在生活熱水系統(tǒng)中采用塑料管應(yīng)關(guān)注其維卡軟化溫度

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0　概述

　　近年來，隨著人們對水質(zhì)要求的普遍提高和有機化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，鍍鋅鋼管由于其易被銹蝕，逐漸被淘汰出生活給水領(lǐng)域，而代之以塑料管。因而在生活熱水系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的銅管、不銹鋼管和新近研制成功的鋁合金管以外，熱水型塑料管和復(fù)合管正受到越來越多地關(guān)注，并已形成一個很大的市場。
　　一般認為，從溫度要素而言，只要滿足“長期使用溫度”≥60℃，“短期使用溫度”≥80℃的塑料給水管，就可以用于生活熱水系統(tǒng)，而少有關(guān)心其“維卡軟化溫度”的。其依據(jù)是現(xiàn)行的《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“配水點的溫度不超過60℃”。然而引入“維卡軟化溫度”的要素是必要的。首先，配水點溫度不是系統(tǒng)的最高溫度；其次，設(shè)計溫度不是系統(tǒng)的實際溫度，只要稍有失控，系統(tǒng)的溫度就有可能超過設(shè)計溫度，甚至達到或接近多數(shù)塑料管的“維卡軟化溫度”。而不論何種塑料管，當(dāng)其達到或接近“維卡軟化溫度”時，其環(huán)應(yīng)力和抗拉強度將急劇下降，從而在水壓力的作用下將出現(xiàn)鼓泡，直至破裂。事實上，多數(shù)塑料管的注塑溫度也只有130℃左右，而如聚丁烯當(dāng)溫度達到128℃時已呈熔流狀態(tài)，此時已完全喪失了承壓能力。所以，選擇熱水管時用“維卡軟化溫度”去考察管材耐受短時間的超溫能力是必要的。

1　工程實例

　　某校12層留學(xué)生樓的改造工程，原來公用的衛(wèi)生間全部改為獨立衛(wèi)生間。原來的冷熱水都是鍍鋅鋼管，改造后各衛(wèi)生間的冷熱水支管均使用熱水型PEX(交聯(lián)聚乙烯)管(其長期使用溫度為90℃，短期使用溫度為95℃，維卡軟化溫度為133℃)，嵌墻敷設(shè)；所有的冷、熱水干管和回水管均為內(nèi)涂EP(環(huán)氧)粉末樹脂的鍍鋅鋼管(EP的使用溫度≥80℃，但沒有取得維卡軟化溫度的資料)，在屋頂、管道井和技術(shù)層內(nèi)敷設(shè)。
　　由于安裝的錯誤，熱水回水管沒有接通熱交換器，熱水系統(tǒng)實際上成了一個沒有循環(huán)的系統(tǒng)，因而在沒有出流的情況下，管網(wǎng)中的水是無法加熱的。遺憾的是，操作人員并不懂得這個道理，在系統(tǒng)調(diào)試時，熱水龍頭不出熱水，便拼命給熱交換器加熱，直至其溫度計顯示為120℃(此時熱交換器出口處水溫已不止120℃)。等到系統(tǒng)中冷水放完以后，龍頭里放出來的已是高溫?zé)崴?，并出現(xiàn)汽化。此時發(fā)現(xiàn)多處PEX管出現(xiàn)裂縫并噴水；多個龍頭出水不暢，整個系統(tǒng)幾乎癱瘓。當(dāng)打開系統(tǒng)放空閥時，大量大小不一、形狀各異的塑料碎片隨水流排出。
1.1　原因分析
　　經(jīng)現(xiàn)場分析，并卸下幾處管子仔細觀察，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)EP涂層有的嚴重起殼，有的已完全剝離，其程度隨著遠離交換器而減弱，很明顯那些排出的塑料碎片即由此而來?？梢酝茢啵鼰峤粨Q器部分的管道的水溫已經(jīng)達到EP的維卡軟化溫度，也可能已呈熔流的狀態(tài)。而PEX(用作支管)的破裂均發(fā)生在未嵌入墻內(nèi)的管段上，且都發(fā)生在下面幾層?？梢?，由于水溫接近其軟化點，使其環(huán)應(yīng)力急劇降低，承受不了管道內(nèi)的壓力而變形，因而導(dǎo)致在沒有墻體裹覆處，首先爆裂；用水點的堵塞，當(dāng)然是由于剝落的EP碎片隨水流運行到用水點而致了。
1.2　事故的啟示
　　偶然性中包含著必然性。這次事故的發(fā)生是偶然的，但是這種事故一旦發(fā)生，對系統(tǒng)的破壞又是必然的。在一般工程中，我們同樣沒有百分之百的把握把水溫控制在設(shè)計范圍之內(nèi)。在一個集中供熱系統(tǒng)中，比如溫度自動調(diào)節(jié)裝置的失靈、溫度顯示系統(tǒng)的失靈、操作失誤，都可能使水溫失控或短時間失控；在以燃氣為熱源的小型熱水系統(tǒng)中，也常會因火頭調(diào)節(jié)裝置的失靈，使熱水超溫，甚至汽化。而作為一個正確的設(shè)計，應(yīng)該使系統(tǒng)能夠經(jīng)受得住這種可能的偶然事故的考驗，使損失處于受控狀態(tài)。當(dāng)然，解決的辦法不是唯一的，一種途徑是加大溫度控制手段的可靠性，如增加超溫報警裝置等；另一種途徑，就是選擇合適的管材。

