塑料保溫管材的研究發(fā)展

侯連龍，澹臺建禮，賈少偉

(河北匯銳管業(yè)有限公司，石家莊 052166)

0 前言

目前，聚乙烯管道以其所具有的耐腐蝕、輕便、衛(wèi)生、連接方便等優(yōu)點，廣泛應用于城市給排水、輸氣等技術(shù)領(lǐng)域，并且在居民生活中也得到應用，已逐漸取代了傳統(tǒng)的鋼管。然而在現(xiàn)有的室外集中供熱領(lǐng)域，仍然采用鋼管保溫管作為熱力輸送的主力管道。

傳統(tǒng)金屬保溫管運行的問題凸顯：腐蝕產(chǎn)生泄露和損壞，使用壽命短；銹蝕沉積物進入計量及管道附屬儀表中，造成堵塞；施工成本高，需要吊裝設(shè)備，影響工程進度；氣蝕分層，熱能損耗高，供熱效率低；維護保養(yǎng)費用高昂；普遍使用壽命不足15年；接口最早泄漏，管網(wǎng)癱瘓。供熱管網(wǎng)的超期服役、年久失修以及管道老化、材質(zhì)低劣、施工技術(shù)落后等因素，造成管網(wǎng)“跑、冒、滴、漏”嚴重，熱能大量浪費，并且嚴重影響了供熱安全，以及嚴重影響居民正常生活和社會秩序的穩(wěn)定。

據(jù)統(tǒng)計，因管道銹蝕和漏損的問題，每千公里供熱管網(wǎng)浪費能源每年超過63 kt標準煤，多排放二氧化碳160 kt以上。開展集中供熱塑料保溫管道生產(chǎn)和應用技術(shù)研究已經(jīng)是迫在眉睫的工作。

1 塑料保溫管道結(jié)構(gòu)

集中供熱預制保溫塑料管由工作內(nèi)管、保溫層和外護管三層復合而成。工作內(nèi)管一般為耐熱塑料管，一般管道口徑：20～400 mm；外層—高密度聚乙烯外護套管，簡稱外護層或外護管。一般為黑色或黃色的高密度聚乙烯(PE-HD)單壁波紋管或PE-HD薄壁管。其作用保護保溫層免遭機械硬物破壞，防腐和防水；中間層—發(fā)泡保溫層，有聚氨酯發(fā)泡、聚乙烯(PE)發(fā)泡或聚丙烯(PP)發(fā)泡等，保溫層一般為硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡；包覆在工作內(nèi)管的外表面，由高壓發(fā)泡機發(fā)泡制成；外護管集中供熱預制保溫塑料管的類型一般有單管和供/回水管一體2種?，F(xiàn)有典型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

保溫層材質(zhì)：(a)聚氨酯 (b)PE圖1 典型塑料保溫管的結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of plastic insulating pipe

2 主材選擇

在多年的推廣使用中，塑料保溫管道具有優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性、耐沖擊性，施工維修方便，使用壽命長達50年以上，適用于集中供熱的二次管網(wǎng)系統(tǒng)，直接解決了現(xiàn)有鋼制管的施工時間長，防腐性差，壽命短的問題，這些優(yōu)點已經(jīng)得到用戶的認識并接受。

目前，可用于供熱管道內(nèi)層的塑料材料主要有：耐熱聚乙烯(PE-RT)、交聯(lián)聚乙烯(PE-X)、無規(guī)聚丙烯(PP-R)和聚丁烯(PB)等，各種材料的最大允許工作壓力見表1。按照《冷熱水系統(tǒng)用熱塑性塑料管材和管件》GB/T 18991中Miner’s規(guī)則，將在供熱預制保溫塑料管設(shè)計見表1。最大允許工作壓力(P)是根據(jù)P=σD/S公式計算得出，其中：σD為設(shè)計應力，S為管系列值。具體見表2。

