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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系分析及基本計(jì)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(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)體系,以及近年來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制/修訂變化情況。針對冷熱水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用過程中存在的如何正確選擇設(shè)計(jì)使用參數(shù)等問題,通過實(shí)例計(jì)算給出了冷熱水用塑料壓力管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中使用級別、設(shè)計(jì)應(yīng)力和管材壁厚的確定方法。

冷熱水;塑料管道;標(biāo)準(zhǔn);使用級別;設(shè)計(jì)應(yīng)力;壁厚;計(jì)算

0 前言

目前,建筑物內(nèi)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(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用,相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺,這些標(biāo)準(zhǔn)體系的制訂和不斷完善為冷熱水管道提供了生產(chǎn)、設(shè)計(jì)及使用依據(jù)。本文在介紹相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,通過實(shí)例計(jì)算,給出了冷熱水管道系統(tǒng)使用級別、設(shè)計(jì)應(yīng)力和壁厚的確定方法。

1 國際標(biāo)準(zhǔn)體系和國家標(biāo)準(zhǔn)體系

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織流體輸送用塑料管材、管件及閥門(ISO/TC138)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會負(fù)責(zé)冷熱水輸送用管道系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的制/修訂工作,相應(yīng)我國的全國塑料制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會塑料管材、管件及閥門分會(SAC/TC48/SC3)負(fù)責(zé)我國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制/修訂工作。目前已實(shí)際應(yīng)用的冷熱水管道系統(tǒng)材料主要有聚丙烯(PP)、交聯(lián)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(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn)分為7個(gè)部分:(1)總則;(2)管材;(3)管件;(4)閥門;(5)系統(tǒng)的適用性;(6)施工安裝規(guī)范;(7)合格評定指南。目前,冷熱水輸送用管道系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)中 ,國際標(biāo)準(zhǔn)一般均包括第 1、2、3、5、7部分 ,其中第7部分作為技術(shù)規(guī)范(ISO/TS)體現(xiàn),而第6部分另行制訂,不在冷熱水管道系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)。國家標(biāo)準(zhǔn)體系一般只包括前3個(gè)部分,即:總則、管材和管件。根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)體系及使用習(xí)慣,將國際標(biāo)準(zhǔn)體系第2部分管材中的材料預(yù)測強(qiáng)度參照曲線移到國家標(biāo)準(zhǔn)體系的第1部分總則中,而國際標(biāo)準(zhǔn)體系中第5、7部分相關(guān)內(nèi)容按照我國產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂要求,分別在第2部分管材和第3部分管件中以系統(tǒng)適用性和檢驗(yàn)規(guī)則等體現(xiàn),第6部分施工安裝規(guī)范我國也有相應(yīng)部門另行制訂。

GB/T 18742—2002“冷熱水用聚丙烯管道系統(tǒng)”標(biāo)準(zhǔn)是該系列標(biāo)準(zhǔn)中首個(gè)轉(zhuǎn)化為我國國家標(biāo)準(zhǔn)的,該標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)ISO/DIS 15874:1999制訂的,目前該國際標(biāo)準(zhǔn)正式版為2003版,其技術(shù)內(nèi)容基本一致。其后,PE-X、PB、CPVC和PE-RT系列國際標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)制訂并發(fā)布實(shí)施,可以看出我國冷熱水管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂是緊密跟蹤國際標(biāo)準(zhǔn)的變化并及時(shí)制訂完成的。冷熱水用塑料管道系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的差異如表1所示。此外,國際標(biāo)準(zhǔn)還有ISO 21003:2008“冷熱水裝置用多層管道系統(tǒng)”系列標(biāo)準(zhǔn),它是針對 PP、PE-X、PB、CPVC和 PE-RT等材料制成的多層復(fù)合管道,我國國家標(biāo)準(zhǔn)尚未制訂該系列標(biāo)準(zhǔn)。

表1 冷熱水管道系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 International and national standards of plastics piping systems for hot and cold water installations

(續(xù)表 1)

(續(xù)表 1)

冷熱水用塑料管道系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)的及時(shí)制訂,為規(guī)范我國冷熱水輸送管道設(shè)計(jì)和使用打下了良好基礎(chǔ),促進(jìn)了我國冷熱水管道行業(yè)近年來的蓬勃發(fā)展。同時(shí)也應(yīng)看到,由于最初我國的冷熱水用塑料管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是跟蹤國際標(biāo)準(zhǔn)草案制訂的,而隨著國際標(biāo)準(zhǔn)的正式版及增補(bǔ)件的出版,我國國家標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)適時(shí)重新修訂,以跟上國際標(biāo)準(zhǔn)的變化和發(fā)展。

