熱塑性冷熱水管材的長期靜液壓強度研究

馬小偉，胡 斌，喬亮杰，龔毅斌

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆 克拉瑪依 833699）

隨著國內經濟高速發展、老舊管網逐步施工改造，市政、家裝、工業用管道需求量呈快速上漲趨勢。熱塑性冷熱水管道由于具備優異的耐長期高溫蠕變性能、質量輕、售價低、耐腐蝕、易施工、可熱熔連接等特點逐漸替代傳統金屬管道。據不完全統計，2018年，國內市場無規共聚聚丙烯（PPR）及結晶改善型無規共聚聚丙烯（PP-RCT）管道原材料供應量超過770 kt，嵌段共聚聚丙烯（PPB）管道原材料供應量超過270 kt，耐熱聚乙烯（PE-RT）管道原材料供應量超過320 kt。此外，也有部分均聚聚丙烯（PPH）、聚1-丁烯（1-PB）等管道原材料供應于國內市場。本工作基于GB/T 18742—2017，GB/T 28799—2020，GB/T 19473—2020提供的最小預測靜液壓強度四參數模型，分析涵蓋PPR，PPB，PPH，PP-RCT，PE-RT Ⅰ型、PE-RT Ⅱ型和1-PB等熱塑性冷熱水管材料以管材形式的長期靜液壓強度水平，并計算在典型使用條件級別下，各種熱塑性冷熱水管材料的性能特點，本工作開展的管道承壓性能分析均是基于相關標準提供的參照曲線模型，不適用于具體原料牌號間的比對，也未考慮管道施工過程的影響。

1 最小預測靜液壓強度四參數模型及參照曲線

1.1 最小預測靜液壓強度四參數模型（10～ 95 ℃）

最小預測靜液壓強度四參數模型見式（1）～式（12）。

式中：第一支線為韌性破壞曲線；第二支線為脆性破壞曲線；t為時間，h；T為溫度，K；σ為環應力，MPa。

1.2 最小預測靜液壓強度參照曲線（20 ℃和95 ℃）

根據最小預測靜液壓強度四參數模型，得到20，95 ℃最小預測靜液壓強度參照曲線，從圖1可以看出：PB管道承壓水平（50年）最高；20 ℃時PE-RT Ⅰ型管道承壓水平（50年）最低；95 ℃時PPB管道承壓水平（50年）最低。

圖1 20 ℃與95 ℃時最小預測靜液壓強度參照曲線Fig.1 Reference curves of minimum predicted hydrostatic strength at 20 ℃ and 95 ℃

1.3 拐點表現

從表1看出：任何溫度條件下，PE-RT Ⅱ型管道和PP-RCT管道不允許出現拐點，PB管道允許出現拐點；PE-RT Ⅰ型管道、PPR管道、PPB管道、PPH管道在20 ℃時不允許出現拐點，在95 ℃時允許出現拐點。聚烯烴管道在靜液壓試驗中的破壞形式包括脆性破壞、韌性破壞和混合破壞模式，大量靜液壓試驗結果顯示：對于同一材料，韌性破壞出現于高環應力、低實驗溫度、低破壞時間的實驗中，而高實驗溫度、低環應力、長時間實驗易引起脆性破壞。若材料出現脆性破壞，則材料承壓性能會迅速下降，因此，用于高溫使用條件的冷熱水管道除了關注承壓水平外，還需關注韌脆轉化過程。依據標準計算各管道韌脆轉化拐點出現的位置，并進行分析：PE-RTⅡ型管道和PP-RCT管道在110 ℃以下任何溫度，8 760 h內不允許出現脆性破壞，即表明標準對這兩種材料長期靜液壓強度要求非常高，而其他管道因為使用條件級別不同，雖然參照曲線上均出現了拐點，但承壓水平并不相同，如1-PB管道雖然允許有拐點存在，但其在50年內的長期使用性能仍高于采用其他材料制備的管道。因此，評估冷熱水管道的性能需同時參考承壓水平和韌脆轉化的影響。

表1 熱塑性冷熱水管道拐點表現Tab.1 Performance of thermoplastic hot and cold water pipes at inflection points

