熱塑性冷熱水管材的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度研究

馬小偉，胡 斌，喬亮杰，龔毅斌

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

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、老舊管網(wǎng)逐步施工改造，市政、家裝、工業(yè)用管道需求量呈快速上漲趨勢(shì)。熱塑性冷熱水管道由于具備優(yōu)異的耐長(zhǎng)期高溫蠕變性能、質(zhì)量輕、售價(jià)低、耐腐蝕、易施工、可熱熔連接等特點(diǎn)逐漸替代傳統(tǒng)金屬管道。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)無(wú)規(guī)共聚聚丙烯（PPR）及結(jié)晶改善型無(wú)規(guī)共聚聚丙烯（PP-RCT）管道原材料供應(yīng)量超過(guò)770 kt，嵌段共聚聚丙烯（PPB）管道原材料供應(yīng)量超過(guò)270 kt，耐熱聚乙烯（PE-RT）管道原材料供應(yīng)量超過(guò)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(yīng)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。本工作基于GB/T 18742—2017，GB/T 28799—2020，GB/T 19473—2020提供的最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度四參數(shù)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(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度水平，并計(jì)算在典型使用條件級(jí)別下，各種熱塑性冷熱水管材料的性能特點(diǎn)，本工作開(kāi)展的管道承壓性能分析均是基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的參照曲線(xiàn)模型，不適用于具體原料牌號(hào)間的比對(duì)，也未考慮管道施工過(guò)程的影響。

1 最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度四參數(shù)模型及參照曲線(xiàn)

1.1 最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度四參數(shù)模型（10～ 95 ℃）

最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度四參數(shù)模型見(jiàn)式（1）～式（12）。

式中：第一支線(xiàn)為韌性破壞曲線(xiàn)；第二支線(xiàn)為脆性破壞曲線(xiàn)；t為時(shí)間，h；T為溫度，K；σ為環(huán)應(yīng)力，MPa。

1.2 最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度參照曲線(xiàn)（20 ℃和95 ℃）

根據(jù)最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度四參數(shù)模型，得到20，95 ℃最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度參照曲線(xiàn)，從圖1可以看出：PB管道承壓水平（50年）最高；20 ℃時(shí)PE-RT Ⅰ型管道承壓水平（50年）最低；95 ℃時(shí)PPB管道承壓水平（50年）最低。

圖1 20 ℃與95 ℃時(shí)最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度參照曲線(xiàn)Fig.1 Reference curves of minimum predicted hydrostatic strength at 20 ℃ and 95 ℃

1.3 拐點(diǎn)表現(xiàn)

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(xiàn)拐點(diǎn)，PB管道允許出現(xiàn)拐點(diǎn)；PE-RT Ⅰ型管道、PPR管道、PPB管道、PPH管道在20 ℃時(shí)不允許出現(xiàn)拐點(diǎn)，在95 ℃時(shí)允許出現(xiàn)拐點(diǎn)。聚烯烴管道在靜液壓試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果顯示：對(duì)于同一材料，韌性破壞出現(xiàn)于高環(huán)應(yīng)力、低實(shí)驗(yàn)溫度、低破壞時(shí)間的實(shí)驗(yàn)中，而高實(shí)驗(yàn)溫度、低環(huán)應(yīng)力、長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)易引起脆性破壞。若材料出現(xiàn)脆性破壞，則材料承壓性能會(huì)迅速下降，因此，用于高溫使用條件的冷熱水管道除了關(guān)注承壓水平外，還需關(guān)注韌脆轉(zhuǎn)化過(guò)程。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各管道韌脆轉(zhuǎn)化拐點(diǎn)出現(xiàn)的位置，并進(jìn)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(nèi)不允許出現(xiàn)脆性破壞，即表明標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這兩種材料長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度要求非常高，而其他管道因?yàn)槭褂脳l件級(jí)別不同，雖然參照曲線(xiàn)上均出現(xiàn)了拐點(diǎn)，但承壓水平并不相同，如1-PB管道雖然允許有拐點(diǎn)存在，但其在50年內(nèi)的長(zhǎng)期使用性能仍高于采用其他材料制備的管道。因此，評(píng)估冷熱水管道的性能需同時(shí)參考承壓水平和韌脆轉(zhuǎn)化的影響。