2 冷熱水管道系統(tǒng)分級

2.1 GB/T 18991“冷熱水系統(tǒng)用熱塑性塑料管材和管件”介紹

GB/T 18991-2003[1]“冷熱水系統(tǒng)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(tǒng)分類和設(shè)計(jì)指南”制訂的,該國際標(biāo)準(zhǔn)的第二版是2006版。該標(biāo)準(zhǔn)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(jì)導(dǎo)則。建立了一個(gè)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(jià)和設(shè)計(jì)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 10508:1995是 ISO/TC138首次發(fā)布的有關(guān)對熱水使用條件進(jìn)行分級的國際標(biāo)準(zhǔn)。2006年版作了部分技術(shù)修訂,特別是刪除了1995版中的第六章到第十章關(guān)于產(chǎn)品測試和系統(tǒng)適用性試驗(yàn)和要求等內(nèi)容,相關(guān)內(nèi)容在近年來所制訂的冷熱水管道系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)。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(shí)際應(yīng)用狀況研究的基礎(chǔ)上建立了應(yīng)用條件的5個(gè)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(jì)算確定冷熱水管道系統(tǒng)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(shí)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(gè)溫度區(qū)的溫度分布,得到的溫度時(shí)間分布數(shù)據(jù)如表3所示。表3中占總時(shí)間的份額是用每年的小時(shí)數(shù)除以一年總的小時(shí)數(shù)(8760 h),并保留一位小數(shù)得到。例如,80～90℃時(shí)為148/8760×100%≈1.7%。為將實(shí)際溫度分布進(jìn)行“換算”以得到便于設(shè)計(jì)、計(jì)算的溫度分布,該標(biāo)準(zhǔn)特作下列規(guī)定:(1)溫度分布在10℃范圍內(nèi)的小時(shí)數(shù)均按該溫度范圍的最高溫度對待;(2)當(dāng)較低溫度的應(yīng)用時(shí)間換算到高于其10℃的條件下(如從60～70℃的小時(shí)數(shù),換算到80℃的小時(shí)數(shù))的時(shí)間時(shí),按2.5倍減少(即除以系數(shù)2.5);反之,當(dāng)溫度換算到低于其10℃的應(yīng)用時(shí)間時(shí)要乘以系數(shù)2.5,這是按 ISO 9080[3](GB/T 18252[4])標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;(3)換算系數(shù)可取2.5,也可以取2.5～3,在較嚴(yán)酷的條件下的溫度-時(shí)間分布應(yīng)取2.5;(4)數(shù)據(jù)應(yīng)按規(guī)定圓整;(5)異常溫度的時(shí)間不計(jì)算在溫度-時(shí)間分布中,而在Miner′s規(guī)則中考慮。

表3 德國Bremerhaven城市供暖的數(shù)據(jù)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(yīng)接近于表2中級別5的條件,將級別5的條件時(shí)間除以預(yù)測壽命50年,得到相應(yīng)溫度的時(shí)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(shù)據(jù)進(jìn)行歸類:(1)90℃時(shí)占總時(shí)間的份額為1.7%,圓整為2%;(2)為得到80℃下20%的數(shù)據(jù),可考慮由兩部分時(shí)間組成:已知的80℃下13.2%及抽取70℃下的6%[在此,將70℃下的數(shù)據(jù)22.3%分解為兩部分:15%與7.3%之和,15%向上(80 ℃)折算應(yīng)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(xù)向60℃歸類計(jì)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(shí)的17.3%,得到35%;而50℃時(shí)的19.2%向上(60℃)折算應(yīng)除以2.5得8%,再加上60 ℃的35%,得43%,即60 ℃圓整為50%。則溫度-時(shí)間分布結(jié)果為:90℃,2%;80℃,20%;60℃,50%。與前面分析的表2中級別5的數(shù)據(jù)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(shí)間分布。

管道生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和使用單位可依據(jù)實(shí)際使用狀況通過上述計(jì)算確定管道系統(tǒng)的使用級別。

