冷熱水用塑料管道系統標準體系分析及基本計算

謝建玲

(中國石化股份有限公司齊魯分公司研究院,山東淄博255400)

冷熱水用塑料管道系統標準體系分析及基本計算

謝建玲

(中國石化股份有限公司齊魯分公司研究院,山東淄博255400)

介紹了冷熱水用塑料壓力管道系統國際標準及國家標準體系,以及近年來相關標準制/修訂變化情況。針對冷熱水管道系統設計、生產和使用過程中存在的如何正確選擇設計使用參數等問題,通過實例計算給出了冷熱水用塑料壓力管道系統標準中使用級別、設計應力和管材壁厚的確定方法。

冷熱水;塑料管道;標準;使用級別;設計應力;壁厚;計算

0 前言

目前,建筑物內的高、低溫散熱器,地板采暖以及太陽能或其他熱水輸送管道系統得到了越來越廣泛的應用,相應國際標準和國家標準陸續出臺,這些標準體系的制訂和不斷完善為冷熱水管道提供了生產、設計及使用依據。本文在介紹相關國際標準和國家標準的基礎上,通過實例計算,給出了冷熱水管道系統使用級別、設計應力和壁厚的確定方法。

1 國際標準體系和國家標準體系

國際標準化組織流體輸送用塑料管材、管件及閥門(ISO/TC138)標準化技術委員會負責冷熱水輸送用管道系統國際標準的制/修訂工作,相應我國的全國塑料制品標準化技術委員會塑料管材、管件及閥門分會(SAC/TC48/SC3)負責我國相關國家標準和行業標準的制/修訂工作。目前已實際應用的冷熱水管道系統材料主要有聚丙烯(PP)、交聯聚乙烯(PE-X)、聚丁烯(PB)、氯化聚氯乙烯 (CPVC)和耐熱聚乙烯(PE-RT)。1994年,ISO/TC138年會決定,塑料管道產品的國際標準分為7個部分:(1)總則;(2)管材;(3)管件;(4)閥門;(5)系統的適用性;(6)施工安裝規范;(7)合格評定指南。目前,冷熱水輸送用管道系統系列標準中 ,國際標準一般均包括第 1、2、3、5、7部分 ,其中第7部分作為技術規范(ISO/TS)體現,而第6部分另行制訂,不在冷熱水管道系統系列標準中出現。國家標準體系一般只包括前3個部分,即:總則、管材和管件。根據我國標準體系及使用習慣,將國際標準體系第2部分管材中的材料預測強度參照曲線移到國家標準體系的第1部分總則中,而國際標準體系中第5、7部分相關內容按照我國產品標準制訂要求,分別在第2部分管材和第3部分管件中以系統適用性和檢驗規則等體現,第6部分施工安裝規范我國也有相應部門另行制訂。

GB/T 18742—2002“冷熱水用聚丙烯管道系統”標準是該系列標準中首個轉化為我國國家標準的,該標準是依據ISO/DIS 15874:1999制訂的,目前該國際標準正式版為2003版,其技術內容基本一致。其后,PE-X、PB、CPVC和PE-RT系列國際標準和相應國家標準也陸續制訂并發布實施,可以看出我國冷熱水管道系統標準的制訂是緊密跟蹤國際標準的變化并及時制訂完成的。冷熱水用塑料管道系統系列標準及國家標準與國際標準的差異如表1所示。此外,國際標準還有ISO 21003:2008“冷熱水裝置用多層管道系統”系列標準,它是針對 PP、PE-X、PB、CPVC和 PE-RT等材料制成的多層復合管道,我國國家標準尚未制訂該系列標準。

表1 冷熱水管道系統國際標準和國家標準Tab.1 International and national standards of plastics piping systems for hot and cold water installations

(續表 1)

(續表 1)

