冷热水用塑料管道系统标准体系分析及基本计算

谢建玲

(中国石化股份有限公司齐鲁分公司研究院,山东淄博255400)

冷热水用塑料管道系统标准体系分析及基本计算

谢建玲

(中国石化股份有限公司齐鲁分公司研究院,山东淄博255400)

介绍了冷热水用塑料压力管道系统国际标准及国家标准体系,以及近年来相关标准制/修订变化情况。针对冷热水管道系统设计、生产和使用过程中存在的如何正确选择设计使用参数等问题,通过实例计算给出了冷热水用塑料压力管道系统标准中使用级别、设计应力和管材壁厚的确定方法。

冷热水;塑料管道;标准;使用级别;设计应力;壁厚;计算

0 前言

目前,建筑物内的高、低温散热器,地板采暖以及太阳能或其他热水输送管道系统得到了越来越广泛的应用,相应国际标准和国家标准陆续出台,这些标准体系的制订和不断完善为冷热水管道提供了生产、设计及使用依据。本文在介绍相关国际标准和国家标准的基础上,通过实例计算,给出了冷热水管道系统使用级别、设计应力和壁厚的确定方法。

1 国际标准体系和国家标准体系

国际标准化组织流体输送用塑料管材、管件及阀门(ISO/TC138)标准化技术委员会负责冷热水输送用管道系统国际标准的制/修订工作,相应我国的全国塑料制品标准化技术委员会塑料管材、管件及阀门分会(SAC/TC48/SC3)负责我国相关国家标准和行业标准的制/修订工作。目前已实际应用的冷热水管道系统材料主要有聚丙烯(PP)、交联聚乙烯(PE-X)、聚丁烯(PB)、氯化聚氯乙烯 (CPVC)和耐热聚乙烯(PE-RT)。1994年,ISO/TC138年会决定,塑料管道产品的国际标准分为7个部分:(1)总则;(2)管材;(3)管件;(4)阀门;(5)系统的适用性;(6)施工安装规范;(7)合格评定指南。目前,冷热水输送用管道系统系列标准中 ,国际标准一般均包括第 1、2、3、5、7部分 ,其中第7部分作为技术规范(ISO/TS)体现,而第6部分另行制订,不在冷热水管道系统系列标准中出现。国家标准体系一般只包括前3个部分,即:总则、管材和管件。根据我国标准体系及使用习惯,将国际标准体系第2部分管材中的材料预测强度参照曲线移到国家标准体系的第1部分总则中,而国际标准体系中第5、7部分相关内容按照我国产品标准制订要求,分别在第2部分管材和第3部分管件中以系统适用性和检验规则等体现,第6部分施工安装规范我国也有相应部门另行制订。

GB/T 18742—2002“冷热水用聚丙烯管道系统”标准是该系列标准中首个转化为我国国家标准的,该标准是依据ISO/DIS 15874:1999制订的,目前该国际标准正式版为2003版,其技术内容基本一致。其后,PE-X、PB、CPVC和PE-RT系列国际标准和相应国家标准也陆续制订并发布实施,可以看出我国冷热水管道系统标准的制订是紧密跟踪国际标准的变化并及时制订完成的。冷热水用塑料管道系统系列标准及国家标准与国际标准的差异如表1所示。此外,国际标准还有ISO 21003:2008“冷热水装置用多层管道系统”系列标准,它是针对 PP、PE-X、PB、CPVC和 PE-RT等材料制成的多层复合管道,我国国家标准尚未制订该系列标准。

表1 冷热水管道系统国际标准和国家标准Tab.1 International and national standards of plastics piping systems for hot and cold water installations

(续表 1)

(续表 1)

冷热水用塑料管道系统系列标准的及时制订,为规范我国冷热水输送管道设计和使用打下了良好基础,促进了我国冷热水管道行业近年来的蓬勃发展。同时也应看到,由于最初我国的冷热水用塑料管道系统标准是跟踪国际标准草案制订的,而随着国际标准的正式版及增补件的出版,我国国家标准也应适时重新修订,以跟上国际标准的变化和发展。