3 冷熱水管道系統(tǒng)50年壽命的設(shè)計(jì)應(yīng)力

3.1 原理

冷熱水管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力是用溫度和時(shí)間累計(jì)計(jì)算得到的[5],ISO 13760[6]Miner′s規(guī)則提出了累計(jì)破壞的計(jì)算方法,把各種因素引起的破壞進(jìn)行線性加和,達(dá)到50年的預(yù)期使用壽命。通過試算法,可以先假設(shè)一個(gè)材料的設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力(σ),經(jīng)過對各個(gè)溫度的預(yù)期使用時(shí)間疊加,試算后得到材料預(yù)計(jì)的使用壽命,若計(jì)算結(jié)果小于要求的50年的預(yù)期使用壽命,則意味著選用的設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力太大;若計(jì)算結(jié)果超過50年的預(yù)期使用壽命,則又意味著選用的設(shè)計(jì)環(huán)應(yīng)力太小,經(jīng)過反復(fù)試算,找到計(jì)算結(jié)果最接近50年的設(shè)計(jì)應(yīng)力值,作為材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力。

ISO 13760 Miner′s規(guī)則規(guī)定,如果材料在溫度T1連續(xù)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(shí)間(時(shí)間分?jǐn)?shù))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(fā)生破壞。如果tx計(jì)算值太高或太低,則按前述方法重新計(jì)算。通過一步步近似計(jì)算,可得到允許的環(huán)應(yīng)力值(σ0)。同時(shí),可以得到50年的有效壽命值。

3.2 總體使用系數(shù)

考慮到管道系統(tǒng)使用條件和計(jì)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,提出了總體使用系數(shù)(C)的概念,C的定義見 GB/T 18475[7],它是一個(gè)大于1的數(shù)值,它的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)給出了不同材料的C值,并為我國相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)所采納,如表4所示。管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力(σD)為允許的環(huán)應(yīng)力值σ0與C之比。

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

3.3 設(shè)計(jì)應(yīng)力計(jì)算實(shí)例

考慮了上述因素后,可以計(jì)算管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力σD。根據(jù) ISO 13760附錄 A,以 PB為例,選 ISO 10508規(guī)定的2級使用條件,來說明該計(jì)算的全過程。

對表2所列使用條件的級別2:

T0=TD=T1=70 ℃,時(shí)間:49年;

Tmax=T2=80 ℃,時(shí)間:1年;

Tmal=T3=95 ℃,時(shí)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(shí),按式(2)計(jì)算壽命tx。

在70 ℃時(shí),計(jì)算壽命應(yīng)力σ=σD×C=5.0×1.5=7.5 MPa,從 GB/T 19473.1曲線縱坐標(biāo)看,應(yīng)取第二段曲線對應(yīng)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(shí)間分?jǐn)?shù)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(shí)間分?jǐn)?shù)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(shí)間分?jǐn)?shù)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(jìn)一步計(jì)算壽命估值為:

tx=1/DTYD=1/(1.94×10-4%/h)=58.8 a

因此在嘗試設(shè)σ=5.0 MPa時(shí),得到58.8年的壽命估值,大于預(yù)計(jì)的50年預(yù)測壽命,只有再提高試設(shè)的設(shè)計(jì)應(yīng)力σ值,進(jìn)一步進(jìn)行試算。

嘗試設(shè)σD=5.1 MPa時(shí),按式(3)計(jì)算壽命tx。

重復(fù)上述計(jì)算過程,用σD=5.1 MPa替換σD=5.0 MPa。

此時(shí),70℃時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shè)σ=5.1 MPa時(shí),得到40.1年的壽命估值,小于預(yù)計(jì)的50年預(yù)測壽命,只有再略微降低試設(shè)的設(shè)計(jì)應(yīng)力σ值,進(jìn)一步進(jìn)行試算。

嘗試設(shè)σD=5.04 MPa,按式(3)計(jì)算壽命tx。

重復(fù)上述計(jì)算過程,用σD=5.04 MPa替換σD=5.1 MPa。

此時(shí),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(shí)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(shí)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(shè)σ=5.04 MPa時(shí),壽命估值為:

tx=1/DTYD=1/(2.27×10-4%/h)=50.3 a

繼續(xù)試算,在嘗試設(shè)σ=5.05 MPa時(shí),

此時(shí),70℃時(shí)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(shí)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(shí)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(shè)σ=5.05 MPa時(shí),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(dāng)σD=5.0 MPa時(shí),壽命預(yù)測為 58.8年;當(dāng)σD=5.1 MPa時(shí),壽命預(yù)測為40.1年;當(dāng)σD=5.04 MPa時(shí),壽命預(yù)測為 50.3年;當(dāng)σD=5.05 MPa時(shí),壽命預(yù)測為48.4年。

