謝建玲
(中國石油化工股份有限公司齊魯分公司研究院,山東 淄博255400)
冷熱水輸送管道系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用使其國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)體系日臻完善,《冷熱水用塑料管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系分析及基本計算》[1]一文詳盡給出了按國際標(biāo)準(zhǔn)體系計算冷熱水管道的方法及實例,本文通過進一步計算和分析,給出不同冷熱水管道系統(tǒng)在各使用級別下對設(shè)計應(yīng)力的貢獻,以期對材料和標(biāo)準(zhǔn)有更深入的認(rèn)識。
ISO 10508:2006“冷熱水裝置用塑料管道系統(tǒng)分類和設(shè)計指南”[2]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(tǒng)的分類和設(shè)計導(dǎo)則。建立了1個通常使用條件下壓力輸送冷熱水管道系統(tǒng)分級體系,可作為熱塑性塑料管材和管件系統(tǒng)性能評價和設(shè)計的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于冷熱水,包括飲用水的管道系統(tǒng)以及熱水采暖的管道系統(tǒng);不適用于消防系統(tǒng)和不使用水作加熱介質(zhì)的供暖系統(tǒng)。ISO 10508:2006分級和使用條件是在對實際應(yīng)用狀況研究的基礎(chǔ)上建立了5個應(yīng)用條件級別,見表1。第1、2級別為輸送熱水的級別,第3、4、5級別分別為輸送供暖用水的級別。
該標(biāo)準(zhǔn)同時給出了針對實際使用狀況歸納計算出相應(yīng)的使用條件級別的方法,管道生產(chǎn)、設(shè)計和使用單位可依據(jù)實際使用狀況通過計算確定管道系統(tǒng)的使用級別。
表1 ISO 10508:2006中的使用條件級別Tab.1 Classification of service conditions in ISO 10508:2006
冷熱水管道系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)力是用溫度和時間累計計算得到的[3]。ISO 13760:1998[4]中的 Miner’s規(guī)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(yù)期使用壽命。
Miner’s規(guī)則規(guī)定,如果材料在溫度T1連續(xù)的作用下,經(jīng)t1年后破壞,則每一年耗用的壽命是1/t1。此分?jǐn)?shù)稱為“每年破壞量”。如果不是連續(xù)作用,僅僅是每年的一部分時間(時間分?jǐn)?shù))ai,破壞量就小一些。因此,由T1溫度作用下引起的年破壞量是a1/t1,由T2溫度作用的年破壞量是a2/t2,由T3溫度作用的年破壞量是a3/t3,依次類推。每年的破壞量累積加和在一起得到年破壞量總和(DTYD),如式(1)所示。
由此,材料在1/DTYD=tx年后將發(fā)生破壞。在設(shè)計應(yīng)力σD下tx計算值近似為50年。
此外,我們還需考慮到管道系統(tǒng)使用條件和計算得到允許的環(huán)應(yīng)力值σ0所包含因素以外的管道系統(tǒng)的其他因素,這就是總體使用系數(shù)C的概念,總體使用系數(shù)C定義見ISO 12162:2009[5],定義為“總體使用系數(shù)C是一個大于1的數(shù)值,其取值考慮了使用條件和管道系統(tǒng)組件的性能,而不考慮置信下限已包含的因素”。在相關(guān)產(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)給出了均聚聚丙烯(PPH)、嵌段共聚聚丙烯(PP-B)、無規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)、交聯(lián)聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、氯化聚氯乙烯(PVCC)、耐熱聚乙烯(PE-RT)材料的總體使用系數(shù)C,并為我國相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)所采納,現(xiàn)歸納于表2。管道系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)力σD為允許的環(huán)應(yīng)力值σ0與總體使用系數(shù)C之比,如式(2)所示。
表2 總體使用系數(shù)CTab.2 Overall service coefficient C
