关键词：高密度耐热聚乙烯； PE—RTⅡ； 集中供热二级管网； 预制直埋保温管
Application of PE-RTⅡ Prefabricated Directly Buried Insulating Pipe to Secondary Circuit
Abstract：The current status and development trend of secondary circuit for centralized heating at home and abroad are expounded．The physical and chemical properties，the welding characteristics，the maximum allowable working pressure and the long-term thermal stability of high-density polyethylene of raised temperature resistance(PE—RTⅡ)pipes as well as the axial stress analysis for installation of PE-RTⅡ prefabricated directly buried insulating pipes are discussed．Application cases of PE-RTⅡ prefabricated directly buried insulating pipes secondary circuit for centralized heating are introduced．
Keywords：high-density polyethylene of raised temperature resistance；PE-RTⅡ；secondary circuit for centralized heatin9；prefabricated directly buried insulating pipe
1 国内外集中供热二级管网现状及趋势
1.1 我国城市集中供热二级管网的现状
改革开放以来，城市集中供热发展迅速。l981年全国集中供热面积仅有1167×104m2，蒸汽管道长度为79km，热水管道长度为280km，供热能力为蒸汽754t／h，热水440MW。到2010年，全国集中供热面积达到435668×104m2，是l981年的373倍；供热管道总长度达l39173km，其中蒸汽管道长度为l5122km，热水管道长度为l24051km；供热能力为蒸汽105084t／h，热水315717MW。
我国供热管网多采用直埋敷设方式。在供热工程中包括小区二级管网基本使用钢管。钢管具有耐压、耐高温等特点，但耐腐蚀性差，在输送热水的过程中，易受热水介质及其中的离子(包括金属离子及氧)腐蚀，地下水浸泡也容易导致管道腐蚀，使用寿命相对较短。其次，由于接头采用焊接方式连接，焊缝质量受工人技术水平影响较大，同时焊缝也是最容易发生腐蚀泄漏的部位。因此，管道在达到一定年限(10～15a)后必须加强维修或更换，费用较高。
1.2 小区供热二级管网发展趋势
随着材料技术的发展，塑料管道应用领域在不断拓展，塑料管道应用于建筑供暖和热水供应非常普遍，如散热器供暖、低温热水地面辐射供暖、生活热水供应常采用的是塑料管道。塑料管作为小区二级供热管网管材在国内比较少见。最近两年，天津、山东青岛、山东威海、山东乳山、河南鹤壁、吉林省吉林市、河北廊坊、内蒙古赤峰等地近十几个管网改造工程以及新建管网工程均采用了高密度耐热聚乙烯(PE—RTⅡ)预制直埋保温管，取得了良好效果。目前集中供热采用热水介质占90％左右，耐热塑料管道能长期输送80℃以下的热水，且预制直埋保温塑料管具有耐腐蚀、使用寿命长、保温效果好、接头连接可靠、施工方便等特点，因此，北方采暖地区很多热力公司对其有浓厚兴趣，将成为小区二级供热管网发展方向。
1.3 国外集中供热预制直埋保温塑料管技术现状
自1980年起，随着小区集中供暖不断增加，欧洲的供热单位开始寻求更经济的方法来建设新的埋地供热管网。传统的埋地钢质管道存在由于腐蚀而产生的泄漏和损坏问题，且在管道重新安装时耗时耗力。经原材料、管道生产商和供热单位共同开发，研制出了预制直埋保温塑料管道，现已在欧洲大部分地区(主要是东欧地区前苏联体制下国家)小区二级供热管网中应用。如1987年在奥地利Lichtenegg集中供热管网系统中就使用了3kmDN20～125mm的预制保温塑料管道。该管网使用已多年，运行状况良好，2010年又有新的住宅接入管网系统。经过逾30a的使用，欧洲已经形成了完备的产品和设计标准体系。
2 高密度耐热聚乙烯(PE—RTⅡ)管道材料
2.1 PE—RTⅡ材料概述
在近20年国内的推广使用中，塑料管道的优点已经得到用户的认识并接受，如环保、绿色、无污染、无腐蚀、无锈蚀等，但同时暴露出了不足：PVC-C虽然耐高温，但是只能胶水粘接，而且属于刚性材料；PE-X和铝塑复合管只能采用机械式连接，而且PE-X管挤出生产过程中不容易在线控制交联度；PB有较高的耐压性能，但生产后需要很长的结晶期，生产过程不易控制，在北方地区冬季施工时，由于低温，需要特别保护PB管，以防止由于脆性、模量小、刚性低而导致划伤；PP-R易出现低温脆性导致耐冲击性能差，且PP-R对铜离子敏感，因此不能用目前的电熔管件进行连接。