冷熱水用塑料管道系統系列標準的及時制訂,為規范我國冷熱水輸送管道設計和使用打下了良好基礎,促進了我國冷熱水管道行業近年來的蓬勃發展。同時也應看到,由于最初我國的冷熱水用塑料管道系統標準是跟蹤國際標準草案制訂的,而隨著國際標準的正式版及增補件的出版,我國國家標準也應適時重新修訂,以跟上國際標準的變化和發展。

2 冷熱水管道系統分級

2.1 GB/T 18991“冷熱水系統用熱塑性塑料管材和管件”介紹

GB/T 18991-2003[1]“冷熱水系統用熱塑性塑料管材和管件”是等同參照ISO 10508:1995[2]“冷熱水裝置用塑料管道系統分類和設計指南”制訂的,該國際標準的第二版是2006版。該標準給出了用于壓力下輸送冷熱水的塑料管材及管件(或金屬管件)組成的管道系統的分類和設計導則。建立了一個通常使用條件下壓力輸送冷熱水管道系統分級體系,可作為熱塑性塑料管材和管件系統性能評價和設計的基礎。該標準適用于冷熱水,包括飲用水的管道系統以及熱水采暖的管道系統;不適用于消防系統和不使用水作加熱介質的供暖系統。ISO 10508:1995是 ISO/TC138首次發布的有關對熱水使用條件進行分級的國際標準。2006年版作了部分技術修訂,特別是刪除了1995版中的第六章到第十章關于產品測試和系統適用性試驗和要求等內容,相關內容在近年來所制訂的冷熱水管道系列產品標準中體現。ISO 10508:2006版的分級和使用條件與1995版相比沒有根本變化,均是在對實際應用狀況研究的基礎上建立了應用條件的5個級別,如表2所示。級別1、2為輸送熱水的級別,級別3、4、5分別為輸送供暖用水的級別。

表2 使用條件級別(ISO 10508:2006)Tab.2 Classification of service conditions(ISO 10508:2006)

2.2 歸類計算確定冷熱水管道系統級別

GB/T 18991-2003(等同 ISO 10508:1995)附錄D,即ISO 10508:2006附錄A,給出了“時間-溫度分布的確定”方法示例。該示例以德國Bremerhaven城市供暖為例,用散熱器入口溫度決定帶多個溫度區的溫度分布,得到的溫度時間分布數據如表3所示。表3中占總時間的份額是用每年的小時數除以一年總的小時數(8760 h),并保留一位小數得到。例如,80～90℃時為148/8760×100%≈1.7%。為將實際溫度分布進行“換算”以得到便于設計、計算的溫度分布,該標準特作下列規定:(1)溫度分布在10℃范圍內的小時數均按該溫度范圍的最高溫度對待;(2)當較低溫度的應用時間換算到高于其10℃的條件下(如從60～70℃的小時數,換算到80℃的小時數)的時間時,按2.5倍減少(即除以系數2.5);反之,當溫度換算到低于其10℃的應用時間時要乘以系數2.5,這是按 ISO 9080[3](GB/T 18252[4])標準的規定;(3)換算系數可取2.5,也可以取2.5～3,在較嚴酷的條件下的溫度-時間分布應取2.5;(4)數據應按規定圓整;(5)異常溫度的時間不計算在溫度-時間分布中,而在Miner′s規則中考慮。

