塑料保温管材的研究发展

2020-03-06

0 前言

目前,聚乙烯管道以其所具有的耐腐蚀、轻便、卫生、连接方便等优点,广泛应用于城市给排水、输气等技术领域,并且在居民生活中也得到应用,已逐渐取代了传统的钢管。然而在现有的室外集中供热领域,仍然采用钢管保温管作为热力输送的主力管道。

传统金属保温管运行的问题凸显:腐蚀产生泄露和损坏,使用寿命短;锈蚀沉积物进入计量及管道附属仪表中,造成堵塞;施工成本高,需要吊装设备,影响工程进度;气蚀分层,热能损耗高,供热效率低;维护保养费用高昂;普遍使用寿命不足15年;接口最早泄漏,管网瘫痪。供热管网的超期服役、年久失修以及管道老化、材质低劣、施工技术落后等因素,造成管网“跑、冒、滴、漏”严重,热能大量浪费,并且严重影响了供热安全,以及严重影响居民正常生活和社会秩序的稳定。

据统计,因管道锈蚀和漏损的问题,每千公里供热管网浪费能源每年超过63kt标准煤,多排放二氧化碳160kt以上。开展集中供热塑料保温管道生产和应用技术研究已经是迫在眉睫的工作。

1 塑料保温管道结构

集中供热预制保温塑料管由工作内管、保温层和外护管三层复合而成。工作内管一般为耐热塑料管,一般管道口径:20~400mm;外层—高密度聚乙烯外护套管,简称外护层或外护管。一般为黑色或黄色的高密度聚乙烯(PE-HD)单壁波纹管或PE-HD薄壁管。其作用保护保温层免遭机械硬物破坏,防腐和防水;中间层—发泡保温层,有聚氨酯发泡、聚乙烯(PE)发泡或聚丙烯(PP)发泡等,保温层一般为硬质聚氨酯发泡;包覆在工作内管的外表面,由高压发泡机发泡制成;外护管集中供热预制保温塑料管的类型一般有单管和供/回水管一体2种。现有典型产品的结构如图1所示。

2 主材选择

在多年的推广使用中,塑料保温管道具有优异的耐热性、耐腐蚀性、耐冲击性,施工维修方便,使用寿命长达50年以上,适用于集中供热的二次管网系统,直接解决了现有钢制管的施工时间长,防腐性差,寿命短的问题,这些优点已经得到用户的认识并接受。

目前,可用于供热管道内层的塑料材料主要有:耐热聚乙烯(PE-RT)、交联聚乙烯(PE-X)、无规聚丙烯(PP-R)和聚丁烯(PB)等,各种材料的最大允许工作压力见表1。按照《冷热水系统用热塑性塑料管材和管件》GB/T 18991中Miner’s规则,将在供热预制保温塑料管设计见表1。最大允许工作压力(P)是根据P=σ/S公式计算得出,其中:σ为设计应力,S为管系列值。具体见表2。

随着研究的深入,各类材料也在生产和施工应用过程中暴露出了不足,从而影响其性能和最终的使用寿命(见表3)。例如:PE-X和铝塑复合管只能采用机械式连接(螺纹和卡压式金属管件),而且生产过程中不易在线控制交联度;PB有较高的耐压性能,但生产后需要很长的结晶期,生产过程不易控制,在北方地区冬季施工时,需要特别保护PB管,以防止由于脆性、模量小、刚性低而导致划伤脆性开裂;PP-R易出现低温脆性导致耐冲击性能差;另外PP-R对于铜离子敏感,因此不能用目前的电熔管件进行连接,具体详见表4。目前以PE-RT研究为最多,也是目前供热管道采取的原料。

耐热聚乙烯是采用特殊的分子设计和合成工艺生产的中密度聚乙烯,非交联产品,通过控制侧链的数量和分布得到独特的分子结构,侧链和支链的存在使得PE的大分子不能够结晶在一个片状晶体中,而是贯穿在几个晶体中,形成了晶体之间的联结,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。按照共聚单体不同分为乙烯和辛烯共聚、乙烯和己烯共聚以及乙烯和丁烯共聚3种耐热聚乙烯。根据原料的预测静液压强度曲线分为:PERT I型和PERT II型,这是常用的分类方式。

随着目前对安全和强度的要求越来越高,PE-RTII型耐热聚乙烯已经是主流,主要生产厂家有:荷兰巴塞尔的Hostalan4731B,美国陶氏化学的LEX2388,道达尔的XSeneXRT70,这些为国外PE-RTⅡ型原料品牌的代表,该类材料的典型物理性能如表5所示。近年来,国内也攻克了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。

