PE-RTⅡ型耐热聚乙烯保温复合塑料管的设计应用

董岁具 孙伟丽 杨泉

（1.郑州市热力总公司，河南 郑州 450006；2.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，河南 郑州 450044）

PE-RTⅡ型耐热聚乙烯保温复合塑料管的设计应用

董岁具1孙伟丽2杨泉1

（1.郑州市热力总公司，河南 郑州 450006；2.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，河南 郑州 450044）

本文以某小区供暖改造工程项目为例，通过介绍PE-RTⅡ型管道材料性能及使用条件，整理管道规格的选取方法，汇总塑料管道设计计算公式，提出管道安装中连接时的注意事项，总结PE-RTⅡ型耐热聚乙烯保温复合塑料管在低温热水供暖管网工程设计中的选型过程和计算方法。

保温复合塑料管；PE-RTⅡ型塑料管；直埋敷设；设计应用

集中供暖由于能源综合利用率高，是目前我国北方地区较普遍的供暖方式。小区内供暖二极管网普遍使用埋地钢质管道，在使用中频频出现由于接头腐蚀产生泄漏和损坏、腐蚀和锈蚀产生锈渣污染水质，并堵塞仪表阀门等部件，出现了管网使用寿命短、供暖热计量无法真正实现等问题。为解决目前存在的问题，国家建设主管部门把耐热性能好的PE-RTⅡ型塑料管道引入供暖行业，用于集中供暖的二极管网。

由于PE-RTⅡ型耐热聚乙烯保温复合塑料管是近两年国内刚推出的新型管材，目前该管材的设计应用还不是很多，本文以郑州市某小区供暖改造工程为例，从管材性能分析和关键参数选取、管道选型和作用力计算方法、安装连接注意事项等角度，归纳整理PE-RTⅡ型耐热聚乙烯保温复合塑料管的设计应用。

本项目为郑州市20世纪80年代建成的多层住宅小区，建筑最高楼层为7层，建筑高度最大为21m，总建筑面积5.4万m2，最大供热半径约为200m。项目采用热水供暖系统，热源为由小区内热力站，设计热负荷3 240kW，设计供回水温度为70/50℃，二极管网设计压力0.6MPa，采用直埋敷设。根据室外气温情况，在满足典型测点房间室温不低于标准值的要求下，二极管网采用质-量并调的调节运行方式。

1 管道材料性能

1.1 管道设计使用寿命和设计应力

PE-RTⅡ型保温复合塑料管道作为一种新型耐热聚乙烯管道，具有耐腐蚀性，使用寿命长的特点［1］。国家标准《塑料管道系统用外推法确定热塑性塑料材料以管材形式的长期静液压强度》（GB/T18252-2008）中规定，对于PE-RTⅡ型耐热聚乙烯工作管，当40℃≤ΔT＜50℃时，外推时间因子ke为50，即可推出保温复合塑料管材在70℃下应用的外推时间极限可达50a。考虑到供暖系统不是常年连续运行，PE-RTⅡ型保温复合塑料管道在70℃下的供暖系统使用寿命可以超过50a。

PE-RTⅡ型工作管及管件的设计应力是选用管道规格的重要基础参数，该值与具体的温度、时间条件紧密相关，至于工程中低温热水供暖系统的选用，有两种方法。

第一种，在《冷热水用耐热聚乙烯（PE-RT）管道系统》（GB/T28799）中按照使用条件级别查取使用。标准中对于热水供暖系统有两种使用条件级别，即地板下供热和低温暖气、较高温暖气，对应的设计应力值分别为3.60MPa和3.16MPa。地板下供热和低温暖气级别对应的设计温度为60℃时使用时间25a，设计温度为40℃时使用时间20a，设计温度为20℃时使用时间2.5a，最高温度70℃时使用时间2.5a，故障温度100℃时使用时间100h。对比本工程70/50℃的设计供回水温度和管网运行条件，按照地板下供热和低温暖气级别选取设计应3.60MPa可以满足工程要求。经分析，该标准中推荐的两种级别的温度和时间使用条件情况更加趋近于严寒地区的管网运行条件，对于郑州市来说，温度和时间使用条件情况与严寒地区的有所不同，直接选用该取值虽可以满足工程要求，但是较为保守。