表3 德國Bremerhaven城市供暖的數據Tab.3 Data for heating in Bremerhaven,Germany

如表3所示,溫度分布多處在30～80℃之間,應接近于表2中級別5的條件,將級別5的條件時間除以預測壽命50年,得到相應溫度的時間份額分別為90℃,1年除以50年得到2%;80℃,10年除以50年得到20%;60℃,25年除以50年得到50%。本文試圖按下述原則將表3數據進行歸類:(1)90℃時占總時間的份額為1.7%,圓整為2%;(2)為得到80℃下20%的數據,可考慮由兩部分時間組成:已知的80℃下13.2%及抽取70℃下的6%[在此,將70℃下的數據22.3%分解為兩部分:15%與7.3%之和,15%向上(80 ℃)折算應除以2.5,得到6%],兩者相加,得19.2%,即80℃下可圓整為20%;(3)繼續向60℃歸類計算,將70 ℃下剩余的7.3%,向下(60 ℃)折算,用2.5乘7.3%得18%,再加上原本60℃時的17.3%,得到35%;而50℃時的19.2%向上(60℃)折算應除以2.5得8%,再加上60 ℃的35%,得43%,即60 ℃圓整為50%。則溫度-時間分布結果為:90℃,2%;80℃,20%;60℃,50%。與前面分析的表2中級別5的數據相同。用類似的方法可以確定較低溫度和/或不同溫度組合的溫度-時間分布。

管道生產、設計和使用單位可依據實際使用狀況通過上述計算確定管道系統的使用級別。

3 冷熱水管道系統50年壽命的設計應力

3.1 原理

冷熱水管道系統的設計應力是用溫度和時間累計計算得到的[5],ISO 13760[6]Miner′s規則提出了累計破壞的計算方法,把各種因素引起的破壞進行線性加和,達到50年的預期使用壽命。通過試算法,可以先假設一個材料的設計環應力(σ),經過對各個溫度的預期使用時間疊加,試算后得到材料預計的使用壽命,若計算結果小于要求的50年的預期使用壽命,則意味著選用的設計環應力太大;若計算結果超過50年的預期使用壽命,則又意味著選用的設計環應力太小,經過反復試算,找到計算結果最接近50年的設計應力值,作為材料的設計應力。

ISO 13760 Miner′s規則規定,如果材料在溫度T1連續作用下,經t1年后破壞,則每一年耗用的壽命是1/t1,此分數稱為“每年破壞量”。如果不是連續作用,僅僅是每年的一部分時間(時間分數)ai,破壞量就小一些。因此,由T1作用下引起的年破壞量是a1/t1,由溫度T2作用的年破壞量是a2/t2,由溫度T3作用的年破壞量是a3/t3。每年的破壞量累積加和在一起得到年破壞量總和(DTYD),則有:

由此,材料在1/DTYD=tx年后將發生破壞。如果tx計算值太高或太低,則按前述方法重新計算。通過一步步近似計算,可得到允許的環應力值(σ0)。同時,可以得到50年的有效壽命值。

3.2 總體使用系數

考慮到管道系統使用條件和計算得到允許的環應力值σ0所包含因素以外的管道系統的其他因素,提出了總體使用系數(C)的概念,C的定義見 GB/T 18475[7],它是一個大于1的數值,它的取值考慮了使用條件和管道系統組件的性能,而不考慮置信下限已包含的因素。在相關產品的國際標準中已經給出了不同材料的C值,并為我國相應國家標準所采納,如表4所示。管道系統的設計應力(σD)為允許的環應力值σ0與C之比。

表4 不同材料的總體使用系數Tab.4 Overall service coefficient for different polymers

3.3 設計應力計算實例

考慮了上述因素后,可以計算管道系統的設計應力σD。根據 ISO 13760附錄 A,以 PB為例,選 ISO 10508規定的2級使用條件,來說明該計算的全過程。

對表2所列使用條件的級別2:

T0=TD=T1=70 ℃,時間:49年;

Tmax=T2=80 ℃,時間:1年;

Tmal=T3=95 ℃,時間:100 h。

由表4可見,對于 PB,T1=T0的C值為1.5;T2=Tmax的C值為1.3;T3=Tmal的C值為1.0。

對于 PB,首先嘗試選取σD=5.0 MPa時,按式(2)計算壽命tx。

在70 ℃時,計算壽命應力σ=σD×C=5.0×1.5=7.5 MPa,從 GB/T 19473.1曲線縱坐標看,應取第二段曲線對應的公式,即:

