冷热水用塑料管材壁厚的确定
塑料管材具有质量轻、耐腐蚀、易安装等诸多优点，在世界范围内得到广泛应用。科学地确定塑料管材的壁厚，关系到工程的质量、工程造价和企业效益。塑料管材不同使用条件对于厚度要求的计算方法是不相同的。本文在输送常温水的厚度确定方法的基础上,讨论压力下输送冷热水的塑料管材的厚度确定方法。
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我国在本领域制定的国空标准是在研究和借鉴国际标准的基础上完成的。国际标准组织ISO/TC138（流体输送用塑料管材、管件及阀门）标准化技术委员会在这个领域的工作十分活跃，制定了具有科学性和系统性的标准体系。冷热水用塑料管道系统的标准以确保安全使用50a为基础，建立了健全了整套的相关基础标准、方法标准和产品标准，使生产、设计和施工安装工作能够有序进行，成为产品健康发展的重要基础。
确定冷热水用塑料管材的厚度，除用到输送常温用水的标准外，还用到下列国际标准：
ISO
ISO
ISO/DIS
ISO/DIS
ISO/DIS
ISO/DIS
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塑料管材的性能和寿命与使用温度有很大的关系，一般来讲，在温度较高的条件下使用，寿命较短。不同的塑料材料的适用温度也不同。硬聚氯乙烯管材只适合在45摄氏度以下的条件下使用，而聚丙烯、聚丁烯、交联聚乙烯等材料可以在80摄氏度的条件下长期使用。由于输送热水或输送供暖用热水时，水的温度并不是恒定不变的。特别是输送供暖用水，气候不同的地区使用温度也不同，而且只是在冬季才启用。同时来扑克锅炉的热水温度也并不是十分稳定的，在操作过程中。会发生短时间的温度波动。在调节过程中还会有瞬时的温度超高发生。
ISO10508是国际标准组织ISO/TC138首次发布的有关对热水使用条件进行分级的国际标准。它是根据对实际应用状况的研究建间了应用条件的五个级别。在ISO
级别3、级别4和级别5都是输送采暖用热水的使用级别。它们的特点是：在50a的使用寿命中，只有冬季输送采暖用热水，其他时间可以按照20摄氏度的常温考虑。因此这三个级别的热水使用累计时间只占50a中的一部分。可以根据采暖方式和地区选用不同有级别。其中级别5是高温采暖，在60摄氏度输送热水累计时间25a，80摄氏度输送热水累计时间10a，最高温度90摄氏度允许累计1a，100摄氏度的故障允许累计100h,剩下的将近14a的累计时间按20摄氏度的常温考虑。级别4是地板供热和低温采暖，在40摄氏度输送热水累计20a，60摄氏度输送热水累计25a，最高温度70摄氏度累计允许1a，100摄氏度的故障温度累计允许100h，剩下的将近4a的累计时间按20摄氏度的常温考虑。级别3是低温地板供热，在30摄氏度输送热水累计20a，在40摄氏度输送热水累计25a，最高温度50摄氏度允许累计1a，100摄氏度的故障温度允许累计100h，剩下的将近4a的累计时间按20摄氏度常温考虑。这个级别对材料的要求不高，在比较适合输送温度较高的塑料管材产品标准中往往不作专门的规定。
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供热水的使用比较单纯，冬季和夏季均要求一样的温度，根据地区或习惯，使用条件可以是1级的60摄氏度或2级的70摄氏度。供暖用热水的输送情况比较复杂。ISO10508R
温度/摄氏度 | 每年小时数/h(30a平均值） | 占总时间的百分份额/% |
80～90 | 148 | 1.7 |
70～80 | 1158 | 13.2 |
60～70 | 1955 | 22.3 |
50～60 | 1517 | 17.3 |
40～50 | 1687 | 19.2 |
30～40 | 1283 | 14.6 |
20～30 | 646 | 7.1 |
〈20 | 373 | 4.3 |
表1
为便于设计、计算和确定应用级别，按照ISO13760Minre's规则和ISO/TR9080的规定进行折算，可以将分散的温度分布折算到有限的温度条件中。规定的折算方法是：
a.
b.
c.
d.
e.