上述計算及分析均是基于相關國家標準提供的最小預測靜液壓強度四參數模型，對于具體管道靜液壓強度的擬合曲線根據材料性能不同有較大差異，如雖然從參照曲線上看95 ℃時PE-RTⅡ型的長期靜液壓強度（50年）高于PP-RCT，但實際中可能存在一種更高性能的PP-RCT管材料承壓曲線高于一種低性能的PE-RTⅡ型管材料承壓曲線。

2 典型使用條件級別的應用

2.1 20 ℃/50年及70 ℃/50年的最小靜液壓環應力

從表2可以看出：20 ℃/50年使用條件下，最小靜液壓環應力由大到小依次為1-PB，PP-RCT，PPR，PPH，PE-RTⅡ型，PPB，PE-RT Ⅰ型；70 ℃/50年使用條件下，最小靜液壓環應力由大到小依次為1-PB，PE-RTⅡ型，PP-RCT，PE-RT Ⅰ型，PPR，PPH，PPB。

表2 最小靜液壓環應力Tab.2 Minimum hydrostatic ring stress MPa

1-PB管道的常、高溫長期使用性能最優；PPB管道的常、高溫長期使用性能較差；PP-RCT管道和PE-RT Ⅱ型管道的常、高溫使用綜合性能較好，PPR管道較PE-RT Ⅱ型常溫使用性能好，高溫使用性能略顯不足；PE-RT Ⅰ型管道更適用于高溫環境使用；PPH管道更適用于常溫環境使用。

在實際應用中還應考慮使用條件和管路其他附件的特征對管系的影響，因此，為保證置信下限所包含因素之外的安全裕度，需要參考相應條件下的總體使用系數計算設計環應力。

2.2 典型使用條件級別的設計環應力

GB/T 18991—2003中典型使用條件級別包括級別1～級別5［4］；根據GB 50736—2012規定的設計條件［5］，提出二次供暖使用條件包括45 ℃供暖、60 ℃供暖和75 ℃供暖。每個級別均對應一個50年的設計壽命下的使用條件，各條件下的溫度與時間分布參照表3。

表3 典型使用條件級別Tab.3 Typical use condition levels

表4為典型使用條件級別設計環應力的值，其中，各類管道在級別1、級別2、級別4、級別5條件下的設計環應力已在相應的國家標準中給出。對于級別3，45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖，根據Miner′s累計損傷原則［4］，計算熱塑性冷熱水管道的設計環應力，對于有拐點的參照曲線，韌性破壞的損傷量和脆性破壞的損傷量應分別累計，哪種破壞模式的損傷量先累計到100%或者在保證50年使用的情況下設計環應力更低，實際上就發生這種破壞模式［6］。這樣應該分別按第一支線和第二支線四參數模型計算，優先發生破壞的應取為管道的設計環應力。從表5看出：在級別3，45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖四個使用條件級別下，PPB和1-PB均呈現脆性破壞，PE-RTⅠ型，PPR，PPH，PE-RTⅡ型，PP-RCT呈現韌性破壞。

表4 典型使用條件級別設計環應力Tab.4 Designed ring stress at typical use condition levels MPa

表5 根據第一支線和第二支線確定設計環應力Tab.5 Designed ring stress according to first and second branch lines MPa

從表4和表5還可以看出：不同管道使用要求由低到高的環境如下：

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

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

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

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

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

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

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

級別3使用條件對管道要求最低，其次為45℃供暖、60 ℃供暖和75 ℃供暖，級別5使用條件對管道要求最高。對于PPR，PPH，PPB，PP-RCT管道，級別4、級別1、級別2使用條件要求由低到高依次處于75 ℃供暖和級別5之間。對于PERTⅠ型和1-PB管道，級別1、級別4、級別2使用條件要求由低到高依次處于75 ℃供暖和級別5之間。對于PE-RTⅡ型管道，級別1、級別2、級別4使用條件要求由低到高依次處于75 ℃供暖和級別5之間。

