聚氨酯保溫鋼管技術(shù)及發(fā)展

集中供暖能源綜合利用率高，便于管理，是目前我國(guó)北方地區(qū)較普遍的供暖方式。

從80年代末開(kāi)始，市政熱力管道迎來(lái)了聚氨酯預(yù)制保溫管時(shí)代，它是以聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料為保溫層，工作管為鋼管，高密度聚乙烯為外護(hù)管的直埋管道。

聚氨酯保溫直埋管道具有耐壓、耐高溫等特點(diǎn)，但在輸送熱水的過(guò)程中，易受熱水介質(zhì)及其中的離子腐蝕，使管道壽命縮短，還會(huì)污染水質(zhì)，引起銹渣堵塞儀表閥門(mén)（如熱量表）等問(wèn)題。

其次，由于接頭采用焊接方式連接，受工人技術(shù)水平影響難以保證焊縫質(zhì)量，易發(fā)生泄漏事故。因此，鋼質(zhì)管道在一定年限后，運(yùn)行維修成本較高。

圖1  工作管為鋼管的聚氨酯保溫直埋管

圖2  高密度耐熱聚乙烯保溫直埋管

1 高密度耐熱聚乙烯材料簡(jiǎn)介

耐熱聚乙烯（Polyethylene of Raised Temperature Resistance，簡(jiǎn)稱(chēng)PE-RT），是通過(guò)與己烯等烯烴共聚獲得優(yōu)異的長(zhǎng)期耐熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度；同時(shí)保留了傳統(tǒng)高密度聚乙烯優(yōu)異的焊接性能（熱熔對(duì)接焊接、電熔連接）、低溫抗沖擊性能（低*-40℃）、耐開(kāi)裂性能**（劃痕是否會(huì)引起快速脆性破壞）等特征。

目前，耐熱聚乙烯已經(jīng)發(fā)展到高密度耐熱聚乙烯II型。高密度耐熱聚乙烯（PE-RT Ⅱ）和所有的聚烯烴材料一樣，都是由碳和氫組成的高分子聚合物，化學(xué)穩(wěn)定性很好，對(duì)于常見(jiàn)的酸、堿以及鹽具有很好的耐腐蝕性。聚烯烴材料的性能取決于材料的結(jié)構(gòu)，主要的影響因素包括分子量分布以及共聚單體的種類(lèi)。

聚乙烯類(lèi)聚合物的共聚單體包括己烯、丁烯和辛烯，共聚單體分子鏈越長(zhǎng)，越能形成更多的連接鏈。從分子量的分布來(lái)看，有單峰分布的，也有雙峰分布的，雙峰的分子量分布具有更好的綜合性能，因?yàn)榈头肿恿坎糠执_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壓性能以及長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。此外，PE-RT Ⅱ型材料是一種粘彈性材料，具有彈性和粘性的雙重特性，因此有很好的可塑性和減小外界應(yīng)力損傷。

道達(dá)爾公司PE100級(jí)高密度耐熱聚乙烯XSene XRT70為國(guó)外PE-RT Ⅱ型塑料的代表，該材料的物理性能如表1所示。

表1  PE-RT Ⅱ XSene XRT70典型物理力學(xué)性能

國(guó)內(nèi)近年來(lái)也攻克了PE-RT II型的生產(chǎn)，齊魯石化生產(chǎn)的QHM22F高密度耐熱聚乙烯PE-RT II型于2016年進(jìn)入市場(chǎng)，獲得好評(píng)。

圖3  PE-RT Ⅱ型PE顆粒

2 高密度耐熱聚乙烯保溫管的特點(diǎn)

高密度耐熱聚乙烯保溫管是以耐熱聚乙烯（PE-RTⅡ）樹(shù)脂及專(zhuān)用色母料經(jīng)過(guò)混合擠出成型為工作內(nèi)管，以聚氨酯材料為保溫層，以高密度聚乙烯管材為外護(hù)管，公稱(chēng)壓力不大于1.0MPa，*大輸送熱水溫度不超過(guò)80℃的室外集中供熱復(fù)合管材。適用于熱力預(yù)制直埋管、以及高溫?zé)崴艿老到y(tǒng)等，尤其在北方應(yīng)用于城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)以及溫泉保溫管道系統(tǒng)。

高密度耐熱聚乙烯保溫管和鋼管的另一個(gè)區(qū)別體現(xiàn)在熱脹冷縮特性上，PE-RT II型PE管的膨脹量很大，但是膨脹力很??；而鋼管相反，膨脹量很小，膨脹力很大。

因此，相同的應(yīng)用條件下，PE管的膨脹力一般不到鋼管的1/50。對(duì)于集中供熱二級(jí)管網(wǎng)用的預(yù)制保溫PE管而言，管道軸向應(yīng)力主要包括管道熱脹冷縮產(chǎn)生的熱脹應(yīng)力，保溫層和工作管之間的剪切應(yīng)力以及外護(hù)管與土壤之間的摩擦應(yīng)力。當(dāng)外護(hù)管與土壤之間的摩擦力大于或等于管道產(chǎn)生的熱脹力時(shí)，管段將不會(huì)產(chǎn)生熱位移。

工作管的軸向熱脹力遠(yuǎn)小于工作管和保溫層之間的剪切力，因此工作管和保溫層之間不會(huì)出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。這就意味著：因此管道完全可采用直埋無(wú)補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行敷設(shè)，且無(wú)需采用額外的固定措施，可減小投資和施工難度。