按照上述原则，可以用表1的分布为例进行计算：
（1）将90摄氏度的时间1.7圆整到2%；
（2）按照5级应用条件计算，使80摄氏度的时间达到20%，可以用13.2%的80摄氏度使用时间加上70摄氏度折算6%的时间，按照2.5倍的系数，消耗70摄氏度的使用时间15%；
（3）70摄氏度使用剩下7.3%，折算到60摄氏度，相当于18%，加上60摄氏度原有使用时间17.3%,得到35%；
（4）50摄氏度时的19.2%,折算到60摄氏，相当于8%，60摄氏度的使用时间合计为43%，圆整为50%。得到温度-时间分布为：
90摄氏度 | 2% |
80摄氏度 | 20% |
60摄氏度 | 50% |
上述温度-时间分布在50a的使用寿命中，得到90摄氏度使用时间1a、80摄氏度使用时间10a、60摄氏度使用时间25a，这就是第5级的应用级别。用这样的方法可以得到不同地区的使用条件级别。设计应用单位可以按照使用条件的级别选用合适的产品种类和规格。
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为得到塑料管材的厚度计值，必须得到材料在要求使用条件下的设计应力，使用厚度计算公式进行计算。冷热水输送用塑料管材材料的设计应力是用温度和时间累计计算得到的。国际标准ISO13760提出了累计破坏的计算方法，把各种因素引起的破坏累加起来，达到50a的使用预期寿命。
通过试算法，可以先假设一个材料的设计环应力ó，经过对各个温度的预期使用时间叠加，试算后得到材料预计的使用时间，如果计算结果小于要求的50a，则意味着选用的设计应力太小，计算结果超过50a的预期使用寿命，这时适度提高假设的材料环应力值，经试算，找到计算结果最接近50a的设计应力值作为材料的设计应力。
ISO13760以聚丁烯PB为例，选ISO10508规定的2级使用条件，说明了计算的全过程。
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各种产品国际标准技术文件中规定了总体使用系数，在设计应力计算中要用到这些参数，见表2。
表2
温度/°C | PP-H | PP-B | PP-R | PEX | PB | PVC-C |
To | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.8 |
Tmax | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.7 |
Tmal | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
Tcold | 1.6 | 1.4 | 1.4 | 1.25 | 1.25 | 2.5 |
计算过程将试算用假设的设计应力，分别乘以下同温度下的总体使用（设计）系数，得到计算寿命用的应力值，作为计算用基本参数。再按照ISO13760的方法进一步计算，得到在各个产品的国际标准技术文件中给出的计算结果，见表3；
表3
使用级别 | PP-H | PP-B | PP-R | PEX | PB | PVC-C |
1 | 2.90 | 1.67 | 3.09 | 3.85 | 5.73 | 4.38 |
2 | 1.99 | 1.19 | 2.13 | 3.54 | 5.04 | 4.16 |
4 | 3.24 | 1.95 | 3.30 | 4.00 | 5.46 | - |
5 | 1.83 | 1.19 | 1.90 | 3.24 | 4.31 | - |
20°C/50a | 6.25 | 6.21 | 6.93 | 7.60 | 10.92 | 10.0 |
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在常温输水用塑料管材的产品标准中，列表规定在各个公称压力下，各个公称外径所对应的管材壁厚。但由于冷热水管材的使用条件比较复杂，无法简单列表规定表达对应于工作压力、使用温度级别和管材公称外径要求的厚度。在压力比较高、温度比较低的使用条件要求的管材厚度。可能同时适合于压力比较低、温度比较高的使用条件，因此，在冷热水用塑料管材中史规定管系列S[1]值。在执行标准时，根据使用级别和使用压力，查表得到S值，再用下式计算管材的公称厚度：
en=dn/2S+1
en-公称壁厚
dn-公称外径
S-管系列
ó-设计应力
P-公称压力
国际标准规定的冷热水用塑料管标兵的厚度，应能够在一定工作压力下，除满足使用级别的要求外，还应满足在20°C在1MPa条件下安全使用50a的要求。因此，在标准中要求对比在上述两个条件下计算出的管系列S值，取其中较低值作为厚度确定的依据。国际标准在聚丙烯、交联聚乙烯、聚丁烯和氯化聚氯乙烯管材产品标准的技术文件中，尺寸系列选择了S2、S2.5、S3.2和S5，最大到S5，没有选用S6.3这一级。在我国国家标准中为使用方便，增加了S4这个级别。由于刚度的需要，标准中还规定了上述产品最小壁厚为2mm。
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科学的规范塑料管材的厚度，是推广应用塑料管材的重要环节，应引起生产和应用各方的重视。企业应在生产过程中严格控制管材的厚度，使用单位在选用冷热水塑料管材时，也应对厚度提出严格要求。
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