表1 各種塑料保溫管設(shè)計應力 MPa

表2 各種塑料保溫管最大允許工作壓力 MPa

表3 各種塑料保溫管道性能比較

注：A—非常優(yōu)秀；B—優(yōu)秀；C—普通；D—差。

隨著研究的深入，各類材料也在生產(chǎn)和施工應用過程中暴露出了不足，從而影響其性能和最終的使用壽命(見表3)。例如：PE-X和鋁塑復合管只能采用機械式連接(螺紋和卡壓式金屬管件)，而且生產(chǎn)過程中不易在線控制交聯(lián)度；PB有較高的耐壓性能，但生產(chǎn)后需要很長的結(jié)晶期，生產(chǎn)過程不易控制，在北方地區(qū)冬季施工時，需要特別保護PB管，以防止由于脆性、模量小、剛性低而導致劃傷脆性開裂；PP-R易出現(xiàn)低溫脆性導致耐沖擊性能差；另外PP-R對于銅離子敏感，因此不能用目前的電熔管件進行連接，具體詳見表4。目前以PE-RT研究為最多，也是目前供熱管道采取的原料。

表4 各種塑料保溫管工作管連接方式

注： DN表示公稱直徑mm；“√”表示可采用；“—”表示不采用。

耐熱聚乙烯是采用特殊的分子設(shè)計和合成工藝生產(chǎn)的中密度聚乙烯，非交聯(lián)產(chǎn)品，通過控制側(cè)鏈的數(shù)量和分布得到獨特的分子結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈和支鏈的存在使得PE的大分子不能夠結(jié)晶在一個片狀晶體中，而是貫穿在幾個晶體中，形成了晶體之間的聯(lián)結(jié)，獲得優(yōu)異的長期耐熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的長期靜液壓強度；同時保留了傳統(tǒng)高密度聚乙烯優(yōu)異的焊接性能(熱熔對接焊接、電熔連接)、低溫抗沖擊性能(低至-40℃)、耐開裂性能優(yōu)秀(劃痕是否會引起快速脆性破壞)等特征。按照共聚單體不同分為乙烯和辛烯共聚、乙烯和己烯共聚以及乙烯和丁烯共聚3種耐熱聚乙烯。根據(jù)原料的預測靜液壓強度曲線分為：PERT I型和PERT II型，這是常用的分類方式。

隨著目前對安全和強度的要求越來越高，PE-RT II型耐熱聚乙烯已經(jīng)是主流，主要生產(chǎn)廠家有：荷蘭巴塞爾的Hostalan4731B，美國陶氏化學的LEX2388，道達爾的XSeneXRT70，這些為國外PE-RTⅡ型原料品牌的代表，該類材料的典型物理性能如表5所示。近年來，國內(nèi)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年進入市場，獲得好評。

表5 PE-RTⅡ型耐熱聚乙烯的典型物理性能

現(xiàn)有PERT-Ⅱ型保溫管生產(chǎn)采用二步法成型工藝。分別擠出工作內(nèi)管和外護管，在發(fā)泡平臺將工作內(nèi)管和外護管組裝后進行發(fā)泡。這種生產(chǎn)工藝存在工藝繁瑣、生產(chǎn)效率低和材料浪費大的問題。

3 塑料保溫管與鋼管對比

與普通的供熱鋼管相比，塑料供熱管道具有以下特點：

(1)塑料管屬于保溫材料，保溫性能好，PE-RT的導熱系數(shù)僅有0.42 W/(m·K)，鋼管的導熱系數(shù)為30～150 W/(m·K)，使整個管道系統(tǒng)熱損失降低到5 %以下。熱損失遠低于鋼管，長期運行可節(jié)約大量能源，顯著降低能源成本。

(2)塑料管質(zhì)量輕施工方便。塑料的密度0.96 g/cm3，鋼管的密度是7.75 g/cm3，鋼管密度是塑料的8倍。塑料管更輕，搬運方便，施工工藝簡單快捷，不需附設(shè)管溝，可直接埋入地下。綜合考慮人工費、材料費和機械設(shè)備的費用，塑料管的施工成本相對于鋼管能節(jié)省30 %。