將T0=T1=70+273.16=343.16K,σ=7.5 MPa代入式(3)得到t0=t1=5.51×105h;

a0=a1=(49 a×365 d×24 h-100 h)/(50 a×365 d×24 h)×100%=97.98%,即:時間分數a1為97.98%;

則在70℃下的年破壞量為:a1/t1=97.98%/(5.51×105h)=1.78×10-4(%/h)。

同理 ,將Tmax=T2=80+273.16=353.16 K,σ=σD×C=1.3×5=6.5 MPa代入式(3),得到tmax=t2=1.41×105h;

amax=a2=(1 a×365 d×24 h)/(50 a×365 d×24 h)×100%=2%,即:時間分數a2為 2%;

則在80℃下的年破壞量為:a2/t2=2%/(1.41×105h)=1.42×10-5(%/h)。

同理 ,將Tmal=T3=95+273.16=368.16 K,σ=σD×C=1.0×5=5 MPa代入式(3),得到tmal=t3=10.48×103h;

amal=a3=100 h/(50 a×365 d×24 h)×100%=0.0228%,即:時間分數a3為0.0228%;

則在95℃下的年破壞量為:a3/t3=0.0228%/(10.48×103h)=2.17×10-6(%/h)。

年破壞量總和DTYD=∑(a/t)=a1/t1+a2/t2+a3/t3=1.78×10-4+1.42×10-5+2.17×10-6=1.94×10-4(%/h)。

進一步計算壽命估值為:

tx=1/DTYD=1/(1.94×10-4%/h)=58.8 a

因此在嘗試設σ=5.0 MPa時,得到58.8年的壽命估值,大于預計的50年預測壽命,只有再提高試設的設計應力σ值,進一步進行試算。

嘗試設σD=5.1 MPa時,按式(3)計算壽命tx。

重復上述計算過程,用σD=5.1 MPa替換σD=5.0 MPa。

此時,70℃時σ為5.1×1.5=7.65 MPa,得到:

t0=t1=3.71×105h;

a1=97.98%;

a1/t1=2.64×10-4(%/h)。

80 ℃時σ為5.1×1.3=6.63 MPa,得到:

tmax=t2=1.09×105h;

a2=2%;

a2/t2=1.83×10-5(%/h)。

95 ℃時σ為5.1×1.0=5.1 MPa,得到:

tmal=t3=8.86×103h;

a3=0.0228%;

a3/t3=2.57×10-6(%/h)。

DTYD= ∑(a/t)=2.85×10-4(%/h)。

計算的壽命估值為:

tx=1/DTYD=1/(2.85×10-4%/h)=40.1 a

因此在嘗試設σ=5.1 MPa時,得到40.1年的壽命估值,小于預計的50年預測壽命,只有再略微降低試設的設計應力σ值,進一步進行試算。

嘗試設σD=5.04 MPa,按式(3)計算壽命tx。

重復上述計算過程,用σD=5.04 MPa替換σD=5.1 MPa。

此時,70 ℃σ為5.04×1.5=7.56 MPa,得到:

t0=t1=4.70×105h;

a1=97.98%;

a1/t1=2.08×10-4(%/h)。

80 ℃時σ為5.04×1.3=6.55 MPa,得到:

tmax=t2=1.23×105h;

a2=2%;

a2/t2=1.63×10-5(%/h)。

95 ℃時σ為5.04×1.0=5.04 MPa,得到:

tmal=t3=9.47×103h;

a3=0.0228%;

a3/t3=2.41×10-6(%/h)。

DTYD= ∑(a/t)=2.27×10-4(%/h)。

因此在嘗試設σ=5.04 MPa時,壽命估值為:

tx=1/DTYD=1/(2.27×10-4%/h)=50.3 a

繼續試算,在嘗試設σ=5.05 MPa時,

此時,70℃時σ為5.05×1.5=7.575 MPa,得到:

t0=t1=4.51×105h;

a1=97.98%;

a1/t1=2.17×10-4(%/h)。

80 ℃時σ為5.05×1.3=6.565 MPa,得到:

tmax=t2=1.19×105h;

a2=2%;

a2/t2=1.68×10-5(%/h)。

95 ℃時σ為5.05×1.0=5.05 MPa,得到:

tmal=t3=9.24×103h;

a3=0.0228%;

a3/t3=2.47×10-6(%/h)。

DTYD=∑(a/t)=2.36×10-4(%/h)