根據(jù)上述原理,我們可以用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中給出的設(shè)計應(yīng)力σD,歸納見表3和圖1,通過計算分析 PP[6]、PE-X[7]、PB[8]、PVC-C[9]、PE-RT[10]在各使用級別下管道系統(tǒng)不同溫度對壽命的影響程度。
從圖1中可以看出使用級別5的條件最為苛刻,其設(shè)計應(yīng)力值最小,其次是使用級別2,再次是使用級別1和使用級別4,使用級別1和使用級別4的設(shè)計應(yīng)力基本相當(dāng),PP-H、PP-B、PP-R和PE-X的使用級別1設(shè)計應(yīng)力略小于使用級別4,PB的使用級別1設(shè)計應(yīng)力略大于使用級別4,PE-RTⅠ型使用級別1和使用級別4的設(shè)計應(yīng)力基本相當(dāng),PE-RTⅡ型與PVC-CⅡ型的使用級別2和使用級別4的設(shè)計應(yīng)力相當(dāng)。
表3 不同材料的設(shè)計應(yīng)力σD MPaTab.3 Design stressσDfor different polymer MPa
圖1 不同材料的設(shè)計應(yīng)力σDFig.1 Design stressσDfor different polymer
依據(jù)上述理論和標(biāo)準(zhǔn)給出的設(shè)計應(yīng)力數(shù)據(jù),我們舉例進行計算分析,通過計算可以得到在各級別不同溫度條件下ai/ti占DTYD的份數(shù),從而得出不同溫度條件下對破壞的影響程度,進而分析該公式的合理性。
從ISO 15874-2:2003給出的 PP-R 參照曲線公式,10~95℃范圍內(nèi),第一分支和第二分支如式(3)和式(4)所示。
3.1.1 PP-R級別4計算
以級別4為例計算,從表1可見級別4——地板下供熱和低溫暖氣的TD分別為Tcold=20℃,2.5年,工作溫度T0=40℃,20 年,T0=60℃,25年;Tmax=70℃,2.5年;Tmal=100 ℃,100h。從表3可見 PP-R級別4的設(shè)計應(yīng)力為3.30MPa。
設(shè)計溫度60℃條件下,從表2可見,相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.5,由公式(2)得出σ0=σD×C=3.3×1.5=4.95MPa。從ISO 15874-2:2003給出的 PP-R參照曲線公式看該應(yīng)力處于第一分支,T=60+273.16=333.16K,按公式(3)進行計算可得式(5),從而計算出t1=3.066×105h。
60℃條件下,時間是25年,扣除故障時間100h,所占50年的時間分?jǐn)?shù)的計算如式(6)所示,得出a1為49.98%,則可計算出60℃下a1/t1=49.98%/3.066×105=1.630×10-4%/h。
計算設(shè)計溫度40℃條件下,從表2可知其相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.5,由公式(2)得出σ0=σD×C=3.30×1.5=4.95MPa。從ISO 15874-2:2003給出的PP-R參照曲線公式看該應(yīng)力處于第一分支,T=40+273.16=313.16K,代入公式(3)進行計算可得式(7)。計算出t2=1.295×109h。
40℃條件下,時間是20年,所占50年的時間分?jǐn)?shù)40%,則40℃下a2/t2=40%/1.295×109=3.089×10-8%/h。
繼續(xù)計算設(shè)計溫度20℃條件下,從表2可見,相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.4,由公式(2)得出σ0=σD×C=3.3×1.4=4.62MPa,從ISO 15874-2:2003給出的PP-R參照曲線公式看該應(yīng)力處于第一分支,T=20+273.16=293.16K,代入公式(3)計算可得式(8),計算出t3=1.025×1014h。
20℃條件下,時間是2.5年,所占50年的時間分?jǐn)?shù)5%,則20 ℃條件下a3/t3=5%/1.025×1014=4.878×10-14%/h。
最高設(shè)計溫度70℃條件下,從表2可見,相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.3,時間是2.5年,由公式(2)得出σ0=σD×C=3.3×1.3=4.29MPa,用公式(3)、(4)計算70℃條件下的轉(zhuǎn)折點應(yīng)力為4.31MPa,4.29MPa<4.31MPa,因此從ISO 15874-2:2003給出的 PP-R參照曲線公式看該應(yīng)力處于第二分支,T=70+273.16=343.16K,代入公式(4)進行計算可得式(9),計算出t4=1.333×105h。
70℃條件下,時間是2.5年,所占50年的時間分?jǐn)?shù)5%,則70 ℃條件下a4/t4=5%/1.333×105=3.751×10-5%/h。