(3)塑料管具有光滑的內(nèi)表面，其曼寧系數(shù)為0.009，輸送能力強，較傳統(tǒng)金屬管道提高25 %。

(4)因為鋼材是熱的良導體，塑料是熱的不良導體。塑料保溫管道無需熱補償，不需要增加壁厚。使用塑料材料可以從根本上解決輸送過程的熱損失，溫降低，節(jié)能10 %～20 %。以及安裝時的熱補償。提高管網(wǎng)的安全性、減少漏失率、提高熱效率。

(5)連接方便。塑料管采用電熔或熱熔連接，鋼管采用電焊連接。塑料管連接不需明火。熱熔連接或者電熔管件焊接，非常便利，連接處的強度高于本體。電熔管件只需要很小的操作空間，能夠輕松解決一些狹窄區(qū)域的連接。

(6)具有很強的防水和耐腐蝕能力，密封可靠，不滲不漏；無銹蝕，不污染水質(zhì)，終身運行不會出現(xiàn)縮徑導致熱量不夠；接頭不會出現(xiàn)銹穿的問題，在熱力管網(wǎng)的日常管理和維護上有較大優(yōu)勢。

(7)優(yōu)異的耐低溫脆性(低溫脆化點達-40 ℃)，性能可靠，70 ℃下使用壽命可達50年。鋼管的壽命小于15年。

(8)塑料管是柔性材料，能夠通過自身形變吸收軸向的應力，因此更適于埋地、架空和管廊施工。對于地面不均勻沉降具有很好的適應性。

(9)經(jīng)濟可行性：在全壽命周期評價，中小口徑，尤其是易出現(xiàn)問題的二次管網(wǎng)DN355及以下尺寸，塑料管綜合經(jīng)濟性遠遠高于鋼管。圖2為PE-RT II供熱管道與鋼管經(jīng)濟性比較，分析基數(shù)20 000 m。

但是，目前，塑料保溫管使用溫度一般在80 ℃及以下，最高也只能用在二次供熱管網(wǎng)。鋼管有更高的使用溫度一般為300 ℃以下皆可，也就是說一次和二次供熱管網(wǎng)都可使用。使用壓力在1.0 MPa以下，壓力級別和壁厚息息相關(guān)。而鋼管具有更高的壓力級別，可以滿足所有壓力需要。這也是目前塑料保溫管需要研究開發(fā)的方向，期望發(fā)展為可蒸汽輸送，原油輸送，以及特殊流體的保溫輸送領(lǐng)域。

圖2 預制PE-RT II保溫管道與鋼管經(jīng)濟性比較Fig.2 Economic comparison between prefabricated PE-RT II insulation pipeline and steel pipe

4 發(fā)展概況

4.1 國外發(fā)展

塑料保溫管道源起可以追溯到80年代歐洲，為了適應集中供暖增加建設(shè)的要求，經(jīng)原材料、管道生產(chǎn)商和供熱單位共同開發(fā)，研制出了聚乙烯預制直埋保溫塑料管道。由于西歐居民用戶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。在這些國家中，高密度耐熱聚乙烯保溫管已經(jīng)在小區(qū)二級供熱管網(wǎng)中應用多年。

1987年，歐洲奧地利Lichtenegg使用了3 km的口徑DN20 mm～DN125 mm的預制保溫塑料管道系統(tǒng)用于集中供熱管網(wǎng)。目前使用已經(jīng)超過30年，運行狀況非常好。在2010年，又有新的住宅接入主管道系統(tǒng)。奧地利的維也納美泉宮Sch?nbrunn動物園總計2.2 km集中供熱，幾周內(nèi)完成所有工作，相對于以前的鋼制管道系統(tǒng)，能效高、運行狀況很好。荷蘭Hengelo西門子Siemens辦公樓利用此保溫管道輸送70 ℃熱水介質(zhì)。冰島首都雷克雅未克也采用了此類供熱直埋管件。

