塑料管材使用寿命的推导

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1、低温热水地板辐射采暖用塑料管材探讨 (三探 )塑料管材使用寿命的推导北京瑞迪新型建筑材料有限公司 谢宇张欣于东明热水系统中，影响塑料管材使用寿命的因素很多，但归纳起来不外乎是下述二个方面。一方面是 由塑料管材的材料所决定的，特别是其老化性能，已老化了的塑料管材就完全失去了使用价值，也就 是其使用寿命的终点。另一方面取决于塑料管材的使用条件。塑料管材的力学性能和耐热性能大大 低于金属管材，但使用得当，塑料管材的使用寿命会很长。第一条真正工业化制造的 PVC管道诞生 于 1938年的联邦德国，至今已 60余年。第一条工业化制造的 PE管道诞生于 1956年的联邦德国， 至今也有 40余年，并且实验

2、室的蠕变性能试验仍在进行中。塑料管材的使用寿命究竟能有多长 ?在 二十世纪的九十年代初以前，所有介绍和报导均称设计寿命为 50年。二十世纪末，设计寿命为 100 年的塑料管材业已问世。50年也好， 100年也好，靠实验去验证是不现实的， PVC管材诞生的初期，人们只是主观推测其可 用几十年，到了今天，人们可根据大量的实验数据，对塑料管材的使用寿命进行客观的推导，并且主要 从塑料管材的蠕变行为和抗热氧老化性能二个方面进行推导。本文将着重讨论用塑料管材抗热氧老 化性能，进行使用寿命的推导。塑料与金属等传统材料相比，属热敏性材料。在比室温稍高的条件下，为数不少的塑料开始不同 程度的热氧化；在较高的掘

3、度下，即使无氧和水等活性物质的作用，也会发生热裂解；热氧化和热裂解 的总称为塑料的热老化。有氧和无氧的热老化，又是两种不同的过程。无氧热老化常发生在塑料制 品成型加工过程，而有氧热老化是塑料制品在使用热环境中的重要老化形式。在一定的温度条件下， 氧会剧烈的攻击塑料中的弱键，从而引起塑料的严重热氧老化，如聚乙烯在无氧条件下，即使是其温 度达到 29012，也是很稳定的。但在有氧的条件下即使是温度低于 200 ，也会发生严重的热氧老 化。因此热氧老化是一种更为普遍的老化形式。热水系统用塑料管材在使用时，主要介质是水。目前用于热水系统的塑料管材大分子中不含容 易被水解的化学基因，吸水性极小，对水特别

4、稳定。但是塑料管材中添加的微量助荆，如抗氧剂，光稳 定性剂及金属离子钝化荆等，会授水所抽提，降低了其在塑料中的浓度，也会对塑料管材的使用寿命 产生严重影响。对聚烯烃类 (PE、 PP、 PB、 H、 x)塑料管材，使用寿命的推导，英国标准测定其 200 时的氧化诱导 期，若大于或等于 0 14小时 (8 4分 )，可据此导其在 80 时使用寿命 50年。在 ISO DISl58741999 (PP管 )， ISODISl5875 1999PEX 管， ISO DISl5876 1999(PB 臂 )和 D1N4721(PERT 管 )中，均规 定对塑料管材必须通过 110( 内水外空气 )87

5、60h( 一年 )的测试，可据此推导其在 70 时，使用寿 命 50年，表 1为各种塑料管材抗热氧老化试验条件。裹 1昔材 温度 舟质 持续时问 环应力 标准 备注PEX 110 内水外空气 8760h 2 5m ISODISl5875-2：21999 交联聚乙烯PBi 110 内水外空气 S7h 2 4慨 ISODISl58762：21999 秉丁烯PERT 110 内水外空气 8760h 1 9MPa DIN472l 一 2000 耐高掘非交联聚乙烯一 85 昔材 温度 介质 持续时间 环应力 标准 备注PP R 110 内水卦空气 8760h 1 9慨 IS0，DISl58742：219

6、99 乙烯，丙烯无规共囊物PP H 110 内水外空气 8760h 1 9慨 ISO DISl5874 w2 2 1999 均聚聚丙烯PP B 110 内水外空气 8760h 1 4慨 ISCVDISl58742：21999 依稀丙烯嵌段共橐物对比这两种试验方法可以看出，前者缺少介质水和环应力的因素影响，距实际应用的条件相距甚 远，而后者更接近于实际应用的条件，实践也验证了这一分析。如某种塑料管材 200 下测得其氧化 诱导期大于 O 5小时，推导其在 80 下使用寿命可达数百年，按后一种试验方法测得持续时间为 028，推导其在 70 下使用寿命仅 14年，相差扳为悬殊，显然后者可信度更高，这

