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(lái)，隨著人們對(duì)水質(zhì)要求的普遍提高和有機(jī)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(lái)越多地關(guān)注，并已形成一個(gè)很大的市場(chǎng)。
　　一般認(rèn)為，從溫度要素而言，只要滿足“長(zhǎng)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(jì)規(guī)范》規(guī)定“配水點(diǎn)的溫度不超過(guò)60℃”。然而引入“維卡軟化溫度”的要素是必要的。首先，配水點(diǎn)溫度不是系統(tǒng)的最高溫度；其次，設(shè)計(jì)溫度不是系統(tǒng)的實(shí)際溫度，只要稍有失控，系統(tǒng)的溫度就有可能超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，甚至達(dá)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(dá)到或接近“維卡軟化溫度”時(shí)，其環(huán)應(yīng)力和抗拉強(qiáng)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(shí)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(dá)到128℃時(shí)已呈熔流狀態(tài)，此時(shí)已完全喪失了承壓能力。所以，選擇熱水管時(shí)用“維卡軟化溫度”去考察管材耐受短時(shí)間的超溫能力是必要的。

1　工程實(shí)例

　　某校12層留學(xué)生樓的改造工程，原來(lái)公用的衛(wèi)生間全部改為獨(dú)立衛(wèi)生間。原來(lái)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(zhǎng)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(méi)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(cuò)誤，熱水回水管沒(méi)有接通熱交換器，熱水系統(tǒng)實(shí)際上成了一個(gè)沒(méi)有循環(huán)的系統(tǒng)，因而在沒(méi)有出流的情況下，管網(wǎng)中的水是無(wú)法加熱的。遺憾的是，操作人員并不懂得這個(gè)道理，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，熱水龍頭不出熱水，便拼命給熱交換器加熱，直至其溫度計(jì)顯示為120℃(此時(shí)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(lái)的已是高溫?zé)崴?，并出現(xiàn)汽化。此時(shí)發(fā)現(xiàn)多處PEX管出現(xiàn)裂縫并噴水；多個(gè)龍頭出水不暢，整個(gè)系統(tǒng)幾乎癱瘓。當(dāng)打開系統(tǒng)放空閥時(shí)，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(chǎng)分析，并卸下幾處管子仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)EP涂層有的嚴(yán)重起殼，有的已完全剝離，其程度隨著遠(yuǎn)離交換器而減弱，很明顯那些排出的塑料碎片即由此而來(lái)?？梢酝茢?，近熱交換器部分的管道的水溫已經(jīng)達(dá)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?jiàn)，由于水溫接近其軟化點(diǎn)，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(méi)有墻體裹覆處，首先爆裂；用水點(diǎn)的堵塞，當(dāng)然是由于剝落的EP碎片隨水流運(yùn)行到用水點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)的破壞又是必然的。在一般工程中，我們同樣沒(méi)有百分之百的把握把水溫控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。在一個(gè)集中供熱系統(tǒng)中，比如溫度自動(dòng)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(shí)間失控；在以燃?xì)鉃闊嵩吹男⌒蜔崴到y(tǒng)中，也常會(huì)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(gè)正確的設(shè)計(jì)，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(yàn)，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(bào)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(jì)技術(shù)比較的過(guò)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(chǎng)上常見(jiàn)的塑料管的幾個(gè)耐溫性能指標(biāo)見(jiàn)表1)。

表1　塑料管耐溫性能

    注：表中“長(zhǎng)期使用溫度”系指設(shè)計(jì)壽命為30年～50年的使用溫度；“短期使用溫度”系指設(shè)計(jì)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(fù)荷為10N時(shí)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(shí)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(lái)考察管材的可靠性。一個(gè)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(jì)壓力下的飽和蒸汽溫度兩者中的較小值。具體地說(shuō)，當(dāng)以電和燃?xì)鉃闊崦綍r(shí)，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(shí)，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(shí)，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(cè)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(lái)判斷管材的可靠程度(不同壓力下的飽和蒸汽溫度見(jiàn)表2。)

　需要指出的是，對(duì)于局部供熱系統(tǒng)(如家庭熱水系統(tǒng)，單個(gè)衛(wèi)生間的獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)，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(guò)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(duì)于人身安全的考慮，始終都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的題中應(yīng)有之意，只是不在本文討論范圍，不作展開。