在生活热水系统中采用塑料管应关注其维卡软化温度

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0　概述

　　近年来，随着人们对水质要求的普遍提高和有机化学工业的迅速发展，镀锌钢管由于其易被锈蚀，逐渐被淘汰出生活给水领域，而代之以塑料管。因而在生活热水系统中，除了传统的铜管、不锈钢管和新近研制成功的铝合金管以外，热水型塑料管和复合管正受到越来越多地关注，并已形成一个很大的市场。
　　一般认为，从温度要素而言，只要满足“长期使用温度”≥60℃，“短期使用温度”≥80℃的塑料给水管，就可以用于生活热水系统，而少有关心其“维卡软化温度”的。其依据是现行的《建筑给排水设计规范》规定“配水点的温度不超过60℃”。然而引入“维卡软化温度”的要素是必要的。首先，配水点温度不是系统的最高温度；其次，设计温度不是系统的实际温度，只要稍有失控，系统的温度就有可能超过设计温度，甚至达到或接近多数塑料管的“维卡软化温度”。而不论何种塑料管，当其达到或接近“维卡软化温度”时，其环应力和抗拉强度将急剧下降，从而在水压力的作用下将出现鼓泡，直至破裂。事实上，多数塑料管的注塑温度也只有130℃左右，而如聚丁烯当温度达到128℃时已呈熔流状态，此时已完全丧失了承压能力。所以，选择热水管时用“维卡软化温度”去考察管材耐受短时间的超温能力是必要的。

1　工程实例

　　某校12层留学生楼的改造工程，原来公用的卫生间全部改为独立卫生间。原来的冷热水都是镀锌钢管，改造后各卫生间的冷热水支管均使用热水型PEX(交联聚乙烯)管(其长期使用温度为90℃，短期使用温度为95℃，维卡软化温度为133℃)，嵌墙敷设；所有的冷、热水干管和回水管均为内涂EP(环氧)粉末树脂的镀锌钢管(EP的使用温度≥80℃，但没有取得维卡软化温度的资料)，在屋顶、管道井和技术层内敷设。
　　由于安装的错误，热水回水管没有接通热交换器，热水系统实际上成了一个没有循环的系统，因而在没有出流的情况下，管网中的水是无法加热的。遗憾的是，操作人员并不懂得这个道理，在系统调试时，热水龙头不出热水，便拼命给热交换器加热，直至其温度计显示为120℃(此时热交换器出口处水温已不止120℃)。等到系统中冷水放完以后，龙头里放出来的已是高温热水，并出现汽化。此时发现多处PEX管出现裂缝并喷水；多个龙头出水不畅，整个系统几乎瘫痪。当打开系统放空阀时，大量大小不一、形状各异的塑料碎片随水流排出。
1.1　原因分析
　　经现场分析，并卸下几处管子仔细观察，发现管内EP涂层有的严重起壳，有的已完全剥离，其程度随着远离交换器而减弱，很明显那些排出的塑料碎片即由此而来。可以推断，近热交换器部分的管道的水温已经达到EP的维卡软化温度，也可能已呈熔流的状态。而PEX(用作支管)的破裂均发生在未嵌入墙内的管段上，且都发生在下面几层。可见，由于水温接近其软化点，使其环应力急剧降低，承受不了管道内的压力而变形，因而导致在没有墙体裹覆处，首先爆裂；用水点的堵塞，当然是由于剥落的EP碎片随水流运行到用水点而致了。
1.2　事故的启示
　　偶然性中包含着必然性。这次事故的发生是偶然的，但是这种事故一旦发生，对系统的破坏又是必然的。在一般工程中，我们同样没有百分之百的把握把水温控制在设计范围之内。在一个集中供热系统中，比如温度自动调节装置的失灵、温度显示系统的失灵、操作失误，都可能使水温失控或短时间失控；在以燃气为热源的小型热水系统中，也常会因火头调节装置的失灵，使热水超温，甚至汽化。而作为一个正确的设计，应该使系统能够经受得住这种可能的偶然事故的考验，使损失处于受控状态。当然，解决的办法不是唯一的，一种途径是加大温度控制手段的可靠性，如增加超温报警装置等；另一种途径，就是选择合适的管材。

2　正确选择热水管的原则

　　选择管材，是经济技术比较的过程。从技术角度讲，应从压力、温度、使用环境、安装方法等多方面综合考虑。就温度要素而言，应尽量提高材料的可靠性。正确的做法是把使用温度作为必要条件，而把维卡软化温度作为充分条件。在同样能满足使用温度的前提下，尽可能选择维卡软化温度高的材料(目前市场上常见的塑料管的几个耐温性能指标见表1)。

表1　塑料管耐温性能

    注：表中“长期使用温度”系指设计寿命为30年～50年的使用温度；“短期使用温度”系指设计寿命为10年～20年的使用温度；“维卡软化温度”是指试棒端头面积为1mm2，负荷为10N时能将材料穿透的温度。应该注意，各厂家所提供的同种材料的耐温性能指数不尽相同，选择时应当留有余地。
　　我们可以用“维卡软化温度”和热水系统的极端高温来考察管材的可靠性。一个热水系统，如果忽略加热设备的热效率和系统的热损失，其极限高温就是热源温度和系统设计压力下的饱和蒸汽温度两者中的较小值。具体地说，当以电和燃气为热媒时，其热媒的热量如果不限，则系统的极限温度即为热水系统在既有压力下的饱和蒸汽温度；如果热媒为蒸汽，则热媒温度和热水温度均与各自的压力相关：当蒸汽压力大于系统压力时，系统的极限温度即为热水系统既有压力下的饱和蒸汽温度；当蒸汽压力低于系统压力时，系统的极限温度即为热媒的饱和蒸汽温度。据此，我们可以预测热水系统在加热设备的温控装置失灵或操作失误状态下，系统的极限高温，并以它和各种管材的维卡软化温度之差的大小来判断管材的可靠程度(不同压力下的饱和蒸汽温度见表2。)

　需要指出的是，对于局部供热系统(如家庭热水系统，单个卫生间的独立系统)其水压一般都有适当的控制(根据不同的建筑功能，控制在0.35MPa～0.45MPa之间)，因此其极限高温是可预期的。并且即使系统损坏，也是局部的，造成的损失也是有限的，因而不必为偶然的小范围的损失而大范围地提高标准，所以除了PVC-U和ABS因其使用温度已不能满足使用要求和维卡软化温度过低，不能使用外，表中所列其它管材都可列入选择范围。
　　当然，对于人身安全的考虑，始终都是系统设计的题中应有之意，只是不在本文讨论范围，不作展开。