2 冷热水管道系统分级

2.1 GB/T 18991“冷热水系统用热塑性塑料管材和管件”介绍

GB/T 18991-2003[1]“冷热水系统用热塑性塑料管材和管件”是等同参照ISO 10508:1995[2]“冷热水装置用塑料管道系统分类和设计指南”制订的,该国际标准的第二版是2006版。该标准给出了用于压力下输送冷热水的塑料管材及管件(或金属管件)组成的管道系统的分类和设计导则。建立了一个通常使用条件下压力输送冷热水管道系统分级体系,可作为热塑性塑料管材和管件系统性能评价和设计的基础。该标准适用于冷热水,包括饮用水的管道系统以及热水采暖的管道系统;不适用于消防系统和不使用水作加热介质的供暖系统。ISO 10508:1995是 ISO/TC138首次发布的有关对热水使用条件进行分级的国际标准。2006年版作了部分技术修订,特别是删除了1995版中的第六章到第十章关于产品测试和系统适用性试验和要求等内容,相关内容在近年来所制订的冷热水管道系列产品标准中体现。ISO 10508:2006版的分级和使用条件与1995版相比没有根本变化,均是在对实际应用状况研究的基础上建立了应用条件的5个级别,如表2所示。级别1、2为输送热水的级别,级别3、4、5分别为输送供暖用水的级别。

表2 使用条件级别(ISO 10508:2006)Tab.2 Classification of service conditions(ISO 10508:2006)

2.2 归类计算确定冷热水管道系统级别

GB/T 18991-2003(等同 ISO 10508:1995)附录D,即ISO 10508:2006附录A,给出了“时间-温度分布的确定”方法示例。该示例以德国Bremerhaven城市供暖为例,用散热器入口温度决定带多个温度区的温度分布,得到的温度时间分布数据如表3所示。表3中占总时间的份额是用每年的小时数除以一年总的小时数(8760 h),并保留一位小数得到。例如,80～90℃时为148/8760×100%≈1.7%。为将实际温度分布进行“换算”以得到便于设计、计算的温度分布,该标准特作下列规定:(1)温度分布在10℃范围内的小时数均按该温度范围的最高温度对待;(2)当较低温度的应用时间换算到高于其10℃的条件下(如从60～70℃的小时数,换算到80℃的小时数)的时间时,按2.5倍减少(即除以系数2.5);反之,当温度换算到低于其10℃的应用时间时要乘以系数2.5,这是按 ISO 9080[3](GB/T 18252[4])标准的规定;(3)换算系数可取2.5,也可以取2.5～3,在较严酷的条件下的温度-时间分布应取2.5;(4)数据应按规定圆整;(5)异常温度的时间不计算在温度-时间分布中,而在Miner′s规则中考虑。

表3 德国Bremerhaven城市供暖的数据Tab.3 Data for heating in Bremerhaven,Germany

如表3所示,温度分布多处在30～80℃之间,应接近于表2中级别5的条件,将级别5的条件时间除以预测寿命50年,得到相应温度的时间份额分别为90℃,1年除以50年得到2%;80℃,10年除以50年得到20%;60℃,25年除以50年得到50%。本文试图按下述原则将表3数据进行归类:(1)90℃时占总时间的份额为1.7%,圆整为2%;(2)为得到80℃下20%的数据,可考虑由两部分时间组成:已知的80℃下13.2%及抽取70℃下的6%[在此,将70℃下的数据22.3%分解为两部分:15%与7.3%之和,15%向上(80 ℃)折算应除以2.5,得到6%],两者相加,得19.2%,即80℃下可圆整为20%;(3)继续向60℃归类计算,将70 ℃下剩余的7.3%,向下(60 ℃)折算,用2.5乘7.3%得18%,再加上原本60℃时的17.3%,得到35%;而50℃时的19.2%向上(60℃)折算应除以2.5得8%,再加上60 ℃的35%,得43%,即60 ℃圆整为50%。则温度-时间分布结果为:90℃,2%;80℃,20%;60℃,50%。与前面分析的表2中级别5的数据相同。用类似的方法可以确定较低温度和/或不同温度组合的温度-时间分布。

