热塑性冷热水管材的长期静液压强度研究

马小伟，胡 斌，乔亮杰，龚毅斌

（中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆 克拉玛依 833699）

随着国内经济高速发展、老旧管网逐步施工改造，市政、家装、工业用管道需求量呈快速上涨趋势。热塑性冷热水管道由于具备优异的耐长期高温蠕变性能、质量轻、售价低、耐腐蚀、易施工、可热熔连接等特点逐渐替代传统金属管道。据不完全统计，2018年，国内市场无规共聚聚丙烯（PPR）及结晶改善型无规共聚聚丙烯（PP-RCT）管道原材料供应量超过770 kt，嵌段共聚聚丙烯（PPB）管道原材料供应量超过270 kt，耐热聚乙烯（PE-RT）管道原材料供应量超过320 kt。此外，也有部分均聚聚丙烯（PPH）、聚1-丁烯（1-PB）等管道原材料供应于国内市场。本工作基于GB/T 18742—2017，GB/T 28799—2020，GB/T 19473—2020提供的最小预测静液压强度四参数模型，分析涵盖PPR，PPB，PPH，PP-RCT，PE-RT Ⅰ型、PE-RT Ⅱ型和1-PB等热塑性冷热水管材料以管材形式的长期静液压强度水平，并计算在典型使用条件级别下，各种热塑性冷热水管材料的性能特点，本工作开展的管道承压性能分析均是基于相关标准提供的参照曲线模型，不适用于具体原料牌号间的比对，也未考虑管道施工过程的影响。

1 最小预测静液压强度四参数模型及参照曲线

1.1 最小预测静液压强度四参数模型（10～ 95 ℃）

最小预测静液压强度四参数模型见式（1）～式（12）。

式中：第一支线为韧性破坏曲线；第二支线为脆性破坏曲线；t为时间，h；T为温度，K；σ为环应力，MPa。

1.2 最小预测静液压强度参照曲线（20 ℃和95 ℃）

根据最小预测静液压强度四参数模型，得到20，95 ℃最小预测静液压强度参照曲线，从图1可以看出：PB管道承压水平（50年）最高；20 ℃时PE-RT Ⅰ型管道承压水平（50年）最低；95 ℃时PPB管道承压水平（50年）最低。

图1 20 ℃与95 ℃时最小预测静液压强度参照曲线Fig.1 Reference curves of minimum predicted hydrostatic strength at 20 ℃ and 95 ℃

1.3 拐点表现

从表1看出：任何温度条件下，PE-RT Ⅱ型管道和PP-RCT管道不允许出现拐点，PB管道允许出现拐点；PE-RT Ⅰ型管道、PPR管道、PPB管道、PPH管道在20 ℃时不允许出现拐点，在95 ℃时允许出现拐点。聚烯烃管道在静液压试验中的破坏形式包括脆性破坏、韧性破坏和混合破坏模式，大量静液压试验结果显示：对于同一材料，韧性破坏出现于高环应力、低实验温度、低破坏时间的实验中，而高实验温度、低环应力、长时间实验易引起脆性破坏。若材料出现脆性破坏，则材料承压性能会迅速下降，因此，用于高温使用条件的冷热水管道除了关注承压水平外，还需关注韧脆转化过程。依据标准计算各管道韧脆转化拐点出现的位置，并进行分析：PE-RTⅡ型管道和PP-RCT管道在110 ℃以下任何温度，8 760 h内不允许出现脆性破坏，即表明标准对这两种材料长期静液压强度要求非常高，而其他管道因为使用条件级别不同，虽然参照曲线上均出现了拐点，但承压水平并不相同，如1-PB管道虽然允许有拐点存在，但其在50年内的长期使用性能仍高于采用其他材料制备的管道。因此，评估冷热水管道的性能需同时参考承压水平和韧脆转化的影响。

表1 热塑性冷热水管道拐点表现Tab.1 Performance of thermoplastic hot and cold water pipes at inflection points

上述计算及分析均是基于相关国家标准提供的最小预测静液压强度四参数模型，对于具体管道静液压强度的拟合曲线根据材料性能不同有较大差异，如虽然从参照曲线上看95 ℃时PE-RTⅡ型的长期静液压强度（50年）高于PP-RCT，但实际中可能存在一种更高性能的PP-RCT管材料承压曲线高于一种低性能的PE-RTⅡ型管材料承压曲线。

