裂性能、耐低温冲击、杰出的长期耐水压性能和辛烯的耐热蠕变性能。可以用热熔连接方法连接，遭到意外损坏也可以用管件热熔连接修复。原料具有符合产品标准的蠕变破坏曲线，是聚乙烯中现阶段唯一不需交联就可用于热水管的一个品种。但其加工范围较窄，质量控制较难。

• 产品的性能对比与选择

3.1 因为采暖系统不是在恒温状态下长期使用,系统内的水温要随着气候的变化而升降，所以在ISO10508《冷热水系统用热塑性塑料管材和管件》标准中将塑料管的使用条件分为五个级别，地板辐射采暖属于级别4，见表1。

表1使用条件级别

使用

级别

设计温度

TD℃

在TD下的

时间 年

最高设计

温度Tmax

在Tmax下的

时间 年

故障温度

Tmal℃

在Tmal下的

时间 h

典型的应

用领域

级别4

20

40

60

2.5

20

25

70℃

2.5

100

100

地板辐射采暖系统

注：当TD，Tmax和Tmal超出本表所给出的值时，不适用本表。

所有取暖设备中，只能输送水或经处理的水作为热的载体。

表中的年限数字是“加和”的关系，不是 “或”的关系。

3.2 由于在使用条件级别4条件下各个品种的设计应力σD不同，所以在相同的设计压力下应选择的管系列S值也不同，不同品种塑料管在给定设计压力下应选的管系列S值见表2。

表2各种塑料管材应选管系列S值的对比

设计压力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值是在使用条件级别4的情况下按其产品标准所选。

2目前实际生产和应用中，一般管系列S值最大选5。

3.3 需要验证产品力学性能的质量控制点及对比见表3。

表3各种塑料管材的力学性能对比

性能

品种及

产品标准

试验参数

实 验 方 法

静液压应力，MPa

温度，℃

实验时间，h

静

液

压

实

验

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、不渗漏。

3.4 各个品种塑料管材的物理和机械性能对比见表4。

表4塑料管材物理和机械性能的对比

项目

单位

PE-X

PP-B

PP-R

PE-RT

PB

密度

g/cm3

0.94

0.9

0.9

0.933

0.93

维卡软化点

℃

123

150

135

122

113

导热系数

W/m·K

0.4

0.24

0.24

0.4

0.22

热膨胀系数

10－4/K

1.8

1.5

1.5

1.95

1.3

拉伸屈服强度

MPa

16

27

24

16.5

17

拉伸断裂强度

MPa

20

21

19

34

33

断裂伸长率

%

＞500

＞630

＞500

＞800

＞125

弯曲模量

MPa

800

1100

810

550

弹性模量

MPa

580

350

可焊接

不能

能

能

能

能

连接方式

机械连接

焊接、机械

焊接、机械

焊接、机械

焊接、机械

3.5 在使用条件级别4的情况下，不同品种塑料管材的设计应力见表5。

表5使用条件级别4情况下的设计应力对比

品种

PE-X

PP-B

PP-R

PE-RT

PB

设计应力σD，MPa

4.00

1.95

3.30

3.34

5.46

根据表5中的数据和管值计算公式：

σD

Scalc = ———，

PD

式中Scalc—计算管值；

σD—设计应力，MPa；

PD—设计压力，MPa。

可以计算出在不同的设计压力下，各个管材品种的计算管值Scalc，再将数值向下圆整到接近的管系列S值，即可选取在设计压力下的管系列S值。

例如，在使用条件级别4和设计压力下0.9MPa的情况下，PE-X的计算管值Scalc为4.44，经过圆整应为S4。

3.6 从以上所述和各项对比可以看出，只要原料和制品两个方面同时满足产品标准要求，五个品种都能可靠地应用在地板辐射采暖系统中，只是相同设计压力下管材壁厚不同，还有施工的效率和难易程度不同。

PE-X是目前欧洲在地板辐射采暖系统中使用量最大的一个品种。欧洲一些国家在生产与应用PE-X方面有很好的控制方法和几十年的管理经验，原料选用巴斯夫、北欧化工等几个国际上著名的化工公司的产品，设备根据所选用厂家的原料的特点而设计。但是，值得注意的是目前国内外的原料生产厂商还没有进行产品的合格验证，原料价格相差较大，国内一些生产厂家对原料的随意选用，使得产品质量不易保证，该品种在选择低价位产品的应用方面存在着一定风险。