因此在嘗試設σ=5.05 MPa時,壽命估值為:

tx=1/DTYD=1/(2.36×10-4%/h)=48.4 a

由上述試算可得:對于 PB,當σD=5.0 MPa時,壽命預測為 58.8年;當σD=5.1 MPa時,壽命預測為40.1年;當σD=5.04 MPa時,壽命預測為 50.3年;當σD=5.05 MPa時,壽命預測為48.4年。

由此,σD=5.04 MPa最接近預測50年使用壽命。最終得到PB熱水管在使用級別為2級時的設計應力為5.04 MPa。其他不同熱水管材料各級別的設計應力σD均可按此方法計算,如表5所示。這些數據可在相應產品國際標準或國家標準中查到。上述計算過程詳細給出了如何得到這些數據的示例,可清楚得知這些數據的來源。

表5 不同材料的設計應力Tab.5 Design stress for different polymers

4 冷熱水管道系統壁厚計算

4.1 冷熱水管道系統的S值和標準尺寸比

在常溫輸水用塑料管材的產品標準中,列表規定在各個公稱壓力下,各個公稱外徑所對應的管材壁厚。熱水管材的使用條件比較復雜,無法簡單列表規定對應于工作壓力、使用溫度級別和管材公稱外徑要求的厚度。因為在壓力比較高、溫度比較低的使用條件下的管材厚度,可能同時適合于壓力比較低、溫度比較高的使用條件,為此,本文采用 GB/T 19278[8]定義的塑料管系列S值來描述,S值是與公稱外徑和公稱壁厚有關的無量綱數,可用于指導管材規格的選用。S值可由式(4)或(5)計算,并按一定規則圓整。

式中P——最大允許操作壓力

SDR——塑料管材標準尺寸比,定義為管材的公稱外徑(dn)與公稱壁厚(en)的比:

國家標準中不同材料的S值如表6所示,材料的S值越小,其壁厚值越大。

表6 不同材料的S值Tab.6 Svalue for different polymers

4.2 壁厚計算

在實際應用中,用式(5)計算出管系列S的計算值(Scale),將計算結果靠到標準規定的公稱S值,然后便可得到管材公稱壁厚值。

因此,在冷熱水用塑料管材中只規定管系列S值。由式(4)和式(6)推導出式(7),計算管材的公稱厚度(en):

由于標準規定的冷熱水用塑料管材厚度,應在一定工作壓力下,除滿足使用級別要求外,還應滿足在20℃、1 MPa條件下安全使用50年的要求。因此,在標準中要求對比在上述兩個條件下分別計算出的管系列S值,取其中較小值作為厚度確定的依據[9]。

以PB為例(ISO 15876.2,GB/T 19473.2附錄A),對表2中使用級別2,0.6 MPa壓力下,從表5可知σD=5.04 MPa。按式(6)得Scale=σD/P=5.04/0.6=8.4。同時管材應滿足20 ℃、1.0 MPa、50年的要求 ,從表 5 可知 ,此時σD=10.92 MPa,Scale=σD/P=10.92/1.0=10.9。比較2個Scale值,取較小的 8.4作為厚度確定的依據。

從 GB/T 10798[10]中的表2查到小于8.4的最接近公稱S系列是8,壁厚計算按式(7),因此,當管徑為63 mm時,壁厚e=63/(2×8+1)=3.706,向上圓整,標準中該值取為3.8。同理,可計算任一熱水管系列的S值和壁厚。