2 典型使用条件级别的应用

2.1 20 ℃/50年及70 ℃/50年的最小静液压环应力

从表2可以看出：20 ℃/50年使用条件下，最小静液压环应力由大到小依次为1-PB，PP-RCT，PPR，PPH，PE-RTⅡ型，PPB，PE-RT Ⅰ型；70 ℃/50年使用条件下，最小静液压环应力由大到小依次为1-PB，PE-RTⅡ型，PP-RCT，PE-RT Ⅰ型，PPR，PPH，PPB。

表2 最小静液压环应力Tab.2 Minimum hydrostatic ring stress MPa

1-PB管道的常、高温长期使用性能最优；PPB管道的常、高温长期使用性能较差；PP-RCT管道和PE-RT Ⅱ型管道的常、高温使用综合性能较好，PPR管道较PE-RT Ⅱ型常温使用性能好，高温使用性能略显不足；PE-RT Ⅰ型管道更适用于高温环境使用；PPH管道更适用于常温环境使用。

在实际应用中还应考虑使用条件和管路其他附件的特征对管系的影响，因此，为保证置信下限所包含因素之外的安全裕度，需要参考相应条件下的总体使用系数计算设计环应力。

2.2 典型使用条件级别的设计环应力

GB/T 18991—2003中典型使用条件级别包括级别1～级别5［4］；根据GB 50736—2012规定的设计条件［5］，提出二次供暖使用条件包括45 ℃供暖、60 ℃供暖和75 ℃供暖。每个级别均对应一个50年的设计寿命下的使用条件，各条件下的温度与时间分布参照表3。

表3 典型使用条件级别Tab.3 Typical use condition levels

表4为典型使用条件级别设计环应力的值，其中，各类管道在级别1、级别2、级别4、级别5条件下的设计环应力已在相应的国家标准中给出。对于级别3，45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖，根据Miner′s累计损伤原则［4］，计算热塑性冷热水管道的设计环应力，对于有拐点的参照曲线，韧性破坏的损伤量和脆性破坏的损伤量应分别累计，哪种破坏模式的损伤量先累计到100%或者在保证50年使用的情况下设计环应力更低，实际上就发生这种破坏模式［6］。这样应该分别按第一支线和第二支线四参数模型计算，优先发生破坏的应取为管道的设计环应力。从表5看出：在级别3，45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖四个使用条件级别下，PPB和1-PB均呈现脆性破坏，PE-RTⅠ型，PPR，PPH，PE-RTⅡ型，PP-RCT呈现韧性破坏。

表4 典型使用条件级别设计环应力Tab.4 Designed ring stress at typical use condition levels MPa

表5 根据第一支线和第二支线确定设计环应力Tab.5 Designed ring stress according to first and second branch lines MPa

从表4和表5还可以看出：不同管道使用要求由低到高的环境如下：

PE-RT Ⅰ型：级别3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖<75 ℃供暖＜级别1＜级别4＜级别2＜级别5；

PPR：级别3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜级别4＜级别1＜级别2＜级别5；

PPH：级别3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜级别4＜级别1＜级别2＜级别5；

PPB：级别3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜级别4＜级别1＜级别2=级别5；

1-PB：级别3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜级别1＜级别4＜级别2＜级别5；

PE-RT Ⅱ型：级别3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖<75 ℃供暖＜级别1＜级别2＜级别4＜级别5；

PP-RCT：级别3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75℃供暖＜级别4＜级别1＜级别2＜级别5。

级别3使用条件对管道要求最低，其次为45℃供暖、60 ℃供暖和75 ℃供暖，级别5使用条件对管道要求最高。对于PPR，PPH，PPB，PP-RCT管道，级别4、级别1、级别2使用条件要求由低到高依次处于75 ℃供暖和级别5之间。对于PERTⅠ型和1-PB管道，级别1、级别4、级别2使用条件要求由低到高依次处于75 ℃供暖和级别5之间。对于PE-RTⅡ型管道，级别1、级别2、级别4使用条件要求由低到高依次处于75 ℃供暖和级别5之间。

根据设计环应力可以得出管道承压水平：

级别1：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RT Ⅰ型＜PP-RCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB；

级别2：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RT Ⅰ型＜PPRCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB；