經(jīng)過逾30年的使用，歐洲已經(jīng)形成了完備的產(chǎn)品和設(shè)計標準體系，塑料直埋保溫管道在歐洲大部分地區(qū)的二級供熱管網(wǎng)中應用。

4.2 國內(nèi)發(fā)展

在中國，供熱管網(wǎng)多采用直埋敷設(shè)方式。在供熱工程中包括小區(qū)二級管網(wǎng)材質(zhì)選擇中基本使用的是鋼管。鋼管具有耐壓、耐高溫等特點，但同時耐腐蝕性差，在輸送熱水的過程中，易受熱水介質(zhì)及其中的離子(包括金屬離子及氧)腐蝕，地下水浸泡也容易導致管道腐蝕，使用壽命相對較短。其次，由于接頭采用焊接方式連接，焊縫質(zhì)量受工人技術(shù)水平影響較大，同時焊縫也是最容易發(fā)生腐蝕泄漏的部位。因此，管道在達到一定年限(10～15年)后相關(guān)單位必須加強維修或更換，費用較高。

2012年，國家住房與建設(shè)部牽頭進行了《集中供熱預制直埋保溫熱水塑料管生產(chǎn)與應用關(guān)鍵技術(shù)研究》，編制產(chǎn)品行業(yè)標準，應用地方標準和設(shè)計施工技術(shù)指導書。山西、寧夏和山東已經(jīng)出臺了預制直埋復合塑料供熱/保溫管道應用技術(shù)規(guī)程、設(shè)計與施工規(guī)范。具體詳見表6所示。

表6 國內(nèi)PE-RT II保溫管道的主要標準和規(guī)范

隨著塑料保溫管道相關(guān)的標準的出臺和上下游廠家的合作，已經(jīng)有生產(chǎn)商進行了大量工作。目前原料供應有道達爾和巴塞爾；規(guī)模管材生產(chǎn)廠主要在北方，有30余家；管件生產(chǎn)商以吉林松江、北京飛特泰克等為代表的10余家。具有代表性的管材和管件廠家見表7。由于目前集中供熱采用熱水介質(zhì)占90 %左右，耐熱塑料保溫管道能長期輸送80 ℃以下的熱水，且塑料保溫管具有耐腐蝕、使用壽命長、保溫效果好、接頭連接可靠、施工方便等特點，因此，北方采暖地區(qū)很多熱力公司對其有濃厚興趣，將成為小區(qū)二級供熱管網(wǎng)發(fā)展方向。

自從第一個項目于2012年落戶內(nèi)蒙赤峰，全國已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)有近百項集中供熱的工程開始使用PE-RT II 管材，如：近八年來，北京、天津、山東、山西、寧夏、甘肅、河南、吉林、黑龍江、遼寧、河北、內(nèi)蒙等地近百個城市的管網(wǎng)改造工程以及新建管網(wǎng)工程均采用了PE-RTⅡ預制直埋保溫管，取得了良好的運行效果和經(jīng)濟效益。

2014年住建部發(fā)布《北方供暖地區(qū)城市集中供熱老舊管網(wǎng)改造》的通知，《規(guī)劃》提出到2015年實現(xiàn)二級供熱管網(wǎng)失水率控制在1 %以內(nèi)，每公里降溫小于0.1 ℃，熱水管網(wǎng)綜合損失控制在5 %以內(nèi)，新建建筑全部實現(xiàn)供熱計量，既有建筑計量達到30 %以上等主要目標。PE-RT II供熱管道的優(yōu)勢會凸顯，市場會更為廣闊。