第二种，可以依据管网运行条件和当地的气象参数情况，自行确定使用条件，根据《冷热水系统用热塑性塑料管材和管件》（GB/T18991）中Miner's规则可以计算相应条件下的设计应力。依据郑州市的供暖运行情况，本工程温度和时间条件设计温度为60℃下时使用时间10a，40℃时使用时间25a，冷态温度20℃时使用时间14a，最高温度75℃时使用时间1a，故障温度95℃时使用时间100h。计算过程中，设计系数取值情况为：设计温度对应取1.5，最高温度对应取1.3，故障温度对应取1.0，冷态温度对应取1.25。设计应力计算结果为4.02MPa，本工程PE-RTⅡ型工作管管材的设计应力也可以取值为4.02MPa。

1.2 管材耐温耐压性能

根据管材的预测静液压强度参照曲线，按照曲线中参数，管材在一定的试验温度下，管材在不被破坏时间内对应的静液压强度（环应力）值，从而可知管材的耐温性能与设计应力的使用时间直接相关。按照管道设计使用寿命和设计应力的有关数据可知，PE-RTⅡ型保温复合塑料管道在70℃时的供暖系统使用寿命可以超过50a。当供暖系统的设计温度高于70℃且管网运行情况比标准中推荐的使用条件要求高时，需要验算管材的耐温性能是否可以满足工程要求。工程设计中，可以在设计寿命为50a的设定条件下，根据工程的设计温度和管网运行条件，确定管道寿命周期内温度的时间分布情况，按照Min⁃ er's规则，计算管材的设计应力，再依据工程设计压力，校核设计应力取值是否可以满足工程选用管道规格的需要，进而确定管材的耐温性能是否满足要求。PE-RTⅡ型工作管可以满足国内常用的低温热水散热器（设计供水温不超过85℃）供暖系统的温度要求。

管材的最大允许工作压力可按公式（1）计算：

式1中：P为最大允许工作压力，MPa；σD为对应级别下的设计应力MPa；dn为公称外径，mm；en为公称壁厚，mm。

对于本工程，管道系列按照常用S5和S6.3系列选取情况下，计算的最大允许工作压力分别为0.80MPa和0.630MPa，设计压力0.6MPa小于最大允许工作压力，满足要求。

1.3 线性膨胀、弹性模量特性

耐热聚乙烯PE-RT II型材料的线性热膨胀系数为1.2×10－4m/mK，而常用的材质为Q235-B的钢管的线性热膨胀系数为1.2×10－5m/mK，PE-RT II型的线性热膨胀系数是钢管的10倍左右。

根据资料，不同计算温度下PE-RTⅡ型管材的弹性模量值如下：20℃时为850MPa，60℃时为330MPa，80℃时为160MPa。而钢管的弹性模量为206 000MPa，是PERT II材料的200多倍，而且PE-RT II的弹性模量还会随着温度升高而减少。

因此，相同的应用条件下，塑料管的膨胀力一般不到钢管的1/50。钢管是100%弹性的材料，和传统的金属材料不同，PE-RTⅡ型材料是一种粘弹性材料，粘弹性材料具有弹性和粘性的双重特性。塑料管和钢管的另一个区别体现在热胀冷缩特性上，塑料管的膨胀量很大，但是膨胀力很小；而钢管相反，膨胀量很小，膨胀力很大。

2 工作管和外护管的规格及选取

2.1 PE-RTⅡ型保温复合塑料管工作管的管道规格尺寸

PE-RTⅡ型工作管及管件的管系列（S）应根据管道在相应使用条件下的设计应力和管道系统设计压力来计算。S值可按公式（2）计算，按照管系列分级规则向下圆整。

式2中：S为管系列；σD为设计应力，MPa；P为系统设计压力，MPa。

针对本工程，系统设计压力为0.6MPa，设计应力按照查取的3.60MPa，计算结果为6，管系列选取为S5；设计应力按照核算的4.02MPa，计算结果为6.6，管系列可选取为S6.3。由此可见，根据情况核算设计应力值，可以更好地选取管道规格，在满足技术要求的前提下节省工程投资。