根據設計環應力可以得出管道承壓水平：

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

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

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

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

級別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。

各使用條件下，PPB管道承壓性能最差，1-PB管道承壓性能最優。在級別1、級別2、級別5、45℃供暖、60 ℃供暖、75 ℃供暖條件下，管道承壓水平由低到高依次為PPB，PPH，PPR，PE-RT Ⅰ型，PP-RCT，PE-RT Ⅱ型，1-PB。在級別3條件下，管道承壓水平由低到高依次為PPB，PE-RT Ⅰ型，PPH，PPR，PE-RT Ⅱ型，PP-RCT，1-PB。在級別4條件下，管道承壓水平由低到高依次為PPB，PPH，PERT Ⅰ型，PPR，PE-RT Ⅱ型，PP-RCT，1-PB。

2.3 管系列計算

管系列值由環應力除以內壓得到，用以指導管材規格的選用，計算管系列需要引入不同的內壓，因此，相同的管道在不同內壓條件下管材制品的規格是不同的，常見的內壓包括0.4，0.6，0.8，1.0 MPa。管材按管系列分為S2.0，S2.5，S3.2，S4.0，S5.0，S6.3，S8.0，S10.0，由上面管系列選擇，使其不大于最大管系列，由此計算的管系列值見表6。

表6 管系列值計算Tab.6 Calculation of tube series

管系列值越高，同等規格管材的壁厚越薄，從表6可以看出：以1-PB管道和PPB管道為例，在使用級別1與0.6 MPa的內壓條件下，1-PB管道的管系列為S8.0，PPB管道的管系列為S2.5，如果管道外徑同為20 mm，1-PB管道最小壁厚為1.3 mm［10］，PPB管道最小壁厚為3.4 mm［10］，這時使用1-PB管道可大幅節省原料，其他管道尺寸比較以此類推。然而，1-PB管道由于生產成本較高，目前國內市場中除了部分高端市政工程外，其他領域少有使用。在相同條件下，PE-RT Ⅱ型管道較其他管道選用管系列值更高，在使用中性能優勢較為明顯，是一種綜合了使用性能、經濟成本的優選材料。在實際應用過程中，還應考慮加工成型性和工程施工等要求。如PE-RT Ⅰ型、1-PB管道由于具備優異的柔韌性而更適用于地暖盤管，PERT Ⅱ型管道由于具備加工大口徑管材的抗熔垂性能、優異的耐高溫蠕變性能而更適用于市政二次管網領域，PPR系管道由于具備高挺度和耐高溫性能而更適用于家裝熱水輸送管道。

3 結論

a）任何溫度條件下，PE-RTⅡ型管道和PPRCT管道參照曲線不允許出現拐點，1-PB管道參照曲線允許出現拐點；PE-RT Ⅰ型管道、PPR管道、PPB管道、PPH管道參照曲線在20 ℃時不允許出現拐點，在95 ℃時允許出現拐點。

b）20 ℃/50年使用條件下，最小靜液壓環應力水平為：1-PB＞PP-RCT＞PPR＞PPH＞PE-RT Ⅱ型＞PPB＞PE-RT Ⅰ型。70 ℃/50年使用條件下，最小靜液壓環應力水平為：1-PB＞PE-RT Ⅱ型＞PPRCT＞PE-RT Ⅰ型＞PPR＞PPH＞PPB。1-PB管道的常、高溫長期使用性能最優；PPB管道的常、高溫長期使用性能較差；PP-RCT管道和PE-RT Ⅱ型管道的常、高溫長期使用綜合性能較好。

c）在多溫度條件下使用時，對于同一種原料，使用環境要求由低到高依次為級別3、45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖，級別5使用條件要求最高。整體來看，1-PB管道性能最優，其次為PERT Ⅱ型，PP-RCT，PE-RT Ⅰ型，PPR，PPH，而PPB管道承壓性能最差。

d）管道承壓能力不同，管系列值也不同，高耐壓型原料制備同等規格管材所需的壁厚更薄，可以節省原料，經計算，在各條件下1-PB管道的管系列值最高，PPB管道的管系列值最低，其他類型管道根據使用條件和內壓會有差異。