根據(jù)資料顯示，高密度耐熱聚乙烯管較普通的鋼管還具有以下特點(diǎn)：

（1）保溫性能好，內(nèi)層導(dǎo)熱系數(shù)僅有0.42W/m.K，熱損失遠(yuǎn)低于鋼管，長(zhǎng)期運(yùn)行可節(jié)約大量能源，顯著降低能源成本。

（2）具有很強(qiáng)的防水和耐腐蝕能力，密封可靠，不滲不漏；無(wú)銹蝕，不污染水質(zhì)，不結(jié)垢堵塞，在熱力管網(wǎng)的日常管理和維護(hù)上有較大優(yōu)勢(shì)。

（3）在低溫條件下也具有良好的耐腐蝕和耐沖擊性，材料脆化溫度達(dá)-70℃，能輕松應(yīng)對(duì)在寒冷地區(qū)使用。

（4）耐壓耐溫，性能可靠，70℃下使用壽命可達(dá)50年。

（5）熱熔對(duì)接和電熔焊接方便，牢固可靠。

（6）施工工藝簡(jiǎn)單快捷，施工安裝方便，不需附設(shè)管溝，可直接埋入地下。該特點(diǎn)大大節(jié)省了PE-RT II管道的施工成本，縮短了施工周期。綜合考慮人工費(fèi)、材料費(fèi)和機(jī)械設(shè)備的費(fèi)用，PE-RT II管道的施工成本相對(duì)于鋼管能節(jié)省30%。

（7）該類(lèi)管道具有優(yōu)異的耐快速開(kāi)裂和耐慢速裂紋增長(zhǎng)性能，壓扁后可恢復(fù)；一旦管道出現(xiàn)斷裂，破損等情況，可利用壓管器實(shí)現(xiàn)局部阻水作業(yè)，方便緊急維修，節(jié)約成本與時(shí)間。

（8）經(jīng)濟(jì)可行性：90mm以下直徑，高密度耐熱聚乙烯管材料成本與鋼管相當(dāng)；110mm以上，較鋼管高10~20%。若結(jié)合施工及運(yùn)行，高密度耐熱聚乙烯管在dn355以下經(jīng)濟(jì)性高于鋼管。

3 國(guó)內(nèi)外高密度耐熱聚乙烯保溫管的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

高密度耐熱聚乙烯保溫管首先出現(xiàn)于歐洲，由原材料、管道生產(chǎn)商和供熱單位共同開(kāi)發(fā)，并形成產(chǎn)品。由于西歐居民用戶(hù)普遍采取分散式供暖，集中供暖主要集中在東歐地區(qū)，因此，市政供熱管道也大多數(shù)集中在東歐。在這些**中，高密度耐熱聚乙烯保溫管已經(jīng)在小區(qū)二級(jí)供熱管網(wǎng)中應(yīng)用多年。

如1987年在奧地利Lichtenegg集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中就使用了3km DN20~125mm的預(yù)制直埋保溫PE管道。該管網(wǎng)使用已經(jīng)近30年，運(yùn)行狀況良好；冰島首都雷克雅未克也采用了此類(lèi)供熱直埋管件?？傮w看來(lái)，預(yù)制直埋保溫塑料管在歐洲已經(jīng)形成了完備的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)體系。

（2）國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

*近兩年，北京、山東青島、乳山、河南鶴壁、吉林省吉林市、河北滄州、內(nèi)蒙古赤峰等地近十幾個(gè)管網(wǎng)改造工程以及新建管網(wǎng)工程采用了高密度耐熱聚乙烯(PE-RTII)預(yù)制直埋保溫管，取得了良好效果。表2是PE-RTII型直埋保溫管在國(guó)內(nèi)的部分使用情況。

表2  PE-RT II型預(yù)制直埋保溫管的部分應(yīng)用情況

根據(jù)目前的運(yùn)行數(shù)據(jù)，各高密度耐熱聚乙烯保溫管輸送的熱水溫度在80℃以下，管道運(yùn)行狀況良好。

4 我國(guó)高密度耐熱聚乙烯保溫管的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

為了規(guī)范該行業(yè)健康有序發(fā)展，我國(guó)在2015年頒布了《高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯發(fā)泡直埋保溫管符合塑料管》（CJJ/T480-2015）。此外，各地根據(jù)地方特征，也分別出臺(tái)了一系列的地方標(biāo)準(zhǔn)。表3為耐熱型高密度聚乙烯管行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯總。

5 高密度耐熱聚乙烯保溫管在供熱上使用的注意事項(xiàng)

（1）原材料要嚴(yán)格把關(guān)，注意區(qū)分PE-RT II型產(chǎn)品和PE-RT I型產(chǎn)品。

（2）焊接時(shí)，工作管公稱(chēng)外徑小于90mm時(shí)，宜采用電熔管件進(jìn)行連接；工作管公稱(chēng)外徑大于等于90mm時(shí)，應(yīng)采用熱熔對(duì)接。

（3）熱力管網(wǎng)中若存在部分管段改造使用高密度耐熱聚乙烯保溫管，則需要注意鋼管和塑料管之間的連接不能使用鋼塑轉(zhuǎn)換，應(yīng)采取法蘭加耐熱密封圈連接。

（4）PE材料受到紫外線(xiàn)照射會(huì)加速其老化，不宜在地上使用，宜埋地使用。儲(chǔ)存、施工過(guò)程中應(yīng)避免陽(yáng)光照射。