管道生产、设计和使用单位可依据实际使用状况通过上述计算确定管道系统的使用级别。

3 冷热水管道系统50年寿命的设计应力

3.1 原理

冷热水管道系统的设计应力是用温度和时间累计计算得到的[5],ISO 13760[6]Miner′s规则提出了累计破坏的计算方法,把各种因素引起的破坏进行线性加和,达到50年的预期使用寿命。通过试算法,可以先假设一个材料的设计环应力(σ),经过对各个温度的预期使用时间叠加,试算后得到材料预计的使用寿命,若计算结果小于要求的50年的预期使用寿命,则意味着选用的设计环应力太大;若计算结果超过50年的预期使用寿命,则又意味着选用的设计环应力太小,经过反复试算,找到计算结果最接近50年的设计应力值,作为材料的设计应力。

ISO 13760 Miner′s规则规定,如果材料在温度T1连续作用下,经t1年后破坏,则每一年耗用的寿命是1/t1,此分数称为“每年破坏量”。如果不是连续作用,仅仅是每年的一部分时间(时间分数)ai,破坏量就小一些。因此,由T1作用下引起的年破坏量是a1/t1,由温度T2作用的年破坏量是a2/t2,由温度T3作用的年破坏量是a3/t3。每年的破坏量累积加和在一起得到年破坏量总和(DTYD),则有:

由此,材料在1/DTYD=tx年后将发生破坏。如果tx计算值太高或太低,则按前述方法重新计算。通过一步步近似计算,可得到允许的环应力值(σ0)。同时,可以得到50年的有效寿命值。

3.2 总体使用系数

考虑到管道系统使用条件和计算得到允许的环应力值σ0所包含因素以外的管道系统的其他因素,提出了总体使用系数(C)的概念,C的定义见 GB/T 18475[7],它是一个大于1的数值,它的取值考虑了使用条件和管道系统组件的性能,而不考虑置信下限已包含的因素。在相关产品的国际标准中已经给出了不同材料的C值,并为我国相应国家标准所采纳,如表4所示。管道系统的设计应力(σD)为允许的环应力值σ0与C之比。

表4 不同材料的总体使用系数Tab.4 Overall service coefficient for different polymers

3.3 设计应力计算实例

考虑了上述因素后,可以计算管道系统的设计应力σD。根据 ISO 13760附录 A,以 PB为例,选 ISO 10508规定的2级使用条件,来说明该计算的全过程。

对表2所列使用条件的级别2:

T0=TD=T1=70 ℃,时间:49年;

Tmax=T2=80 ℃,时间:1年;

Tmal=T3=95 ℃,时间:100 h。

由表4可见,对于 PB,T1=T0的C值为1.5;T2=Tmax的C值为1.3;T3=Tmal的C值为1.0。

对于 PB,首先尝试选取σD=5.0 MPa时,按式(2)计算寿命tx。

在70 ℃时,计算寿命应力σ=σD×C=5.0×1.5=7.5 MPa,从 GB/T 19473.1曲线纵坐标看,应取第二段曲线对应的公式,即:

将T0=T1=70+273.16=343.16K,σ=7.5 MPa代入式(3)得到t0=t1=5.51×105h;

a0=a1=(49 a×365 d×24 h-100 h)/(50 a×365 d×24 h)×100%=97.98%,即:时间分数a1为97.98%;

则在70℃下的年破坏量为:a1/t1=97.98%/(5.51×105h)=1.78×10-4(%/h)。

同理 ,将Tmax=T2=80+273.16=353.16 K,σ=σD×C=1.3×5=6.5 MPa代入式(3),得到tmax=t2=1.41×105h;

amax=a2=(1 a×365 d×24 h)/(50 a×365 d×24 h)×100%=2%,即:时间分数a2为 2%;

则在80℃下的年破坏量为:a2/t2=2%/(1.41×105h)=1.42×10-5(%/h)。

同理 ,将Tmal=T3=95+273.16=368.16 K,σ=σD×C=1.0×5=5 MPa代入式(3),得到tmal=t3=10.48×103h;

amal=a3=100 h/(50 a×365 d×24 h)×100%=0.0228%,即:时间分数a3为0.0228%;

则在95℃下的年破坏量为:a3/t3=0.0228%/(10.48×103h)=2.17×10-6(%/h)。

年破坏量总和DTYD=∑(a/t)=a1/t1+a2/t2+a3/t3=1.78×10-4+1.42×10-5+2.17×10-6=1.94×10-4(%/h)。