由此,σD=5.04 MPa最接近預(yù)測50年使用壽命。最終得到PB熱水管在使用級別為2級時(shí)的設(shè)計(jì)應(yīng)力為5.04 MPa。其他不同熱水管材料各級別的設(shè)計(jì)應(yīng)力σD均可按此方法計(jì)算,如表5所示。這些數(shù)據(jù)可在相應(yīng)產(chǎn)品國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)中查到。上述計(jì)算過程詳細(xì)給出了如何得到這些數(shù)據(jù)的示例,可清楚得知這些數(shù)據(jù)的來源。

表5 不同材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力Tab.5 Design stress for different polymers

4 冷熱水管道系統(tǒng)壁厚計(jì)算

4.1 冷熱水管道系統(tǒng)的S值和標(biāo)準(zhǔn)尺寸比

在常溫輸水用塑料管材的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,列表規(guī)定在各個(gè)公稱壓力下,各個(gè)公稱外徑所對應(yīng)的管材壁厚。熱水管材的使用條件比較復(fù)雜,無法簡單列表規(guī)定對應(yīng)于工作壓力、使用溫度級別和管材公稱外徑要求的厚度。因?yàn)樵趬毫Ρ容^高、溫度比較低的使用條件下的管材厚度,可能同時(shí)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(guān)的無量綱數(shù),可用于指導(dǎo)管材規(guī)格的選用。S值可由式(4)或(5)計(jì)算,并按一定規(guī)則圓整。

式中P——最大允許操作壓力

SDR——塑料管材標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中,用式(5)計(jì)算出管系列S的計(jì)算值(Scale),將計(jì)算結(jié)果靠到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(guī)定管系列S值。由式(4)和式(6)推導(dǎo)出式(7),計(jì)算管材的公稱厚度(en):

由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的冷熱水用塑料管材厚度,應(yīng)在一定工作壓力下,除滿足使用級別要求外,還應(yīng)滿足在20℃、1 MPa條件下安全使用50年的要求。因此,在標(biāo)準(zhǔn)中要求對比在上述兩個(gè)條件下分別計(jì)算出的管系列S值,取其中較小值作為厚度確定的依據(jù)[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(shí)管材應(yīng)滿足20 ℃、1.0 MPa、50年的要求 ,從表 5 可知 ,此時(shí)σD=10.92 MPa,Scale=σD/P=10.92/1.0=10.9。比較2個(gè)Scale值,取較小的 8.4作為厚度確定的依據(jù)。

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(jì)算按式(7),因此,當(dāng)管徑為63 mm時(shí),壁厚e=63/(2×8+1)=3.706,向上圓整,標(biāo)準(zhǔn)中該值取為3.8。同理,可計(jì)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(shí),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(dāng)管徑為63 mm時(shí),則e=63/(2×3.2+1)=8.51,向上圓整,標(biāo)準(zhǔn)中該值取為8.6。

表1中所列冷熱水用管道系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚均按此方法計(jì)算得到。另外,由于剛度的需要,上述標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了相應(yīng)產(chǎn)品的最小壁厚。

4.3 壁厚計(jì)算方法歸納

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

(2)按照 ISO 13760 Miner′s規(guī)則 ,通過試算法確定達(dá)到50年壽命的設(shè)計(jì)應(yīng)力σD;

(3)計(jì)算相應(yīng)使用級別下的Scale值,同時(shí)計(jì)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(yīng)圓整的S值;

(4)采用式(7)計(jì)算冷熱水管道系統(tǒng)的壁厚值。

5 結(jié)語

本文融會貫通了冷熱水管道系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn),通過對比冷熱水用塑料壓力管道系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn),分析了國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)體系的異同;同時(shí)運(yùn)用Miner′s規(guī)則,對實(shí)際使用狀況下的供暖數(shù)據(jù)歸類計(jì)算得到了冷熱水管道系統(tǒng)級別;并且通過實(shí)例計(jì)算得到冷熱水管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)應(yīng)力和管材壁厚,為了解、使用冷熱水管道標(biāo)準(zhǔn)體系,按標(biāo)準(zhǔn)方法科學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)使用參數(shù)提供了依據(jù)。

[1] 中國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.G B/T 18991—2003冷熱水系統(tǒng)用熱塑性塑料管材和管件[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[2] 國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 18252—2008塑料管道系統(tǒng)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(qiáng)度[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5] 孫 遜.聚烯烴管道[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:294-296.

[6] 國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(shè)計(jì))系數(shù)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[8] 中國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 19278—2003熱塑性塑料管材、管件及閥門通用術(shù)語及其定義[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(lián)系人,xiejl@riqpc.com