故障溫度100℃條件下,從表2可見,相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.0,時間是100h。由式(2)計算可得σ0=σD×C=3.3×1.0=3.30MPa,從ISO 15874-2:2003給出的PP-R參照曲線公式適用范圍是10~95℃,沒有給出100℃的公式,我們從標(biāo)準(zhǔn)95℃和110℃參照曲線上估算該應(yīng)力應(yīng)該處于處于第一分支,T=100+273.16=373.16K,我們暫且按10~95℃,代入公式(3)進行計算可得式(10),計算出t5=5.638×102h。
100℃條件下,時間是100h,所占50年的時間分?jǐn)?shù)0.0228%,則100 ℃條件下a5/t5=0.0228%/5.638×102=4.044×10-5%/h。
按公式(1)可得式(11),計算出tx=1/DTYD=1/2.409×10-4%/h=4.151×105h=47.4年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為3.30MPa下,對PP-R級別4的使用壽命約為47.4年,其中破壞貢獻度在60℃條件下a1/t1/DTYD=1.630×10-4/2.409×10-4=67.66%;100 ℃條件下a5/t5/DTYD=4.044×10-5/2.409×10-4=16.79%;70 ℃ 條 件 下a4/t4/DTYD=3.751×10-5/2.409×10-4=15.57%;而40、20℃破壞貢獻度可忽略不計。
3.1.2 PP-R級別2計算
再以級別2為例計算,從表1可見級別2——供熱水的TD分別為T0=70℃,49年;Tmax=80℃,1年;Tmal=95℃,100h。
從表3可見PP-R級別2的設(shè)計應(yīng)力為2.13MPa。
設(shè)計溫度70℃條件下,從表2可見,相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.5,由公式(2)得出σ0=σD×C=2.13×1.5=3.195MPa,從ISO 15874-2:2003給出的PPR參照曲線公式看該應(yīng)力處于第二分支,T=70+273.16=343.16K,代入公式(4)進行計算可得式(12),計算出t1=4.476×105h。
70℃條件下,時間是49年,扣除故障時間100h,所占50年的時間分?jǐn)?shù)a1計算如式(13)所示。則70℃下a1/t1=97.98%/4.476×105=2.189×10-4%/h。
最高設(shè)計溫度80℃條件下,從表2可見,相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.3,時間是1年,由公式(2)得出σ0=σD×C=2.13×1.3=2.769MPa。從ISO 15874-2:2003給出的PP-R參照曲線公式看該應(yīng)力處于第二分支,T=80+273.16=353.16K,代入公式(4)進行計算可得式(14),計算出t2=1.324×105h。
80℃條件下,時間是1年,所占50年的時間分?jǐn)?shù)2%,則80℃條件下a2/t2=2%/1.324×105=1.511×10-5%/h。
故障溫度95℃下,從表2可見,相應(yīng)的設(shè)計使用系數(shù)C為1.0,時間是100h,由公式(2)得出σ0=σD×C=2.13×1.0=2.13MPa。從ISO 15874-2:2003給出的PP-R參照曲線公式看該應(yīng)力處于第二分支,T=95+273.16=368.16K,代入公式(4)進行計算得式(15),計算出t3=3.114×104h。
95℃條件下,時間是100h,所占50年的時間分?jǐn)?shù)0.0228%,則95℃條件下a3/t3=0.0228%/3.114×104=7.322×10-7%/h。
按公式(1)可得式(16),計算得出tx=1/DTYD=1/2.347×10-4%/h=4.261×105h=48.6年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為2.13MPa下,對PP-R級別2的使用壽命約為48.6年,其中破壞貢獻度70 ℃條件下a1/t1/DTYD=2.189×10-4/2.347×10-4=93.27%;80 ℃條件下a2/t2/DTYD=1.511×10-5/2.347×10-4=6.44%;95℃條件下a3/t3/DTYD=7.322×10-7/2.347×10-4=0.31%。
從ISO 15876-2:2003給出的 PP-R 參照曲線公式,10~110℃范圍內(nèi),第一分支和第二分支如式(17)和式(18)所示。