2.2 外护管的规格尺寸

外护管的工程外径应根据设计温度参数按照规范计算不同管径工作管的保温厚度，依据工作管管径和计算确定的保温厚度，选取外护管的公称外径，然后查外护管公称直径和最小壁厚表（见表1），根据外护管公称直径和最小壁厚可以选取高密度聚乙烯外护管的规格尺寸。

表1 外护管公称直径和最小壁厚

3 管道应力计算与作用力计算

本工程采用无补偿直埋敷设，复合塑料保温管道的应力验算按照《城镇供热直埋热水管道技术规程》的相关要求，应采用应力分类法。供热介质参数和安装温度应符合下列规定：①热水管网供、回水管道的计算压力应采用循环水泵最高出口压力加上循环水泵与管道最低点地高差产生的静水压力；②管道工作循环最高工作压力，应采用室外采暖计算温度下的热网计算供水温度；管道工作循环最低温度，对于全年运行的管网温度设计应为30℃，对于只在采暖期运行的管网温度设计应为10℃；③计算安装温度取安装时当地的最低温度。

复合塑料保温管道如采用固定安装，锚固安装的应力计算应考虑保温复合塑料管道的自由膨胀力大小。单位长度塑料管道自由膨胀力应按公式（3）计算。

式3中：F为轴线方向每米管道的自由膨胀产生的应力，kN；E为工作温度下PE-RTⅡ的弹性模量，MPa；A为管道截面积，m2；λ为材料的线型膨胀系数，一般取1.2×10-4m/（m·K）；ΔT为安装时温度和最高工作温度的温度差，K。

由公式（3）可知，管道的自由膨胀力与温差、管道的截面面积、管道材料的线性膨胀系数以及管道材料的弹性模量有关。弹性模量越大，膨胀力越大，管道的截面面积越大，膨胀力越大。工程设计中，考虑到运行时的最不利情况，PE-RTⅡ型管材的弹性模量一般按照20℃时850MPa取值较为合理。

4 管道安装与连接注意事项

①工作管公称外径小于90mm时，宜采用电熔管件进行连接；工作管公称外径大于等于90mm时，应采用热熔对接连接或电熔承插焊接。

②管材、管件连接必须根据不同连接形式选用专用的连接工具。焊接机具应由管材、管件供应商予以确认。

③应采用相同牌号材料生产的管材和管件进行电熔焊接连接和热熔对接连接，当无法避免时应进行焊接工艺评定。

④复合塑料保温管道工作内管与金属管道或阀门、流量计、压力表等管道配件的连接可采用法兰连接。

5 结论

①PE-RTⅡ型复合塑料保温管的设计使用寿命为50a，对于设计供水温度不超过70℃的低温热水供暖管网系统，考虑到不是常年连续运行，设计使用寿命可以超过50a，使用寿命方面优于目前常用的钢质管道。

②设计应力的取值关系管道规格的选用，进而影响工程投资，设计时宜根据工程的设计参数和管网运行条件，计算确定管道的设计应力值。

③PE-RTⅡ型复合塑料保温管的工作管，产品中有固定的管系列分级，相应系列的公称直径对应固定的公称壁厚，管道规格的选取应先根据设计应力和系统设计压力确定管系列，再根据水力计算在管系列中选用管道规格。

④设计文件中要明确管道连接方式和安装要求，确保管道接头的严密性和可靠性。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.GJJ/T81-2013.城镇供热直埋热水管道技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版，2013.

The Design and Application of PE-RTⅡHeat Resistant Polyethylene Thermal Insulation Compound Plastic Pipe

Dong Suiju1Sun Weili2Yang Quan1
（1.Zhengzhou Heating General Corporation，Zhengzhou Henan 450006；2.Henan Province Urban and Rural Planning and Design Research Institute Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450044）

In this paper,with an actual example of a heating reconstruction project,the performance and operating conditions of PE-RT type pipe material were introduced,the selection of the pipe size and the formula for design and calculation of plastic pipe were collected.It obtained that the attentions of connection mode of pipingsysteminstalla⁃tion.The selection process and calculation method of PE-RT type heat resistant polyethylene composite pipe that used in low temperature hot water heating pipe network were summarized.

insulation composite plastic pipe；PE-RTⅡtype plastic pipe；directly buried installation；design andap⁃plication

TU995

A

1003-5168（2017）08-0054-03

2017-07-03

董岁具（1981-），男，本科，工程师，研究方向：供热工程。