PP-B在韩国的壁挂式加热炉地板辐射采暖系统中应用较为普遍，因其系统的压力较低，0.3MPa时仅需要设计管系列S6.3的管材，一般都选择管系列S5的管材，所以在韩国国内的使用过程中不易出现问题。目前该品种的原料也没有通过合格验证的生产厂家，其设计应力在五个品种中最低，弯曲模量却最高，铺设难度也相对较大。不适合使用压力较高的地板辐射采暖用管等热水管道，但该品种却是理想的冷水用管。

PP-R、PB和PE-RT这三个品种都有不同的厂家具有符合产品标准的蠕变破坏曲线，这是热水管材能够可靠使用五十年的基本前提。

PP-R是目前生活热水用管与散热器系统用管的一个理想产品。由于其耐低温冲击性能和柔性较差，使得在地板辐射采暖用管方面应用较少，铺设时需要在管材中流通热水。但用于地板辐射采暖主管道和其它热水管道在系统可靠性和使用寿命方面，产品质量合格的管材是非常优越的。

PB是目前塑料热水管中在相同使用条件下设计应力最大的一个品种。比如在地板辐射采暖的使用条件下，0.6MPa系统压力计算管系列的值应该选择S8，de20的壁厚数值才1.3mm，但因系统的连接要求与施工中划伤损害等问题，实际生产和选用中一般为S5系列。由此可以看出，PB管材的使用寿命相对同S系列其它塑料管材而言，要过剩的多。该产品是当前几种用于热水的塑料管中价格最贵和可靠性最高的品种。

PE-RT品种在0.6MPa设计压力下使用时应选择管系列S5,在实际应用中与PE-X、PP-R和PB相同。它具有可以热熔连接、原料性能稳定可靠和柔韧性好等优点，该产品的弯曲模量数值不到PE-X的70%。PE-RT塑料管为地板辐射采暖领域所选用管材增加了一个新品种，其综合的优良特性使之在地板辐射采暖领域中具有一定的竞争力。

• PE-RT的发展趋势

PE-RT原料不但具有合格的蠕变破坏曲线，而且其管材价格适中，在地板辐射采暖系统的施工时，相对PE-X、PP-B、PP-R而言方便快捷。连接型式属于现阶段最可靠的相同材质的管材与管件本体互熔的热熔连接方式，管件部位的孔径大于相同规格管材的内径。在系统中因为没有局部缩径的机械联接方式，所以系统流体阻力相对较小。

因为PE-RT管材在现阶段作为热水管使用所具有的优势，所以国际标准化组织（ISO）在只有一家公司生产该产品的情况下，也将其产品原料的预期强度要求作为制定国际标准而立项，其标准号为ISO/AWI24033，国际标准的英文名称为Polyethylene of raised temperature resistance (PE-RT) pipes — Effect of time and temperature on the expected strength。从这一点上也充分说明了PE-RT作为管道产品在国际上是很受重视和具有发展前途的。

• 塑料热水管的系统适应性

塑料管道热熔连接方法的系统适应性试验只需做耐内压试验和热循环试验两项，而机械连接方法的塑料管道则需要做耐内压试验、热循环试验、弯曲试验、耐拉拔试验、循环压力冲击试验和真空试验的六项试验。由此看出塑料管道的热熔连接方法在满足管道系统要求方面要优于机械连接。另一方面，S5系列de20的管材热熔连接时的连接部位管件最小内径为20mm，机械连接时的连接部位最小内径为9mm，由此看出，机械连接的连接部位的流体局部阻力要大于热熔连接，并且容易造成堵塞。

在地面下铺设的塑料管，运行中不可避免地会出现因施工损伤、装修过程中损坏等情况造成的渗漏现象，用热熔连接的方法修复可以保证修复点的寿命与整个系统寿命同步，用机械连接的方法就不容易做到这一点。

在热水塑料管道系统中，使用温度连续超过设计温度10℃，相同使用压力下，使用寿命缩短2.5倍；反之，使用温度低于设计温度10℃，相同使用压力下，使用寿命延长2.5倍。另外，使用压力超出设计压力时对塑料管的损害更大。所以采暖管道系统运行过程中，要尽量避免在超过设计温度和设计压力状态下运行。

参考文献

孙逊. 聚烯烃管道. 北京：化学工业出版社，2002