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新材料—高密度耐熱聚乙烯(PE-RT Ⅱ)管道在供熱上的應用

2023-06-18

集中供暖能源綜合利用率高,便于管理,是目前我國北方地區較普遍的供暖方式。從80年代末開始,市政熱力管道迎來了聚氨酯預制保溫管時代,它是以聚氨酯硬質泡沫塑料為保溫層,工作管為鋼管,高密度聚乙烯為外護管的直埋管道。聚氨酯保溫直埋管道具有耐壓、耐高溫等特點,但在輸送熱水的過程中,易受熱水介質及其中的離子腐蝕,使管道壽命縮短,還會污染水質,引起銹渣堵塞儀表閥門(如熱量表)等問題。其次,由于接頭采用焊接方式連接,受工人技術水平影響難以保證焊縫質量,易發生泄漏事故。因此,鋼質管道在一定年限后,運行維修成本較高。

1 高密度耐熱聚乙烯材料簡介

耐熱聚乙烯(Polyethylene of Raised Temperature Resistance,簡稱PE-RT),是通過與己烯等烯烴共聚獲得優異的長期耐熱穩定性以及優良的長期靜液壓強度;同時保留了傳統高密度聚乙烯優異的焊接性能(熱熔對接焊接、電熔連接)、低溫抗沖擊性能(低至-40℃)、耐開裂性能優秀(劃痕是否會引起快速脆性破壞)等特征。

目前,耐熱聚乙烯已經發展到高密度耐熱聚乙烯II型。高密度耐熱聚乙烯(PE-RT Ⅱ)和所有的聚烯烴材料一樣,都是由碳和氫組成的高分子聚合物,化學穩定性很好,對于常見的酸、堿以及鹽具有很好的耐腐蝕性。聚烯烴材料的性能取決于材料的結構,主要的影響因素包括分子量分布以及共聚單體的種類。聚乙烯類聚合物的共聚單體包括己烯、丁烯和辛烯,共聚單體分子鏈越長,越能形成更多的連接鏈。從分子量的分布來看,有單峰分布的,也有雙峰分布的,雙峰的分子量分布具有更好的綜合性能,因為低分子量部分確保了材料良好的加工性能,高分子量部分使得材料具有很好的耐壓性能以及長期的穩定性。此外,PE-RT Ⅱ型材料是一種粘彈性材料,具有彈性和粘性的雙重特性,因此有很好的可塑性和減小外界應力損傷。

道達爾公司PE100級高密度耐熱聚乙烯XSeneXRT70為國外PE-RT 型塑料的代表,該材料的物理性能如表1所示。

PE-RT XSene XRT70典型物理力學性能

國內近年來也攻克了PE-RT II型的生產,齊魯石化生產的QHM22F高密度耐熱聚乙烯PE-RT II型于2016年進入市場,獲得好評。

2 高密度耐熱聚乙烯保溫管的特點

高密度耐熱聚乙烯保溫管是以耐熱聚乙烯(PE-RT Ⅱ)樹脂及專用色母料經過混合擠出成型為工作內管,以聚氨酯材料為保溫層,以高密度聚乙烯管材為外護管,公稱壓力不大于1.0MPa,最大輸送熱水溫度不超過80℃的室外集中供熱復合管材。適用于熱力預制直埋管、以及高溫熱水管道系統等,尤其在北方應用于城鎮供熱系統二次管網以及溫泉保溫管道系統。

高密度耐熱聚乙烯保溫管和鋼管的另一個區別體現在熱脹冷縮特性上,PE-RT II型PE管的膨脹量很大,但是膨脹力很??;而鋼管相反,膨脹量很小,膨脹力很大。因此,相同的應用條件下,PE管的膨脹力一般不到鋼管的1/50。對于集中供熱二級管網用的預制保溫PE管而言,管道軸向應力主要包括管道熱脹冷縮產生的熱脹應力,保溫層和工作管之間的剪切應力以及外護管與土壤之間的摩擦應力。當外護管與土壤之間的摩擦力大于或等于管道產生的熱脹力時,管段將不會產生熱位移。工作管的軸向熱脹力遠小于工作管和保溫層之間的剪切力,因此工作管和保溫層之間不會出現脫層現象。這就意味著:因此管道完全可采用直埋無補償的方式進行敷設,且無需采用額外的固定措施,可減小投資和施工難度。

