【地暖】-行业新闻
  • PE-X地暖管材的开发

  • 来源:  发布时间:2015-05-05  浏览:917
  • 集中供热预制直埋保温PE-X地暖管材的开发

    作者:佛山市日丰企业有限公司研究所 金季靖 彭晓翊 李白千


    注明:北京红塔地暖公司为日丰公司所有产品北京总代理

    摘  要 本文依据二次管网的工况和保温要求,设计了直埋保温PE-X地暖管材的结构。包括外护套管、保温层、工作内管和复合管的具体要求。还对保温层、工作管和复合管的生产工艺做了探讨。它能满足设计温度80℃,设计压力0.8MPa下,50年的设计使用寿命;设计保温效果达到热水管道每公里温度降小于0.1℃的要求。

    关键词 预制直埋保温PE-X管;集中供热二次管网;复合工艺

     

    一、前言

    我国城市集中供热起步于1950年。集中供热是指以热水或者蒸汽作为热媒,由一个或者多个热源通过热网,向城、镇或者区域用户供应热能的方式。相对于旧式的分散小联片锅炉供热,城市集中供热是节能、环保的重要途径,是城市现代化的主要基础设施之一。

    集中供热的系统组成如下图所示:

    在热源、换热站和用户之间通过热力管网来输送热能,介质为水或蒸汽。在热源和中间换热站的管网称为“一次管网”,换热站和热用户之间的管网称为“二次管网”。根据CJJ 34-2010《城市供热管网设计规范》,一次管网的运行工况为设计压力≤2.5MPa,运行温度≤200℃的热水介质,或者设计压力≤1.6MPa,运行温度≤350℃的蒸汽介质。而热能经过中间换热站后,其运行工况就依据GB50736《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》设计,散热器集中供暖系统热介质为水,连续设计供回水温度75℃/50℃,最高水温≤85℃。

    目前,供热管网采用的管道多为埋地钢制管道,使用一段时间后频频出现由于接头腐蚀产生泄漏和损坏,锈蚀产生锈渣污染水质,造成热力管网使用成本高,使用寿命短。为解决此问题,日丰公司设计了集中供热预制直埋保温PE-X地暖管材,用于集中供热二次管网。由集中供热管网的运行工况设计可以看出,冷热水用交联聚乙烯PE-X管道非常符合二次管网的使用条件,与钢管相比,PEX管道具有不锈蚀寿命长、安装方便、摩擦小通量大、模量小应力低的优点。

    二、预制保温PE-X管道结构设计

    预制保温直埋PE-X复合管在结构上和国内外的保温管道的结构基本一致,为“三位一体”的预制保温管。基本结构见下图:

    预制直埋保温PE-X管由外护管、支架、保温层和工作管组成。外护管为聚乙烯地暖管材,保温层为硬质聚氨酯泡沫塑料,工作管为硅烷交联聚乙烯(PE-Xb)管。其结构设计有三个关键点:①根据二次管网的工况,设计预制保温PEX管的规格尺寸;②根据管道输送热水保温性能要求和工作管导热性能、保温层隔热性能,进行保温层的设计和保温材料的选择,计算确定保温层的厚度,满足热水管道每公里温度降小于0.1℃的要求;③根据外护管使用要求,设计外护管结构、规格尺寸和壁厚。

    1、工作内管PE-X管的设计

    二次管网的最高设计温度不超过85℃,最大设计压力不超过0.8MPa。真正小区的管网,即所谓的二次管网,实际运行的最高温度都不超过80℃,而且在每年4个月或6个月的采暖季内是间歇性供热的。即使按照最苛刻的工况条件,如50年内33%的时间为最高设计温度80℃工作,其余时间为冷水20℃,根据MINER’S规则(累计损伤原则)可计算出设计应力为3.55MPa。如下表1所示

    注:1、集中供热进入住宅小区后的二次管网一般有3个规格,进小区为dn160(一般而言dn160的管道可以满足2万m2的供暖选型),楼前管道为dn110或dn90,入单元前管道为dn63。2、因为PE-X管道内表面光滑,与钢管相比,相同规格的塑料管道流通量比钢管多18%甚至更多。因此在相同的流通量要求的情况下,塑料管的规格可以小1~2个规格,即钢管Φ108的用PE-X塑料管dn90就可以满足流通量的要求;或在同样管径的情况下,塑料管道可以降低运行压力选型。

    2、保温材料的选择和保温层厚度计算

    硬质聚氨酯泡沫塑料是保温性能最好、应用最广泛的保温材料。具有高热阻、防水、自结皮、高自粘性、性能稳定、寿命长的特点。

    (1) 保温层厚度的计算

    计算思路:根据GB/T8115-2008《设备及管道绝热设计导则》和CJJ104-2005《城镇供热直埋蒸汽管道设计规程》规定,预制直埋保温PEX管道的保温层厚度计算公式为:

    单层保温结构的保温层厚度应按下列公式计算:

    <2时,,ts取地面大气温度(℃);

    ≥2时,H1=H,ts取直埋管中心埋设深度处的自然地温(℃)