同PP-R計算方法,對級別4,可計算得到60℃條件下a1/t1=1.267×10-5%/h;40 ℃條件下a2/t2=2.849×10-9%/h;20 ℃ 條 件 下a3/t3=2.929×10-17%/h;70 ℃ 條 件 下a4/t4=3.011×10-6%/h;100℃條件下a5/t5=2.281×10-4%/h。DTYD=∑(a/t)=2.437×10-4%/h。tx=1/DTYD=1/2.437×10-4%/h=46.8年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為5.46MPa下,對PB級別4的使用壽命約為46.8年,其中破壞貢獻度100℃條件下a5/t5/DTYD=93.6%;60 ℃條件下a1/t1/DTYD=5.2%;70℃條件下a4/t4/DTYD=1.2%;而40、20℃條件下破壞貢獻度可忽略不計。
從ISO 22391-2:2009給出的PE-RT Ⅰ型參照曲線公式,10~95℃范圍內(nèi)第一分支和第二分支如式(19)和式(20)所示。
3.3.1 PE-RTⅠ型級別4計算
同PP-R計算方法,對級別4,可計算得到60℃條件下a1/t1=3.835×10-5%/h;40 ℃條件下a2/t2=3.774×10-7%/h;20 ℃ 條 件 下a3/t3=1.090×10-10%/h;70℃條件下a4/t4=1.391×10-5%/h。
從ISO 22391-2:2009給出的PE-RT Ⅰ型參照曲線公式適用范圍是10~95℃,沒有給出100℃的公式,我們從標(biāo)準(zhǔn)95℃和110℃參照曲線上估算該應(yīng)力應(yīng)該處于第一分支,T=100+273.16=373.16K,我們暫且按10~95℃公式(7)進行計算得出100℃條件下a5/t5=1.852×10-4%/h,DTYD= ∑ (a/t)=2.378×10-4%/h,tx=1/DTYD=1/2.378×10-4%/h=48.0年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為3.25MPa下,對PE-RTⅠ型級別4的使用壽命約為48.0年,其中破壞貢獻度100℃條件下a5/t5/DTYD=77.88%,60 ℃條件下a1/t1/DTYD=15.87%,70℃條件下a4/t4/DTYD=5.85%,而40、20℃條件下破壞貢獻度可忽略不計。
3.3.2 PE-RTⅠ型級別5計算
同PP-R計算方法,對級別5,可計算得到80℃條件下a1/t1=1.656×10-4%/h,60 ℃條件下a2/t2=7.653×10-6%/h,20℃條件下a3/t3=3.382×10-40%/h,90℃條件下a4/t4=5.246×10-5%/h。
從ISO 22391-2:2009給出的PE-RT Ⅰ型參照曲線公式適用范圍是10~95℃,沒有給出100℃的公式,我們從標(biāo)準(zhǔn)中95℃和110℃參照曲線上估算該應(yīng)力處于第二分支,T=100+273.16=373.16K,我們暫且按10~95℃公式(20)進行計算得出100℃條件下a5/t5=1.025×10-6%/h,DTYD=∑(a/t)=2.378×10-4%/h,tx=1/DTYD=1/2.268×10-4%/h=50.3年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為2.38MPa下,對PE-RTⅠ型級別5的使用壽命約為50.3年,其中破壞貢獻度80℃條件下a1/t1/DTYD=73.04%,90℃條件下a4/t4/DTYD=23.13%,60 ℃條件下a2/t2/DTYD=3.38%,100℃條件下a5/t5/DTYD=0.45%,而100、20℃條件下破壞貢獻度可忽略不計。
從ISO 22391-2:2009給出的 PE-RTⅡ型參照曲線公式,10~110℃范圍內(nèi)按照式(21)進行計算。
3.4.1 PE-RTⅡ型級別4計算
同PP-R計算方法,對級別4,可計算得到60℃條件下a1/t1=1.043×10-8%/h,40 ℃條件下a2/t2=1.018×10-17%/h,20 ℃ 條 件 下a3/t3=1.184×10-35%/h,70 ℃ 條件 下a4/t4=4.012×10-9%/h,100℃條件下a5/t5=2.259×10-4%/h,DTYD=∑(a/t)=2.25914×10-4%/h,tx=1/DTYD=1/2.25914×10-4%/h=50.5年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為3.38MPa下,對PE-RTⅡ型級別4的使用壽命約為50.5年,其中破壞貢獻度100 ℃條件下a5/t5/DTYD=99.99%,60、70、40、20℃破壞貢獻度均可忽略不計。
3.4.2 PE-RTⅡ型級別5計算
同PP-R計算方法,對級別5,可計算得到80℃條件下a1/t1=9.722×10-5%/h,60 ℃條件下a2/t2=1.500×10-8%/h,20 ℃ 條 件 下a3/t3=5.788×10-41%/h,90 ℃ 條件 下a4/t4=1.245×10-4%/h,100℃條件下a5/t5=3.000×10-7%/h,DTYD=∑(a/t)=2.2214×10-4%/h,tx=1/DTYD=1/2.2214×10-4%/h=51.4年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為2.88MPa下,對PE-RTⅡ型級別5的使用壽命約為51.4年,其中破壞貢獻度90℃條件下a4/t4/DTYD=56.03%,80℃條件下a1/t1/DTYD=43.76%,100、60、20℃破壞貢獻度均可忽略不計。