进一步计算寿命估值为:

tx=1/DTYD=1/(1.94×10-4%/h)=58.8 a

因此在尝试设σ=5.0 MPa时,得到58.8年的寿命估值,大于预计的50年预测寿命,只有再提高试设的设计应力σ值,进一步进行试算。

尝试设σD=5.1 MPa时,按式(3)计算寿命tx。

重复上述计算过程,用σD=5.1 MPa替换σD=5.0 MPa。

此时,70℃时σ为5.1×1.5=7.65 MPa,得到:

t0=t1=3.71×105h;

a1=97.98%;

a1/t1=2.64×10-4(%/h)。

80 ℃时σ为5.1×1.3=6.63 MPa,得到:

tmax=t2=1.09×105h;

a2=2%;

a2/t2=1.83×10-5(%/h)。

95 ℃时σ为5.1×1.0=5.1 MPa,得到:

tmal=t3=8.86×103h;

a3=0.0228%;

a3/t3=2.57×10-6(%/h)。

DTYD= ∑(a/t)=2.85×10-4(%/h)。

计算的寿命估值为:

tx=1/DTYD=1/(2.85×10-4%/h)=40.1 a

因此在尝试设σ=5.1 MPa时,得到40.1年的寿命估值,小于预计的50年预测寿命,只有再略微降低试设的设计应力σ值,进一步进行试算。

尝试设σD=5.04 MPa,按式(3)计算寿命tx。

重复上述计算过程,用σD=5.04 MPa替换σD=5.1 MPa。

此时,70 ℃σ为5.04×1.5=7.56 MPa,得到:

t0=t1=4.70×105h;

a1=97.98%;

a1/t1=2.08×10-4(%/h)。

80 ℃时σ为5.04×1.3=6.55 MPa,得到:

tmax=t2=1.23×105h;

a2=2%;

a2/t2=1.63×10-5(%/h)。

95 ℃时σ为5.04×1.0=5.04 MPa,得到:

tmal=t3=9.47×103h;

a3=0.0228%;

a3/t3=2.41×10-6(%/h)。

DTYD= ∑(a/t)=2.27×10-4(%/h)。

因此在尝试设σ=5.04 MPa时,寿命估值为:

tx=1/DTYD=1/(2.27×10-4%/h)=50.3 a

继续试算,在尝试设σ=5.05 MPa时,

此时,70℃时σ为5.05×1.5=7.575 MPa,得到:

t0=t1=4.51×105h;

a1=97.98%;

a1/t1=2.17×10-4(%/h)。

80 ℃时σ为5.05×1.3=6.565 MPa,得到:

tmax=t2=1.19×105h;

a2=2%;

a2/t2=1.68×10-5(%/h)。

95 ℃时σ为5.05×1.0=5.05 MPa,得到:

tmal=t3=9.24×103h;

a3=0.0228%;

a3/t3=2.47×10-6(%/h)。

DTYD=∑(a/t)=2.36×10-4(%/h)

因此在尝试设σ=5.05 MPa时,寿命估值为:

tx=1/DTYD=1/(2.36×10-4%/h)=48.4 a

由上述试算可得:对于 PB,当σD=5.0 MPa时,寿命预测为 58.8年;当σD=5.1 MPa时,寿命预测为40.1年;当σD=5.04 MPa时,寿命预测为 50.3年;当σD=5.05 MPa时,寿命预测为48.4年。

由此,σD=5.04 MPa最接近预测50年使用寿命。最终得到PB热水管在使用级别为2级时的设计应力为5.04 MPa。其他不同热水管材料各级别的设计应力σD均可按此方法计算,如表5所示。这些数据可在相应产品国际标准或国家标准中查到。上述计算过程详细给出了如何得到这些数据的示例,可清楚得知这些数据的来源。

表5 不同材料的设计应力Tab.5 Design stress for different polymers

4 冷热水管道系统壁厚计算

4.1 冷热水管道系统的S值和标准尺寸比

在常温输水用塑料管材的产品标准中,列表规定在各个公称压力下,各个公称外径所对应的管材壁厚。热水管材的使用条件比较复杂,无法简单列表规定对应于工作压力、使用温度级别和管材公称外径要求的厚度。因为在压力比较高、温度比较低的使用条件下的管材厚度,可能同时适合于压力比较低、温度比较高的使用条件,为此,本文采用 GB/T 19278[8]定义的塑料管系列S值来描述,S值是与公称外径和公称壁厚有关的无量纲数,可用于指导管材规格的选用。S值可由式(4)或(5)计算,并按一定规则圆整。