    该计算公式中,

    DW——为保温层外径;

    D0——工作管外径;

    H1——管道埋深(取0.7m);              

    H——管道中心埋设深度;

    λt——硬质聚氨酯导热系数(取0.027W/m·K);

    λg——土壤导热系数;             

    t0——工作管外表面温度(取80℃);

    ts——周边环境温度(取0℃);

    tw——保温管外表面温度(取0℃);

    α——保温管上方地表面大气换热系数(取10W/m·K); 

    δ——保温层厚度(根据温度降要求计算)

    (2)保温层厚度计算结果

    按照输送热水介质每公里温度降(<0.1℃)的要求,计算相应流量下的热损,保温层厚度的计算结果如下:(地暖管材规格与GB/T 18992 一致)

    3、外护套管的设计

    外护管的作用是保护聚氨酯保温层免遭机械硬物破坏和防腐防水。

    外护管采用HDPE材质,根据工作内管外径和保温层厚度选择外护套管的尺寸。具体依据GB/T29047-2012《高密度外护管硬聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》取值,见下表:HDPE 外套管尺寸

    三、工艺流程和性能要求

    1、PE-X工作内管的工艺流程和性能要求

    1.1 “一步法”生产PE-X地暖管材的工艺流程如下:

    1.2 PE-X地暖管材的力学性能如下:

    1.3 PE-X地暖管材的理化性能如下:

    1.4 依据GB/T18997.1规定,满足长期使用80℃和0.8MPa的条件,工作管需要选择S4系列的PE-X地暖管材。

    2、保温层发泡工艺研究

    2.1 发泡工艺

    采用喷涂发泡,选定配方如下:

    2.2 成型工艺(外部混合式喷涂)

    3、三层复合工艺研究

    3.1 制作流程

    管中管制作工艺,先生产出HDPE/PVC-U护套管和工作管PE-X,通过V型槽或者夹管器固定护套管,工作管捆绑支架后进入护套管,调整工作管和护套管的同轴度,达标后在护套管与PEX管之间的空隙浇注聚氨酯硬质泡沫塑料保温层。工艺流程如下:

    3.2 工艺要点

    3.2.1 保持护套管和PEX地暖管材内外表面清洁

    3.2.2 穿管及支架捆扎:

    A.按工作管和保温层选定的护套管→穿管机V型槽。

    B.PE-X地暖管材→输管机→穿管机托辊输送段→分段捆扎支架(1.5米/段)→将捆扎好支架芯管穿入V型槽上的护套管内直至芯管两端裸露部分均为10㎝~15㎝。

    C.将符合芯管直径和保温层厚度的卡头(内涨或外卡)封堵在管道两端并将其锁紧(拉紧)。

    注:支架结构、高度、材质、捆扎方式、抗压强度应根据芯管直径和设计要求选取。

    3.2.3 聚氨酯浇注:

    调整高压发泡机的混合比为1:1.05→测定设备流量→设定浇注时间(投料量/流量)。在穿管完毕管道两端封堵后的护套管中间正上位置开浇注孔→将高压发泡机混合头的浇注嘴插入浇注孔→浇注→料空塞封堵浇注孔→熟化→拆卸卡头→检验→修正投料量→成品。

    四、样品检测(以日丰样品PE-X63管套125HDPE护套管为例)

    4.1 预制保温PE-X管工作管检测结果如下:

    4.2 预制保温PE-X管保温层检验结果

    型号规格/颜色:预制保温管PE-Xb-63套125护套管

    4.3预制直埋保温PE-X管检验记录

    型号规格/颜色:预制保温管PE-Xb-63套125护套管

    从检验结果看,预制保温的PE-X管性能能够达到设计要求,静液压强度能满足最高设计温度不超过80℃,最大设计压力不超过0.8MPa条件下50年的设计要求,保温层导热系数小,厚度达到设计要求,可以保证输送热水介质每公里温度降<0.1℃的要求。

    五、结束语

    在2011年,全国的城市供热管道总长度已经达到14.74万公里。到2014年,集中供热二次管网的预制保温管每年消耗量将达到20万吨。传统的预制直埋保温钢管输送热水,管道易被腐蚀产生泄漏和损坏,腐蚀产生的废渣又会堵塞管道,造成高额的维护成本。而且钢管本身重量重,安装费时费力,生产钢管又会消耗大量能耗。日丰公司开发的预制直埋保温PE-X复合管具有重量轻、耐腐蚀、热强度高、使用寿命达到50年的优点,而且生产PE-X地暖管材的能耗仅为生产相同规格钢管能耗的1/10,符合“节能减排”和“以塑代钢”的政策。预制直埋保温PE-X复合管未来在集中供热二次管网中将会有良好的应用前景。

     

    【点评】

    该文从结构设计和生产工艺探讨两方面,论述了一种满足设计使用寿命与设计温降要求的直埋保温PE-X地暖管材的特点,为我国集中供热二次管网的置换开发出“节能减排”、“以塑代钢”节能环保产品,也可为推进新型城镇化建设做出企业的社会贡献。

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