新材料—高密度耐热聚乙烯(PE-RT Ⅱ)管道在供热上的应用

   集中供暖能源综合利用率高,便于管理,是目前我国北方地区较普遍的供暖方式。从80年代末开始,市政热力管道迎来了聚氨酯预制保温管时代,它是以聚氨酯硬质泡沫塑料为保温层,工作管为钢管,高密度聚乙烯为外护管的直埋管道。聚氨酯保温直埋管道具有耐压、耐高温等特点,但在输送热水的过程中,易受热水介质及其中的离子腐蚀,使管道寿命缩短,还会污染水质,引起锈渣堵塞仪表阀门(如热量表)等问题。其次,由于接头采用焊接方式连接,受工人技术水平影响难以保证焊缝质量,易发生泄漏事故。因此,钢质管道在一定年限后,运行维修成本较高。

 

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  1 高密度耐热聚乙烯材料简介

 

  耐热聚乙烯(Polyethylene of Raised Temperature Resistance,简称PE-RT),是通过与己烯等烯烃共聚获得优异的长期耐热稳定性以及优良的长期静液压强度;同时保留了传统高密度聚乙烯优异的焊接性能(热熔对接焊接、电熔连接)、低温抗冲击性能(低至-40℃)、耐开裂性能优秀(划痕是否会引起快速脆性破坏)等特征。

 

  目前,耐热聚乙烯已经发展到高密度耐热聚乙烯II型。高密度耐热聚乙烯(PE-RT Ⅱ)和所有的聚烯烃材料一样,都是由碳和氢组成的高分子聚合物,化学稳定性很好,对于常见的酸、碱以及盐具有很好的耐腐蚀性。聚烯烃材料的性能取决于材料的结构,主要的影响因素包括分子量分布以及共聚单体的种类。聚乙烯类聚合物的共聚单体包括己烯、丁烯和辛烯,共聚单体分子链越长,越能形成更多的连接链。从分子量的分布来看,有单峰分布的,也有双峰分布的,双峰的分子量分布具有更好的综合性能,因为低分子量部分确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压性能以及长期的稳定性。此外,PE-RT Ⅱ型材料是一种粘弹性材料,具有弹性和粘性的双重特性,因此有很好的可塑性和减小外界应力损伤。

 

  道达尔公司PE100级高密度耐热聚乙烯XSeneXRT70为国外PE-RT Ⅱ型塑料的代表,该材料的物理性能如表1所示。

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  国内近年来也攻克了PE-RT II型的生产,齐鲁石化生产的QHM22F高密度耐热聚乙烯PE-RT II型于2016年进入市场,获得好评。

 

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  2 高密度耐热聚乙烯保温管的特点

 

  高密度耐热聚乙烯保温管是以耐热聚乙烯(PE-RT Ⅱ)树脂及专用色母料经过混合挤出成型为工作内管,以聚氨酯材料为保温层,以高密度聚乙烯管材为外护管,公称压力不大于1.0MPa,最大输送热水温度不超过80℃的室外集中供热复合管材。适用于热力预制直埋管、以及高温热水管道系统等,尤其在北方应用于城镇供热系统二次管网以及温泉保温管道系统。

 

  高密度耐热聚乙烯保温管和钢管的另一个区别体现在热胀冷缩特性上,PE-RT II型PE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。因此,相同的应用条件下,PE管的膨胀力一般不到钢管的1/50。对于集中供热二级管网用的预制保温PE管而言,管道轴向应力主要包括管道热胀冷缩产生的热胀应力,保温层和工作管之间的剪切应力以及外护管与土壤之间的摩擦应力。当外护管与土壤之间的摩擦力大于或等于管道产生的热胀力时,管段将不会产生热位移。工作管的轴向热胀力远小于工作管和保温层之间的剪切力,因此工作管和保温层之间不会出现脱层现象。这就意味着:因此管道完全可采用直埋无补偿的方式进行敷设,且无需采用额外的固定措施,可减小投资和施工难度。