现有PERT-Ⅱ型保温管生产采用二步法成型工艺。分别挤出工作内管和外护管,在发泡平台将工作内管和外护管组装后进行发泡。这种生产工艺存在工艺繁琐、生产效率低和材料浪费大的问题。

3 塑料保温管与钢管对比

与普通的供热钢管相比,塑料供热管道具有以下特点:

(1)塑料管属于保温材料,保温性能好,PE-RT的导热系数仅有0.42 W/(m·K),钢管的导热系数为30~150W/(m·K),使整个管道系统热损失降低到5%以下。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)塑料管质量轻施工方便。塑料的密度0.96g/cm,钢管的密度是7.75g/cm,钢管密度是塑料的8倍。塑料管更轻,搬运方便,施工工艺简单快捷,不需附设管沟,可直接埋入地下。综合考虑人工费、材料费和机械设备的费用,塑料管的施工成本相对于钢管能节省30%。

(3)塑料管具有光滑的内表面,其曼宁系数为0.009,输送能力强,较传统金属管道提高25%。

(4)因为钢材是热的良导体,塑料是热的不良导体。塑料保温管道无需热补偿,不需要增加壁厚。使用塑料材料可以从根本上解决输送过程的热损失,温降低,节能10%~20%。以及安装时的热补偿。提高管网的安全性、减少漏失率、提高热效率。

(5)连接方便。塑料管采用电熔或热熔连接,钢管采用电焊连接。塑料管连接不需明火。热熔连接或者电熔管件焊接,非常便利,连接处的强度高于本体。电熔管件只需要很小的操作空间,能够轻松解决一些狭窄区域的连接。

(6)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,终身运行不会出现缩径导致热量不够;接头不会出现锈穿的问题,在热力管网的日常管理和维护上有较大优势。

(7)优异的耐低温脆性(低温脆化点达-40℃),性能可靠,70℃下使用寿命可达50年。钢管的寿命小于15年。

(8)塑料管是柔性材料,能够通过自身形变吸收轴向的应力,因此更适于埋地、架空和管廊施工。对于地面不均匀沉降具有很好的适应性。

(9)经济可行性:在全寿命周期评价,中小口径,尤其是易出现问题的二次管网DN355及以下尺寸,塑料管综合经济性远远高于钢管。图2为PE-RT II供热管道与钢管经济性比较,分析基数20 000m。

但是,目前,塑料保温管使用温度一般在80℃及以下,最高也只能用在二次供热管网。钢管有更高的使用温度一般为300℃以下皆可,也就是说一次和二次供热管网都可使用。使用压力在1.0MPa以下,压力级别和壁厚息息相关。而钢管具有更高的压力级别,可以满足所有压力需要。这也是目前塑料保温管需要研究开发的方向,期望发展为可蒸汽输送,原油输送,以及特殊流体的保温输送领域。

4 发展概况

4.1 国外发展

塑料保温管道源起可以追溯到80年代欧洲,为了适应集中供暖增加建设的要求,经原材料、管道生产商和供热单位共同开发,研制出了聚乙烯预制直埋保温塑料管道。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。

1987年,欧洲奥地利Lichtenegg使用了3km 的口径DN20mm~DN125mm 的预制保温塑料管道系统用于集中供热管网。目前使用已经超过30年,运行状况非常好。在2010年,又有新的住宅接入主管道系统。奥地利的维也纳美泉宫Schnbrunn动物园总计2.2km集中供热,几周内完成所有工作,相对于以前的钢制管道系统,能效高、运行状况很好。荷兰Hengelo西门子Siemens办公楼利用此保温管道输送70℃热水介质。冰岛首都雷克雅未克也采用了此类供热直埋管件。

经过逾30年的使用,欧洲已经形成了完备的产品和设计标准体系,塑料直埋保温管道在欧洲大部分地区的二级供热管网中应用。

4.2 国内发展

在中国,供热管网多采用直埋敷设方式。在供热工程中包括小区二级管网材质选择中基本使用的是钢管。钢管具有耐压、耐高温等特点,但同时耐腐蚀性差,在输送热水的过程中,易受热水介质及其中的离子(包括金属离子及氧)腐蚀,地下水浸泡也容易导致管道腐蚀,使用寿命相对较短。其次,由于接头采用焊接方式连接,焊缝质量受工人技术水平影响较大,同时焊缝也是最容易发生腐蚀泄漏的部位。因此,管道在达到一定年限(10~15年)后相关单位必须加强维修或更换,费用较高。