7、也就是前者很少被采用的主要原因。180 DIS9080是一个外推法的标准，它可以用较高温度较短时间的试验结果，向较低温度较长对 间外推，当工作温度增加一个 10 时，塑料管材的工作寿命按 2 53的系数减少，反之当工作温度每 降低一个 IOC时，工作寿命按 2 53的系数增加，这个 2 53的系数教称为外推因子 ke，对于聚烯 烃类管材而言， kg与温差 Zxt的关系列于表 2。表 2I t lO 15 20 25 30 35 40 IooI ke 25 4 6 12 18 30 50 100铡如：某种塑料管材在 110 下通过了 8760小时 (一年 )的试验，可以推导其在 110 以下不同

8、温 度时的工作寿命， 100(2时，对应 11012， t=1012 ， ke=2 5推导工作寿命为 2 5年； 8512时，对应110(2 t=25t2 。 ke=12推导其工作寿命为 12年，同理 70 时工作寿命 50年。 如果某种聚烯烃管材在110 试验时失效时间不是 8760h ，而是 0 2年、 0 3,0 4年等，也可按IS。DIS9080给出的外推因子进行外推，如表3。表 3测试温度 () 110 100 90 80 70 60 50O，2 0，5 12 36 10 15 2003 075 18 5 4 15 225 30 失 04 1 24 72 20 30 40 效 05

9、125 3 9 25 375 50时 06 15 36 10-8 30 45 60间 07 175 42 126 35 52 5(一年) O8 2 48 144 40 60O9 225 54 162 45 67 51 25 6 18 50利用 ke也可以进行反推，即若需要某种聚烯烃塑料管材在 80CT ：作 30年，反推其在 HOCT的试验持续时问 1l埘 zNt=301； ke=18，测试验持续时间 1460卟 (1 67年 )。能否进行110抗热氧老化试验，取决于该簧材的维卡软化温度标准中规定只有某种塑料管材的维卡软化温度比 110C高出 15 时，方可进行这一试验。有些塑料管材的维卡软化

10、温度过低，无法 进行 110*C的试验，但仍可以利用高温下短时间的试验结果进行低温下长期工作寿命的推导。 ke与一 86 材料有关，材料不同 ke也有变化。如 cPVC( 氯化聚氯乙烯 )管材， t=25 ke=50 ， CPVC 管 件， t=2012 ke=25 ，因此若 CPVC管材通过了 951 年的试验， CPVC管件通过了 902 年的 试验， 70 下推导寿命也可达 50年。表 3的失效时间均为塑料管材连续工作状态下的推导寿命，在热水地暖系统中，塑料管材的工作 状态为间歇工作，热水地礁的设计寿命 50年实际工作寿命不足 50年的。表 4为 Iso DISl0508( 冷 热水系统

11、用热塑性塑料管材和管件 使用条件分级，其中的 4级即为热水地暖的使用条件。丧4 ISOD_fSl0508使用条件分级To Tmax nn应用举例级别 时间(年) 时问(年) 时间 (h)1 60 49 80 l 95 loo 供热水 (60)3 70 49 80 l 95 100 供热水 (70)30 203 50 45 65 100 地板下的低温热水40 2540 204 70 25 100 100 地板下的供热和低温暖气60 2560 255 90 1 100 100 高温暖气80 10注：1 To：工作温度， Tmax可被允许的最高温度， TIn故障温度。2表 4中的 3,4、 5级累计

12、时间并未达到 50年，计算时应用 20 的工作时问补足至 50年。 表4是根据北欧的统计其结果制定的，其中 4级在 50年内有 45年是在 40-60 下工作的，占总工作时数的 90。我国的情况与此相差甚远，即使是东北地区，年采暖期也仅 5个月左右，在 50年内 仅 40的时间是在 4060 工作的，也就是说累计时间只有 20年左右在 40-60 下运行的。因此 在我国大多数地区的热水低暖若采用表 4中的 4级，其安全系数是银高辨的。如果用 ke将表 4中 4 级的各温度全部折算为 6012下工柞时间，结果如下 (按 IS0 D1810508 规定 Tm不计算在内 )。20C 十 60zXt=

13、40 Ke=50 25 年 0 05 年40 6012 At=20 Ke=6 20年 3 3年60 一 60At=0 Ke=1 25 年一 25 年70C 60V At=lO Ke=2 5 2 5年十 6 25年 合计 34， 6年 这一计算结果表明，若某种塑料管材能在 60 下连续工作 34 6年。则在 ISO DISl0508 中的 4级的条件下使用寿命可达到 50年。对照表 3可以看出，某种塑料管材在 IIOC下通过了 0 5年 (4380h) 的测试，推导其在 6012下连续工作寿命可达 37 5年，用于热水地暖系统其工作寿命可达 54年。半年也好一年也好，这是我们目前用以推导热水地暖系统中用塑料管材工作寿命唯一可信的依 据。正在制订的热水系统用塑料管材国标中，五种塑料管材中有四种都规定了必须进行 110(2抗热氧 老化试验。对 CPVC管材则规定了必须进行 95C抗热氧老化试验。目前许多设计者及用户，也都 意识到这一指标的重要性。但国内还没有一种塑料管材做过此测试这无疑是热水系统用塑料管材 市场上的一个“制高点”，谁将抢先占领?人们拭目以待。一 87