 

  根据资料显示,高密度耐热聚乙烯管较普通的钢管还具有以下特点:

 

  (1)保温性能好,内层导热系数仅有0.42W/m.K,热损失远低于钢管,长期运行可节约大量能源,显著降低能源成本。

 

  (2)具有很强的防水和耐腐蚀能力,密封可靠,不渗不漏;无锈蚀,不污染水质,不结垢堵塞,在热力管网的日常管理和维护上有较大优势。

 

  (3)在低温条件下也具有良好的耐腐蚀和耐冲击性,材料脆化温度达-70℃,能轻松应对在寒冷地区使用。

 

  (4)耐压耐温,性能可靠,70℃下使用寿命可达50年。

 

  (5)热熔对接和电熔焊接方便,牢固可靠。

 

  (6)施工工艺简单快捷,施工安装方便,不需附设管沟,可直接埋入地下。该特点大大节省了PE-RT II管道的施工成本,缩短了施工周期。综合考虑人工费、材料费和机械设备的费用,PE-RT II管道的施工成本相对于钢管能节省30%。

 

  (7)该类管道具有优异的耐快速开裂和耐慢速裂纹增长性能,压扁后可恢复;一旦管道出现断裂,破损等情况,可利用压管器实现局部阻水作业,方便紧急维修,节约成本与时间。

 

  (8)经济可行性:90mm以下直径,高密度耐热聚乙烯管材料成本与钢管相当;110mm以上,较钢管高10~20%。若结合施工及运行,高密度耐热聚乙烯管在dn355以下经济性高于钢管。

 

  3 国内外高密度耐热聚乙烯保温管的应用现状

 

  (1)国外应用现状

 

  高密度耐热聚乙烯保温管首先出现于欧洲,由原材料、管道生产商和供热单位共同开发,并形成产品。由于西欧居民用户普遍采取分散式供暖,集中供暖主要集中在东欧地区,因此,市政供热管道也大多数集中在东欧。在这些国家中,高密度耐热聚乙烯保温管已经在小区二级供热管网中应用多年。如1987年在奥地利Lichtenegg集中供热管网系统中就使用了3kmDN20~125mm的预制直埋保温PE管道。该管网使用已经近30年,运行状况良好;冰岛首都雷克雅未克也采用了此类供热直埋管件。总体看来,预制直埋保温塑料管在欧洲已经形成了完备的产品和设计、施工标准体系。

 

  (2)国内应用现状

 

  最近两年,北京、山东青岛、乳山、河南鹤壁、吉林省吉林市、河北沧州、内蒙古赤峰等地近十几个管网改造工程以及新建管网工程采用了高密度耐热聚乙烯(PE-RT II)预制直埋保温管,取得了良好效果。表2是PE-RT II型直埋保温管在国内的部分使用情况。

 

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  根据目前的运行数据,各高密度耐热聚乙烯保温管输送的热水温度在80℃以下,管道运行状况良好。

 

  4 我国高密度耐热聚乙烯保温管的规范标准

 

  为了规范该行业健康有序发展,我国在2015年颁布了《高密度聚乙烯外护管聚氨酯发泡直埋保温管符合塑料管》(CJJ/T480-2015)。此外,各地根据地方特征,也分别出台了一系列的地方标准。表3为耐热型高密度聚乙烯管行业的相关标准汇总。

 

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  5 高密度耐热聚乙烯保温管在供热上使用的注意事项

 

  (1)原材料要严格把关,注意区分PE-RT II型产品和PE-RT I型产品。

 

  (2)焊接时,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。

 

  (3)热力管网中若存在部分管段改造使用高密度耐热聚乙烯保温管,则需要注意钢管和塑料管之间的连接不能使用钢塑转换,应采取法兰加耐热密封圈连接。

 

  (4)PE材料受到紫外线照射会加速其老化,不宜在地上使用,宜埋地使用。储存、施工过程中应避免阳光照射。


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  来源:深圳中燃研究院

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