2012年,国家住房与建设部牵头进行了《集中供热预制直埋保温热水塑料管生产与应用关键技术研究》,编制产品行业标准,应用地方标准和设计施工技术指导书。山西、宁夏和山东已经出台了预制直埋复合塑料供热/保温管道应用技术规程、设计与施工规范。具体详见表6所示。

随着塑料保温管道相关的标准的出台和上下游厂家的合作,已经有生产商进行了大量工作。目前原料供应有道达尔和巴塞尔;规模管材生产厂主要在北方,有30余家;管件生产商以吉林松江、北京飞特泰克等为代表的10余家。具有代表性的管材和管件厂家见表7。由于目前集中供热采用热水介质占90%左右,耐热塑料保温管道能长期输送80℃以下的热水,且塑料保温管具有耐腐蚀、使用寿命长、保温效果好、接头连接可靠、施工方便等特点,因此,北方采暖地区很多热力公司对其有浓厚兴趣,将成为小区二级供热管网发展方向。

自从第一个项目于2012年落户内蒙赤峰,全国已经陆陆续续有近百项集中供热的工程开始使用PE-RTII管材,如:近八年来,北京、天津、山东、山西、宁夏、甘肃、河南、吉林、黑龙江、辽宁、河北、内蒙等地近百个城市的管网改造工程以及新建管网工程均采用了PE-RTⅡ预制直埋保温管,取得了良好的运行效果和经济效益。

2014年住建部发布《北方供暖地区城市集中供热老旧管网改造》的通知,《规划》提出到2015年实现二级供热管网失水率控制在1%以内,每公里降温小于0.1℃,热水管网综合损失控制在5%以内,新建建筑全部实现供热计量,既有建筑计量达到30%以上等主要目标。PE-RT II供热管道的优势会凸显,市场会更为广阔。

5 新发展

塑料保温管的优势已经充分体现,也被地方尤其是北方地区广泛推广。目前的技术和产品主要是集中在二次管网的钢管替代,口径只能够用于400mm 以下,温度在80℃以下,限制了塑料在整个供热和保温领域的应用。

将现在的材料、结构和工艺进一步提升,改善管道的耐热和耐压性能,以期塑料管道应用在一次管网、蒸汽输送、保温、高压输送的领域,会使行业发生翻天覆地的变化,提升产品竞争力,取得更好的经济和社会效益。目前针对出现的问题而进行的深入开发。新的发展主要有如下6个方面:

(1)原料改性和复合。耐温和耐压性能的进一步提高,扩宽塑料保温管道的应用空间。尤其是蒸汽输送、原油输送和一级管网应用。如芳纶、聚酯无纺布、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等增强,目标中大口径一次管网。

(2)管道结构。增强耐热管道或者复合管材在集中供热领域的应用问题。

(3)功能性改善,如:阻透、抗静电和阻燃等。如功能性改性剂聚乙烯醇、无卤阻燃剂。

(4)外护管改形。加强波纹形外护套管以及其他材质的外护管在保温复合塑料管道中的适应性研究有助于产品应用领域拓展。如波纹管和加强筋设计,使产品抓地性优异。

(5)管道和管件的匹配发展和加工成型工艺成熟。保温管道的一次性成型工艺以及管件结构和加工。在线发泡,同步挤出工作管和外护管。

(6)扩展适用场所。架空和城市地下综合管廊入廊应用研究及示范试点工程,应加快步伐。

上述相关工作虽然已经开展,但是大都停留在了中试或者技术储备阶段。相关单位为迎合市场,各自为战,尚未形成产业联盟。建议原料、设备、检测以及施工工程等各方合作起来,共同推动行业的发展。同时,还需积极借鉴其他行业的经验,如增强管道(RTP)其实已经有深入研究,多应用于输油、天然气输送等。这些管道均是以聚烯烃为基体,具有参考意义。

6 结语

近年正赶上城市二级管网批量维修维护,是发展塑料保温管道的大好时机。中国北方规划范围内15个省区需要供热,每年管网建设、维修管道工程量近8 000km。若每年新建和改造的城镇集中供热二次管网50%采用该新型产品,预期到2025年,可达40亿产值规模。只二次供热管网这一单一用途就有巨大的市场。

塑料保温管道的开发和应用,尤其是耐热和耐压的进一步提升,发展管道在中大口径和中高压力的场所使用,结合塑料无可比拟的防锈和耐腐蚀以及柔性等特性,通过在保温二次管网(口径小于400mm)的使用,进一步推广到一次管网,甚至是长远输送主管道,必将是保温输送管网的一次全新革命,实现了以塑代钢的愿望,节能减排,将塑料保温管在热水输送、化工液体保温输送和液化气的保温输送以及海洋底下管道的建设带来无限生机,提供全新的管道解决方案。

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