3.4.3 PE-RTⅡ型級別2計算
對級別2,可計算得到70℃條件下a1/t1=2.0436×10-4%/h,80 ℃條件下a2/t2=1.986×10-5%/h,95℃條件下a3/t3=1.600×10-6%/h,DTYD=∑(a/t)=2.2582×10-4%/h,tx=1/DTYD=1/2.2582×10-4%/h=50.6年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為3.37MPa下,對PE-RTⅡ型級別2的使用壽命約為50.6年,其中破壞貢獻度70℃條件下a1/t1/DTYD=90.50%,80℃條件下a2/t2/DTYD=8.79%,95 ℃ 條 件 下a3/t3/DTYD=0.71%,其中95℃破壞貢獻度可忽略不計。
從ISO 15877-2:2009給出的PVC-CⅡ型參照曲線公式,10~100℃范圍內(nèi),按公式(22)進行計算。
3.5.1 PVC-CⅡ型級別4計算
同PP-R計算方法,對級別4,可計算得到60℃條件下a1/t1=3.093×10-7%/h,40 ℃條件下a2/t2=4.502×10-12%/h,20 ℃ 條 件 下a3/t3=1.150×10-5%/h,70 ℃ 條 件 下a4/t4=2.236×10-6%/h,100℃條件下a5/t5=2.273×10-4%/h,DTYD=∑(a/t)=2.41345×10-4%/h,tx=1/DTYD=1/2.41345×10-4%/h=47.3年。
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為4.52MPa下,對PVC-CⅡ型級別4的使用壽命約為47.3年,其中破壞貢獻度100℃條件下a5/t5/DTYD=94.18%,20 ℃條件下a3/t3/DTYD=4.76%,70 ℃條件下a4/t4/DTYD=0.93%,而60、40℃破壞貢獻度均可忽略不計。
3.5.2 PVC-CⅡ型級別2計算
對級別2,可計算得到70℃條件下a1/t1=9.5635×10-5%/h,80℃條件下a2/t2=1.17156×10-4%/h,95℃條件下a3/t3=1.8416×10-5%/h,DTYD=∑(a/t)=2.31207×10-4%/h,tx=1/DTYD=1/2.31207×10-4%/h=49.4年
通過計算得出在設(shè)計應(yīng)力下σD為4.55MPa下,對PVC-CⅡ型級別2的使用壽命約為49.4年,其中破壞貢獻度70℃條件下a1/t1/DTYD=41.36%,80℃條件下a2/t2/DTYD=50.67%,95 ℃條件下a3/t3/DTYD=7.97%。
按照上述方法分別計算,并歸納不同材料在各使用級別下破壞貢獻度,見表4。
表4 不同材料在各使用級別下破壞貢獻度 %Tab.4 Degree of broken for different polymer %
從上述對部分熱水管材料在使用級別2、4、5下計算結(jié)果可見,對PB、PVC-CⅡ型、PE-RTⅡ型的使用級別4條件,故障溫度100℃僅100h,其破壞貢獻度大于90%,特別是PE-RTⅡ型破壞貢獻度為99.99%,我們認(rèn)為該公式計算結(jié)果并不適用于在使用級別4下反映管材的真實破壞狀況。
PP-H、PP-B、PP-R、PVC-CⅠ 型、PE-RTⅠ 型、PE-X相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)給出的曲線溫度范圍均是10~95℃,按標(biāo)準(zhǔn)這些材料在計算使用級別4和5時均會出現(xiàn)100℃破壞沒有合適計算公式問題,如何給出公式并且合理好用,需要我們進一步研究。
另外上述計算表明對PB、PVC-CⅡ型、PE-RTⅡ型即使給出了100℃下計算公式仍不能得到合理破壞計算結(jié)果,值得商榷。
通過對不同材料冷熱水管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中不同使用級別下設(shè)計應(yīng)力計算,核實了部分冷熱水管系統(tǒng)參照曲線公式,并通過進一步對不同溫度下破壞貢獻度的計算,分析了公式的合理性。對PB、PVC-CⅡ型、PERTⅡ型公式使用級別4中100℃下100h破壞貢獻度超過90%問題,提出了對該計算公式的質(zhì)疑,并且根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出了對PP-H、PP-B、PP-R、PVC-CⅠ型、PE-RTⅠ型、PE-X未給出100℃破壞計算公式問題。希望引起業(yè)內(nèi)同行關(guān)注,并開展進一步的研究,完善標(biāo)準(zhǔn)。
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