表7 塑料直埋保溫管材與管件生產(chǎn)單位

5 新發(fā)展

塑料保溫管的優(yōu)勢已經(jīng)充分體現(xiàn)，也被地方尤其是北方地區(qū)廣泛推廣。目前的技術(shù)和產(chǎn)品主要是集中在二次管網(wǎng)的鋼管替代，口徑只能夠用于400 mm以下，溫度在80℃以下，限制了塑料在整個供熱和保溫領(lǐng)域的應用。

將現(xiàn)在的材料、結(jié)構(gòu)和工藝進一步提升，改善管道的耐熱和耐壓性能，以期塑料管道應用在一次管網(wǎng)、蒸汽輸送、保溫、高壓輸送的領(lǐng)域，會使行業(yè)發(fā)生翻天覆地的變化，提升產(chǎn)品競爭力，取得更好的經(jīng)濟和社會效益。目前針對出現(xiàn)的問題而進行的深入開發(fā)。新的發(fā)展主要有如下6個方面：

(1)原料改性和復合。耐溫和耐壓性能的進一步提高，擴寬塑料保溫管道的應用空間。尤其是蒸汽輸送、原油輸送和一級管網(wǎng)應用。如芳綸、聚酯無紡布、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維等增強，目標中大口徑一次管網(wǎng)。

(2)管道結(jié)構(gòu)。增強耐熱管道或者復合管材在集中供熱領(lǐng)域的應用問題。

(3)功能性改善，如：阻透、抗靜電和阻燃等。如功能性改性劑聚乙烯醇、無鹵阻燃劑。

(4)外護管改形。加強波紋形外護套管以及其他材質(zhì)的外護管在保溫復合塑料管道中的適應性研究有助于產(chǎn)品應用領(lǐng)域拓展。如波紋管和加強筋設(shè)計，使產(chǎn)品抓地性優(yōu)異。

(5)管道和管件的匹配發(fā)展和加工成型工藝成熟。保溫管道的一次性成型工藝以及管件結(jié)構(gòu)和加工。在線發(fā)泡，同步擠出工作管和外護管。

(6)擴展適用場所。架空和城市地下綜合管廊入廊應用研究及示范試點工程，應加快步伐。

上述相關(guān)工作雖然已經(jīng)開展，但是大都停留在了中試或者技術(shù)儲備階段。相關(guān)單位為迎合市場，各自為戰(zhàn)，尚未形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。建議原料、設(shè)備、檢測以及施工工程等各方合作起來，共同推動行業(yè)的發(fā)展。同時，還需積極借鑒其他行業(yè)的經(jīng)驗，如增強管道(RTP)其實已經(jīng)有深入研究，多應用于輸油、天然氣輸送等。這些管道均是以聚烯烴為基體，具有參考意義。

6 結(jié)語

近年正趕上城市二級管網(wǎng)批量維修維護，是發(fā)展塑料保溫管道的大好時機。中國北方規(guī)劃范圍內(nèi)15個省區(qū)需要供熱，每年管網(wǎng)建設(shè)、維修管道工程量近8 000 km。若每年新建和改造的城鎮(zhèn)集中供熱二次管網(wǎng)50 %采用該新型產(chǎn)品，預期到2025年，可達40億產(chǎn)值規(guī)模。只二次供熱管網(wǎng)這一單一用途就有巨大的市場。

塑料保溫管道的開發(fā)和應用，尤其是耐熱和耐壓的進一步提升，發(fā)展管道在中大口徑和中高壓力的場所使用，結(jié)合塑料無可比擬的防銹和耐腐蝕以及柔性等特性，通過在保溫二次管網(wǎng)(口徑小于400 mm)的使用，進一步推廣到一次管網(wǎng)，甚至是長遠輸送主管道，必將是保溫輸送管網(wǎng)的一次全新革命，實現(xiàn)了以塑代鋼的愿望，節(jié)能減排，將塑料保溫管在熱水輸送、化工液體保溫輸送和液化氣的保溫輸送以及海洋底下管道的建設(shè)帶來無限生機，提供全新的管道解決方案。