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

上述計(jì)算及分析均是基于相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供的最小預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度四參數(shù)模型，對(duì)于具體管道靜液壓強(qiáng)度的擬合曲線(xiàn)根據(jù)材料性能不同有較大差異，如雖然從參照曲線(xiàn)上看95 ℃時(shí)PE-RTⅡ型的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度（50年）高于PP-RCT，但實(shí)際中可能存在一種更高性能的PP-RCT管材料承壓曲線(xiàn)高于一種低性能的PE-RTⅡ型管材料承壓曲線(xiàn)。

2 典型使用條件級(jí)別的應(yīng)用

2.1 20 ℃/50年及70 ℃/50年的最小靜液壓環(huán)應(yīng)力

從表2可以看出：20 ℃/50年使用條件下，最小靜液壓環(huán)應(yīng)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(huán)應(yīng)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(huán)應(yīng)力Tab.2 Minimum hydrostatic ring stress MPa

1-PB管道的常、高溫長(zhǎng)期使用性能最優(yōu)；PPB管道的常、高溫長(zhǎng)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(huán)境使用；PPH管道更適用于常溫環(huán)境使用。

在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮使用條件和管路其他附件的特征對(duì)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(yīng)條件下的總體使用系數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力。

2.2 典型使用條件級(jí)別的設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力

GB/T 18991—2003中典型使用條件級(jí)別包括級(jí)別1～級(jí)別5［4］；根據(jù)GB 50736—2012規(guī)定的設(shè)計(jì)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(gè)級(jí)別均對(duì)應(yīng)一個(gè)50年的設(shè)計(jì)壽命下的使用條件，各條件下的溫度與時(shí)間分布參照表3。

表3 典型使用條件級(jí)別Tab.3 Typical use condition levels

表4為典型使用條件級(jí)別設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力的值，其中，各類(lèi)管道在級(jí)別1、級(jí)別2、級(jí)別4、級(jí)別5條件下的設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力已在相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中給出。對(duì)于級(jí)別3，45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖，根據(jù)Miner′s累計(jì)損傷原則［4］，計(jì)算熱塑性冷熱水管道的設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力，對(duì)于有拐點(diǎn)的參照曲線(xiàn)，韌性破壞的損傷量和脆性破壞的損傷量應(yīng)分別累計(jì)，哪種破壞模式的損傷量先累計(jì)到100%或者在保證50年使用的情況下設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力更低，實(shí)際上就發(fā)生這種破壞模式［6］。這樣應(yīng)該分別按第一支線(xiàn)和第二支線(xiàn)四參數(shù)模型計(jì)算，優(yōu)先發(fā)生破壞的應(yīng)取為管道的設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力。從表5看出：在級(jí)別3，45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖四個(gè)使用條件級(jí)別下，PPB和1-PB均呈現(xiàn)脆性破壞，PE-RTⅠ型，PPR，PPH，PE-RTⅡ型，PP-RCT呈現(xiàn)韌性破壞。

表4 典型使用條件級(jí)別設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力Tab.4 Designed ring stress at typical use condition levels MPa

表5 根據(jù)第一支線(xiàn)和第二支線(xiàn)確定設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)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(huán)境如下：

PE-RT Ⅰ型：級(jí)別3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖<75 ℃供暖＜級(jí)別1＜級(jí)別4＜級(jí)別2＜級(jí)別5；

PPR：級(jí)別3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜級(jí)別4＜級(jí)別1＜級(jí)別2＜級(jí)別5；

PPH：級(jí)別3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜級(jí)別4＜級(jí)別1＜級(jí)別2＜級(jí)別5；