级别3：PPB＜PE-RT Ⅰ型＜PPH＜PPR＜PERT Ⅱ型＜PP-RCT＜1-PB；

级别4：PPB＜PPH＜PE-RT Ⅰ型＜PPR＜PERT Ⅱ型＜PP-RCT＜1-PB；

级别5：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RT Ⅰ型＜PPRCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB；

45 ℃供暖：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RTⅠ型＜PP-RCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB；

60 ℃供暖：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RT Ⅰ型＜PP-RCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB；

75 ℃供暖：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RT Ⅰ型＜PP-RCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB。

各使用条件下，PPB管道承压性能最差，1-PB管道承压性能最优。在级别1、级别2、级别5、45℃供暖、60 ℃供暖、75 ℃供暖条件下，管道承压水平由低到高依次为PPB，PPH，PPR，PE-RT Ⅰ型，PP-RCT，PE-RT Ⅱ型，1-PB。在级别3条件下，管道承压水平由低到高依次为PPB，PE-RT Ⅰ型，PPH，PPR，PE-RT Ⅱ型，PP-RCT，1-PB。在级别4条件下，管道承压水平由低到高依次为PPB，PPH，PERT Ⅰ型，PPR，PE-RT Ⅱ型，PP-RCT，1-PB。

2.3 管系列计算

管系列值由环应力除以内压得到，用以指导管材规格的选用，计算管系列需要引入不同的内压，因此，相同的管道在不同内压条件下管材制品的规格是不同的，常见的内压包括0.4，0.6，0.8，1.0 MPa。管材按管系列分为S2.0，S2.5，S3.2，S4.0，S5.0，S6.3，S8.0，S10.0，由上面管系列选择，使其不大于最大管系列，由此计算的管系列值见表6。

表6 管系列值计算Tab.6 Calculation of tube series

管系列值越高，同等规格管材的壁厚越薄，从表6可以看出：以1-PB管道和PPB管道为例，在使用级别1与0.6 MPa的内压条件下，1-PB管道的管系列为S8.0，PPB管道的管系列为S2.5，如果管道外径同为20 mm，1-PB管道最小壁厚为1.3 mm［10］，PPB管道最小壁厚为3.4 mm［10］，这时使用1-PB管道可大幅节省原料，其他管道尺寸比较以此类推。然而，1-PB管道由于生产成本较高，目前国内市场中除了部分高端市政工程外，其他领域少有使用。在相同条件下，PE-RT Ⅱ型管道较其他管道选用管系列值更高，在使用中性能优势较为明显，是一种综合了使用性能、经济成本的优选材料。在实际应用过程中，还应考虑加工成型性和工程施工等要求。如PE-RT Ⅰ型、1-PB管道由于具备优异的柔韧性而更适用于地暖盘管，PERT Ⅱ型管道由于具备加工大口径管材的抗熔垂性能、优异的耐高温蠕变性能而更适用于市政二次管网领域，PPR系管道由于具备高挺度和耐高温性能而更适用于家装热水输送管道。

3 结论

a）任何温度条件下，PE-RTⅡ型管道和PPRCT管道参照曲线不允许出现拐点，1-PB管道参照曲线允许出现拐点；PE-RT Ⅰ型管道、PPR管道、PPB管道、PPH管道参照曲线在20 ℃时不允许出现拐点，在95 ℃时允许出现拐点。

b）20 ℃/50年使用条件下，最小静液压环应力水平为：1-PB＞PP-RCT＞PPR＞PPH＞PE-RT Ⅱ型＞PPB＞PE-RT Ⅰ型。70 ℃/50年使用条件下，最小静液压环应力水平为：1-PB＞PE-RT Ⅱ型＞PPRCT＞PE-RT Ⅰ型＞PPR＞PPH＞PPB。1-PB管道的常、高温长期使用性能最优；PPB管道的常、高温长期使用性能较差；PP-RCT管道和PE-RT Ⅱ型管道的常、高温长期使用综合性能较好。

c）在多温度条件下使用时，对于同一种原料，使用环境要求由低到高依次为级别3、45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖，级别5使用条件要求最高。整体来看，1-PB管道性能最优，其次为PERT Ⅱ型，PP-RCT，PE-RT Ⅰ型，PPR，PPH，而PPB管道承压性能最差。

d）管道承压能力不同，管系列值也不同，高耐压型原料制备同等规格管材所需的壁厚更薄，可以节省原料，经计算，在各条件下1-PB管道的管系列值最高，PPB管道的管系列值最低，其他类型管道根据使用条件和内压会有差异。