2　正確選擇熱水管的原則

　　選擇管材，是經(jīng)濟技術(shù)比較的過程。從技術(shù)角度講，應(yīng)從壓力、溫度、使用環(huán)境、安裝方法等多方面綜合考慮。就溫度要素而言，應(yīng)盡量提高材料的可靠性。正確的做法是把使用溫度作為必要條件，而把維卡軟化溫度作為充分條件。在同樣能滿足使用溫度的前提下，盡可能選擇維卡軟化溫度高的材料(目前市場上常見的塑料管的幾個耐溫性能指標見表1)。

表1　塑料管耐溫性能

    注：表中“長期使用溫度”系指設(shè)計壽命為30年～50年的使用溫度；“短期使用溫度”系指設(shè)計壽命為10年～20年的使用溫度；“維卡軟化溫度”是指試棒端頭面積為1mm2，負荷為10N時能將材料穿透的溫度。應(yīng)該注意，各廠家所提供的同種材料的耐溫性能指數(shù)不盡相同，選擇時應(yīng)當(dāng)留有余地。
　　我們可以用“維卡軟化溫度”和熱水系統(tǒng)的極端高溫來考察管材的可靠性。一個熱水系統(tǒng)，如果忽略加熱設(shè)備的熱效率和系統(tǒng)的熱損失，其極限高溫就是熱源溫度和系統(tǒng)設(shè)計壓力下的飽和蒸汽溫度兩者中的較小值。具體地說，當(dāng)以電和燃氣為熱媒時，其熱媒的熱量如果不限，則系統(tǒng)的極限溫度即為熱水系統(tǒng)在既有壓力下的飽和蒸汽溫度；如果熱媒為蒸汽，則熱媒溫度和熱水溫度均與各自的壓力相關(guān)：當(dāng)蒸汽壓力大于系統(tǒng)壓力時，系統(tǒng)的極限溫度即為熱水系統(tǒng)既有壓力下的飽和蒸汽溫度；當(dāng)蒸汽壓力低于系統(tǒng)壓力時，系統(tǒng)的極限溫度即為熱媒的飽和蒸汽溫度。據(jù)此，我們可以預(yù)測熱水系統(tǒng)在加熱設(shè)備的溫控裝置失靈或操作失誤狀態(tài)下，系統(tǒng)的極限高溫，并以它和各種管材的維卡軟化溫度之差的大小來判斷管材的可靠程度(不同壓力下的飽和蒸汽溫度見表2。)

　需要指出的是，對于局部供熱系統(tǒng)(如家庭熱水系統(tǒng)，單個衛(wèi)生間的獨立系統(tǒng))其水壓一般都有適當(dāng)?shù)目刂?根據(jù)不同的建筑功能，控制在0.35MPa～0.45MPa之間)，因此其極限高溫是可預(yù)期的。并且即使系統(tǒng)損壞，也是局部的，造成的損失也是有限的，因而不必為偶然的小范圍的損失而大范圍地提高標準，所以除了PVC-U和ABS因其使用溫度已不能滿足使用要求和維卡軟化溫度過低，不能使用外，表中所列其它管材都可列入選擇范圍。
　　當(dāng)然，對于人身安全的考慮，始終都是系統(tǒng)設(shè)計的題中應(yīng)有之意，只是不在本文討論范圍，不作展開。