PPB：級(jí)別3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜級(jí)別4＜級(jí)別1＜級(jí)別2=級(jí)別5；

1-PB：級(jí)別3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75 ℃供暖＜級(jí)別1＜級(jí)別4＜級(jí)別2＜級(jí)別5；

PE-RT Ⅱ型：級(jí)別3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖<75 ℃供暖＜級(jí)別1＜級(jí)別2＜級(jí)別4＜級(jí)別5；

PP-RCT：級(jí)別3＜45 ℃供暖＜60 ℃供暖＜75℃供暖＜級(jí)別4＜級(jí)別1＜級(jí)別2＜級(jí)別5。

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

根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力可以得出管道承壓水平：

級(jí)別1：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RT Ⅰ型＜PP-RCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB；

級(jí)別2：PPB＜PPH＜PPR＜PE-RT Ⅰ型＜PPRCT＜PE-RT Ⅱ型＜1-PB；

級(jí)別3：PPB＜PE-RT Ⅰ型＜PPH＜PPR＜PERT Ⅱ型＜PP-RCT＜1-PB；

級(jí)別4：PPB＜PPH＜PE-RT Ⅰ型＜PPR＜PERT Ⅱ型＜PP-RCT＜1-PB；

級(jí)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(yōu)。在級(jí)別1、級(jí)別2、級(jí)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(jí)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(jí)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(jì)算

管系列值由環(huán)應(yīng)力除以?xún)?nèi)壓得到，用以指導(dǎo)管材規(guī)格的選用，計(jì)算管系列需要引入不同的內(nèi)壓，因此，相同的管道在不同內(nèi)壓條件下管材制品的規(guī)格是不同的，常見(jiàn)的內(nèi)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(jì)算的管系列值見(jiàn)表6。

表6 管系列值計(jì)算Tab.6 Calculation of tube series

管系列值越高，同等規(guī)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(jí)別1與0.6 MPa的內(nèi)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(shí)使用1-PB管道可大幅節(jié)省原料，其他管道尺寸比較以此類(lèi)推。然而，1-PB管道由于生產(chǎn)成本較高，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中除了部分高端市政工程外，其他領(lǐng)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(yōu)勢(shì)較為明顯，是一種綜合了使用性能、經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)選材料。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)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(yōu)異的柔韌性而更適用于地暖盤(pán)管，PERT Ⅱ型管道由于具備加工大口徑管材的抗熔垂性能、優(yōu)異的耐高溫蠕變性能而更適用于市政二次管網(wǎng)領(lǐng)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(jié)論

a）任何溫度條件下，PE-RTⅡ型管道和PPRCT管道參照曲線(xiàn)不允許出現(xiàn)拐點(diǎn)，1-PB管道參照曲線(xiàn)允許出現(xiàn)拐點(diǎn)；PE-RT Ⅰ型管道、PPR管道、PPB管道、PPH管道參照曲線(xiàn)在20 ℃時(shí)不允許出現(xiàn)拐點(diǎn)，在95 ℃時(shí)允許出現(xiàn)拐點(diǎn)。

b）20 ℃/50年使用條件下，最小靜液壓環(huán)應(yīng)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(huán)應(yīng)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(zhǎng)期使用性能最優(yōu)；PPB管道的常、高溫長(zhǎng)期使用性能較差；PP-RCT管道和PE-RT Ⅱ型管道的常、高溫長(zhǎng)期使用綜合性能較好。

c）在多溫度條件下使用時(shí)，對(duì)于同一種原料，使用環(huán)境要求由低到高依次為級(jí)別3、45 ℃供暖，60 ℃供暖，75 ℃供暖，級(jí)別5使用條件要求最高。整體來(lái)看，1-PB管道性能最優(yōu)，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(guī)格管材所需的壁厚更薄，可以節(jié)省原料，經(jīng)計(jì)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(lèi)型管道根據(jù)使用條件和內(nèi)壓會(huì)有差異。