再以 PP-R為例,5級,0.6 MPa時,Scale=σD/P=1.90/0.6=3.2。與 20 ℃、1.0 MPa、50年的Scale=6.93/1.0=6.93比較,取較小值3.2,向下最接近的S系列值為3.2,當管徑為63 mm時,則e=63/(2×3.2+1)=8.51,向上圓整,標準中該值取為8.6。

表1中所列冷熱水用管道系統國際標準和國家標準中的壁厚均按此方法計算得到。另外,由于剛度的需要,上述標準中還規定了相應產品的最小壁厚。

4.3 壁厚計算方法歸納

(1)按照 GB/T 18991(ISO 10508)確定冷熱水管道系統的使用級別;

(2)按照 ISO 13760 Miner′s規則 ,通過試算法確定達到50年壽命的設計應力σD;

(3)計算相應使用級別下的Scale值,同時計算滿足20 ℃、1.0 MPa、50年要求的Scale值,兩者比較,取較小值,再向下取到相應圓整的S值;

(4)采用式(7)計算冷熱水管道系統的壁厚值。

5 結語

本文融會貫通了冷熱水管道系統系列標準,通過對比冷熱水用塑料壓力管道系統國際標準和國家標準,分析了國家標準與國際標準體系的異同;同時運用Miner′s規則,對實際使用狀況下的供暖數據歸類計算得到了冷熱水管道系統級別;并且通過實例計算得到冷熱水管道系統標準中設計應力和管材壁厚,為了解、使用冷熱水管道標準體系,按標準方法科學計算設計使用參數提供了依據。

[1] 中國標準化技術委員會.G B/T 18991—2003冷熱水系統用熱塑性塑料管材和管件[S].北京:中國標準出版社,2003.

[2] 國際標準化組織.ISO 10508:1995 Plastics Piping System for Hot and Cold Water Installations-Guidance for Classification and Design[S].Switzerland:ISO Copyright Office,1995.

[3] 國際標準化組織.ISO 9080:2003 Plastics Piping and Ducting Systems—Determination of the Long-term Hydrostatic Strength of Thermoplastics Materials in Pipe form by Extrapolation[S].Switzerland:ISO Copyright Office,2003.

[4] 中國標準化技術委員會.GB/T 18252—2008塑料管道系統用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強度[S].北京:中國標準出版社,2008.

[5] 孫 遜.聚烯烴管道[M].北京:化學工業出版社,2002:294-296.

[6] 國際標準化組織.ISO 13760:1998 Plastics Pipes for the Conveyance of Fluids Under Pressure —Miner′s Rule-Calculation Method for Cumulative Damage[S].Switzerland:ISO Copyright Office,1998.

[7] 中國標準化技術委員會.GB/T 18475—2001熱塑性塑料壓力管材和管件用材料分級和命名總體使用(設計)系數[S].北京:中國標準出版社,2001.

[8] 中國標準化技術委員會.GB/T 19278—2003熱塑性塑料管材、管件及閥門通用術語及其定義[S].北京:中國標準出版社,2003.

[9] 劉秋凝.冷熱水用塑料管材壁厚的確定[J].中國塑料,2002,16(7):80-82.

[10] 中國標準化技術委員會.GB/T 10798—2001熱塑性塑料管材通用壁厚表[S].北京:中國標準出版社,2001.

Analysis of Standards of Plastics Piping Systems for Hot and Cold Water Installations and the Basic Calculation

XIE Jianling
(Research Institute of Qilu Branch Co,SINOPEC,Zibo 255400,China)

The international standards and national standards and recent amending for plastic pressure piping systems for hot and cold water installation were introduced.Focusing on the properly designing and selecting technical parameters,calculation examples were provided to show how to determine the piping grade,level of pressure,and the pipe thickness.

hot and cold water;plastics pipe;standard;classification of service condition;design stress;wall thickness;calculation

TQ320.72+4

A

1001-9278(2010)08-0091-08

2010-05-04

聯系人,xiejl@riqpc.com