耐热聚乙烯(PE—RT)的英文全称是Polyethylene of Raised Temperature Resistance，通过与己烯共聚获得优异的长期耐热稳定性以及优良的长期静液压强度；同时保留了传统高密度聚乙烯优异的焊接性能(热熔对接焊接、电熔连接以及热熔承插连接)、低温抗冲击性能(低至-40℃)、耐开裂性能以及缺口敏感性(划痕是否会引起快速脆性破坏)；还具有优异的耐开裂性能以及抗熔垂特性，可以生产大口径管道，例如道达尔公司的PE—RTⅡ型管道专用料，牌号为XSene XRT70，可生产DN500mm的管道，开拓了更广泛的应用领域(应用在高温领域以及腐蚀性液体输送领域)。
2.2 PE—RTⅡ基本物理化学特性
和所有的聚烯烃材料一样，高密度耐热聚乙烯(PE—RTⅡ)是由碳和氢组成的高分子聚合物，化学稳定性很好，对于常见的酸、碱、盐具有很好的耐腐蚀性。聚烯烃材料的性能取决于材料的结构，主要的影响因素包括分子量分布以及共聚单体的种类。目前聚乙烯类聚合物的共聚单体包括己烯、丁烯和辛烯，共聚单体分子链越长，越能形成更多的连接链。从分子量的分布来看，有单峰分布的，也有双峰分布的，双峰的分子量分布具有更好的综合性能，因为低分子量部分确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压性能以及长期稳定性。
目前，道达尔公司PEl00级高密度耐热聚乙烯(PE—RTⅡ)XSene XRT70是由乙烯和己烯共聚而成的，具有双峰的分子量分布，其典型的物理力学性能见表1。
3 PE—RTⅡ管道在二级管网的应用
3.1 管道焊接特性
PE—RTⅡ管道的焊接包括热熔承插焊接、热熔对接焊接以及电熔管件连接，均为本体连接，接头的强度往往比管材本体的强度还高。
因为焊接过程基本上是无剪切的加热，材料在零剪切状态的黏度对于焊接质量的影响也是至关重要的。例如热熔对接连接，零剪切状态的黏度越大，越容易出现均匀对称的翻边，接头质量越好。在工程中，作为高密度聚乙烯材料，PE—RTⅡ Xsene XRT70的焊接性能遵循了高密度PEl00管道材料的焊接理论和流程。按照国家标准GB l5558．1—2003《燃气用埋地聚乙烯管道系统第l部分：管材》对PE—RTⅡXSene XRT70管道的热熔对接接头进行拉伸剥离试验，试验结果显示接头质量非常好。
3.2 PE—RTⅡ管道的最大允许工作压力
根据国家标准GB／T l8991—2003((冷热水系统用热塑性塑料管材和管件》中MINER’S规则(累计损伤原则)，对集中供热二级管网的应用条件进行总结，并分别计算出在集中供热二级管网设计温度为75℃及85℃条件下PE—RTⅡ管道的设计应力，见表2、3。
基于材料在特定条件下的设计应力，可根据国家标准GB／T 28799．2q012《冷热水用耐热聚乙烯(PE—RT)管道系统第2部分：管材》确定管材的最大允许工作压力。最大允许工作压力py计算式为：
py＝2sDd/dn-d (1)
式中py——最大允许工作压力，MPa
sD——设计应力，MPa
d——壁厚，mm
dn——公称直径，mm
PE—RTⅡ型管道的最大允许工作压力见表4。
3.3 PE—RTⅡ管道材料的长期热稳定性
为了验证PE—RTⅡ管道材料的长期热稳定性，笔者进行了对比试验，即把青岛市试点工程中运行了l个供暖期的PE—RTⅡ管道挖出来，按照相关测试方法的国家标准要求进行测试。将测试结果与新管道进行对比，发现运行了l个供暖期之后，管道的静液压性能、物理性能、力学性能、热稳定性都没有发生明显变化。测试结果见表5。
3.4 PE—RTⅡ管直埋敷设的轴向受力分析
钢管埋地敷设要进行复杂的热胀应力分析，因为钢管的模量约为塑料管道的200多倍，热胀冷缩导致的应力非常大。塑料管道由于模量小、柔性好、具有黏弹性特征，是最适宜埋地敷设的管道材料。
对于集中供热二级管网用的预制保温塑料管而言，管道轴向应力主要包括管道热胀冷缩产生的热胀应力、保温层和工作管之间的剪切应力以及外护管与土壤之间的摩擦应力。当外护管与土壤之间的摩擦力大于或等于管道产生的热胀力时，管段将不会产生热位移，即存在锚固段。
按照工作温度为70℃、安装温度为10℃、土壤和管道摩擦系数为0.4来计算，管道一端固定，另一端可以自由膨胀或收缩。管道的受力计算结果见表6。
由表6可以得出以下结论：
①工作管的轴向热胀力远小于工作管和保温层之间的剪切力，因此工作管和保温层之间不会出现脱层现象。
②De 90mm及以下的管道，1m长的管段与土壤间的摩擦力就足够抵消管道的轴向热胀力；De110mm及以上的管道，需要较长的直埋长度才能依靠摩擦力抵消轴向热胀力。因此管道完全可采用直埋无补偿的方式进行敷设，且无需采用额外的固定措施。
③管道的热胀力远小于管道在工作温度下屈服时需要的拉伸力，因此管道不会因热胀力导致屈服，不会影响管道的各项力学性能，且塑料材料属于黏弹性材料，存在应力松弛现象(应力松弛是指在一定条件下，材料内部的应力随时间逐步衰减的现象)，管道内部的热胀应力会随时间逐渐减小至消除。
4 PE—RTⅡ预制直埋保温管的应用案例
PE—RTⅡ预制直埋保温管(见图l)最早于2012年应用在内蒙古、吉林、山东等地的旧管网改造工程中。经过近两个供暖期的使用，目前管网系统均运行良好。2013年山东、山西、河北、河南、北京等地区的应用相继展开，部分应用案例见表7。
5 结语
PE—RTⅡ Xsene XRT70管道材料具有传统钢管不具有的优异的耐腐蚀性、施工便利性、接头严密性与可靠性和长期使用寿命，作为新型的管材，具有热稳定性好、耐腐蚀、绿色易回收等优点，用于集中供热二级管网可靠、可行。