式中P——最大允许操作压力

SDR——塑料管材标准尺寸比,定义为管材的公称外径(dn)与公称壁厚(en)的比:

国家标准中不同材料的S值如表6所示,材料的S值越小,其壁厚值越大。

表6 不同材料的S值Tab.6 Svalue for different polymers

4.2 壁厚计算

在实际应用中,用式(5)计算出管系列S的计算值(Scale),将计算结果靠到标准规定的公称S值,然后便可得到管材公称壁厚值。

因此,在冷热水用塑料管材中只规定管系列S值。由式(4)和式(6)推导出式(7),计算管材的公称厚度(en):

由于标准规定的冷热水用塑料管材厚度,应在一定工作压力下,除满足使用级别要求外,还应满足在20℃、1 MPa条件下安全使用50年的要求。因此,在标准中要求对比在上述两个条件下分别计算出的管系列S值,取其中较小值作为厚度确定的依据[9]。

以PB为例(ISO 15876.2,GB/T 19473.2附录A),对表2中使用级别2,0.6 MPa压力下,从表5可知σD=5.04 MPa。按式(6)得Scale=σD/P=5.04/0.6=8.4。同时管材应满足20 ℃、1.0 MPa、50年的要求 ,从表 5 可知 ,此时σD=10.92 MPa,Scale=σD/P=10.92/1.0=10.9。比较2个Scale值,取较小的 8.4作为厚度确定的依据。

从 GB/T 10798[10]中的表2查到小于8.4的最接近公称S系列是8,壁厚计算按式(7),因此,当管径为63 mm时,壁厚e=63/(2×8+1)=3.706,向上圆整,标准中该值取为3.8。同理,可计算任一热水管系列的S值和壁厚。

再以 PP-R为例,5级,0.6 MPa时,Scale=σD/P=1.90/0.6=3.2。与 20 ℃、1.0 MPa、50年的Scale=6.93/1.0=6.93比较,取较小值3.2,向下最接近的S系列值为3.2,当管径为63 mm时,则e=63/(2×3.2+1)=8.51,向上圆整,标准中该值取为8.6。

表1中所列冷热水用管道系统国际标准和国家标准中的壁厚均按此方法计算得到。另外,由于刚度的需要,上述标准中还规定了相应产品的最小壁厚。

4.3 壁厚计算方法归纳

(1)按照 GB/T 18991(ISO 10508)确定冷热水管道系统的使用级别;

(2)按照 ISO 13760 Miner′s规则 ,通过试算法确定达到50年寿命的设计应力σD;

(3)计算相应使用级别下的Scale值,同时计算满足20 ℃、1.0 MPa、50年要求的Scale值,两者比较,取较小值,再向下取到相应圆整的S值;

(4)采用式(7)计算冷热水管道系统的壁厚值。

5 结语

本文融会贯通了冷热水管道系统系列标准,通过对比冷热水用塑料压力管道系统国际标准和国家标准,分析了国家标准与国际标准体系的异同;同时运用Miner′s规则,对实际使用状况下的供暖数据归类计算得到了冷热水管道系统级别;并且通过实例计算得到冷热水管道系统标准中设计应力和管材壁厚,为了解、使用冷热水管道标准体系,按标准方法科学计算设计使用参数提供了依据。

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Analysis of Standards of Plastics Piping Systems for Hot and Cold Water Installations and the Basic Calculation

XIE Jianling
(Research Institute of Qilu Branch Co,SINOPEC,Zibo 255400,China)

The international standards and national standards and recent amending for plastic pressure piping systems for hot and cold water installation were introduced.Focusing on the properly designing and selecting technical parameters,calculation examples were provided to show how to determine the piping grade,level of pressure,and the pipe thickness.

hot and cold water;plastics pipe;standard;classification of service condition;design stress;wall thickness;calculation

TQ320.72+4

A

1001-9278(2010)08-0091-08

2010-05-04

联系人,xiejl@riqpc.com