根據資料顯示,高密度耐熱聚乙烯管較普通的鋼管還具有以下特點:

(1)保溫性能好,內層導熱系數僅有0.42W/m.K,熱損失遠低于鋼管,長期運行可節約大量能源,顯著降低能源成本。

(2)具有很強的防水和耐腐蝕能力,密封可靠,不滲不漏;無銹蝕,不污染水質,不結垢堵塞,在熱力管網的日常管理和維護上有較大優勢。

(3)在低溫條件下也具有良好的耐腐蝕和耐沖擊性,材料脆化溫度達-70℃,能輕松應對在寒冷地區使用。

(4)耐壓耐溫,性能可靠,70℃下使用壽命可達50年。

(5)熱熔對接和電熔焊接方便,牢固可靠。

6)施工工藝簡單快捷,施工安裝方便,不需附設管溝,可直接埋入地下。該特點大大節省了PE-RT II管道的施工成本,縮短了施工周期。綜合考慮人工費、材料費和機械設備的費用,PE-RT II管道的施工成本相對于鋼管能節省30%。

(7)該類管道具有優異的耐快速開裂和耐慢速裂紋增長性能,壓扁后可恢復;一旦管道出現斷裂,破損等情況,可利用壓管器實現局部阻水作業,方便緊急維修,節約成本與時間。

(8)經濟可行性:90mm以下直徑,高密度耐熱聚乙烯管材料成本與鋼管相當;110mm以上,較鋼管高10~20%。若結合施工及運行,高密度耐熱聚乙烯管在dn355以下經濟性高于鋼管。

3 國內外高密度耐熱聚乙烯保溫管的應用現狀

(1)國外應用現狀

高密度耐熱聚乙烯保溫管首先出現于歐洲,由原材料、管道生產商和供熱單位共同開發,并形成產品。由于西歐居民用戶普遍采取分散式供暖,集中供暖主要集中在東歐地區,因此,市政供熱管道也大多數集中在東歐。在這些國家中,高密度耐熱聚乙烯保溫管已經在小區二級供熱管網中應用多年。如1987奧地利Lichtenegg集中供熱管網系統中就使用了3kmDN20~125mm預制直埋保溫PE管道。該管網使用已經30,運行狀況良好;冰島首都雷克雅未克也采用了此類供熱直埋管件??傮w看來,預制直埋保溫塑料管在歐洲已經形成了完備的產品和設計、施工標準體系。

(2)國內應用現狀

最近兩年,北京、山東青島、乳山、河南鶴壁、吉林省吉林市、河北滄州、內蒙古赤峰等地近十幾個管網改造工程以及新建管網工程采用了高密度耐熱聚乙烯(PE-RT II)預制直埋保溫管,取得了良好效果。2PE-RT II型直埋保溫管在國內的部分使用情況。

表2 PE-RT II型預制直埋保溫管的部分應用情況


根據目前的運行數據,各高密度耐熱聚乙烯保溫管輸送的熱水溫度在80℃以下,管道運行狀況良好。

4 我國高密度耐熱聚乙烯保溫管的規范標準

為了規范該行業健康有序發展,我國在2015年頒布了《高密度聚乙烯外護管聚氨酯發泡直埋保溫管符合塑料管》(CJJ/T480-2015)。此外,各地根據地方特征,也分別出臺了一系列的地方標準。表3為耐熱型高密度聚乙烯管行業的相關標準匯總。

表3 耐熱性高密度聚乙烯管相關標準


5 高密度耐熱聚乙烯保溫管在供熱上使用的注意事項

(1)原材料要嚴格把關,注意區分PE-RT II型產品和PE-RT I型產品。

2焊接時,工作管公稱外徑小于90mm時,宜采用電熔管件進行連接;工作管公稱外徑大于等于90mm時,應采用熱熔對接。

3熱力管網中若存在部分管段改造使用高密度耐熱聚乙烯保溫管,則需要注意鋼管和塑料管之間的連接不能使用鋼塑轉換,應采取法蘭加耐熱密封圈連接。

(4)PE材料受到紫外線照射會加速其老化,不宜在地上使用,宜埋地使用。儲存、施工過程中應避免陽光照射。


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