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PE-Xa、PE-RT地暖管材综述(史上最全)
发布时间:2019-02-20 09:36:55 点击次数:310

01

前言

近年来,地面供暖凭借其舒适节能的突出优势得到了市场和百姓的普遍认可。地面供暖目前主要有低温热水地面辐射供暖、发热电缆地面供暖、电热膜地面供暖等几种形式。目前在市场上占主流的是低温热水地面辐射供暖,其使用应用技术已经具有规范的产品标准、施工验收规程,已经是完全成熟的技术。在低温热水地面辐射供暖系统中主要是通过传热媒介(水)在塑料管道的流动来传递热能并将其自下至上辐射至室内。目前市场上可以采用的地板采暖管材有PE-Xa(过氧化物交联聚乙烯)、PE-Xb(硅烷交联聚乙烯)、PE-Xc(辐照交联聚乙烯)、PE-RT(耐热聚乙烯)、PP-R(无规共聚聚丙烯)、PP-B(抗冲击聚丙烯)、PB(聚丁烯-1)和PP-R铝塑复合管等管材。地暖管材中PE-Xa以其卓越的性能和成本优势在工程应用中占据绝对优势,PE-RT在近两年来在市场上的发展速度也十分迅速。

本文旨在通过对PE-Xa和PE-RT两种应用量最大的管材从原料至施工进行全方位的介绍,以便于广大选用者更详细地了解材料,进而正确选用材料,从而促进地暖系统安全性的提高,使地面供暖行业更健康的持续发展。


02

原料介绍


1、PE-Xa管材用原辅材料

PE-Xa主要原料为一种特殊的高密度聚乙烯,为粉末状树脂。目前国内市场的主要原料供应商有:韩国LG化学的HDPE XL1800;韩国湖石化学的HDPE 8100GX;韩国三星和大韩油化虽然也有PE-Xa专用料,但目前在国内市场基本看不到。另据传,目前国内某石化企业已开始向市场推广其PE-Xa专用料。

表一 典型的PE-Xa树脂性能

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辅助材料主要交联剂、抗氧剂和辅助抗氧剂。目前行业内使用的辅料有进口和国产的分别,进口辅料生产厂家均为世界一些知名的化工企业,Degussa(德固)、AkzoNobel(阿克苏.诺贝尔)、Ciba(汽巴)等,这些进口辅料的价格偏高,但其材料纯度较高,批次间稳定性好,生产的产品稳定性和性能较国内更好一点少数正规厂家采用的都是上述原辅材料,而一般厂家或不重视或为降低成本较多选择价格偏低的辅料

2、PE-RT管材料

PE-RT即耐热聚乙烯,是Polyethylene of raised temperature resistance的英文缩写,目前市场上出售的PE-RT原材料多数为改性的中密度聚乙烯树脂。众所熟知,一般PE给水管道的应用范围为低于40℃的温度,无法用于热水输送管道。经过长时间探索,技术人员研究出一种采用乙烯和辛烯或者丁烯共聚的方法,通过控制侧链的数量和分布得到独特的分子结构,来提高PE的耐热性。利用此种工艺得到的PE-RT树脂将使用温度大大提高,可以用于低温热水地面辐射供暖系统以及热水系统。

目前国内市场的主要PE-RT原料牌号有韩国LG化学的MDPE SP980以及韩国SK的MDPE DX980,另外陶氏化学的DOWLEX 2344E的性能也较好,但国内厂家使用的量并不大,BASELL(原料型号HDPE 4731B)以及韩国DAELIM(原料型号MDPE  XP9000)去年以来开始加大在中国市场推广PE-RT原料的力度。

表二 典型的PE-RT树脂性能

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需要特殊说明的是,PE-RT和PE-Xa的使用条件是在较高温度(一般系统温度40-60℃,短时间可达80℃甚至100℃)下使用,所以GB/T18992-2003《冷热水用交联聚乙烯(PE-X)管道系统》以及CJ/T175-2002均对管材的原料选用作了严格的限制,要求选用经认证合格的材料。首先要求原料为HDPE(高密度聚乙烯),并且将由该材料制成的管材按照GB/T18252标准方法作出该材料的蠕变破坏曲线。该材料的蠕变破坏曲线与标准中给出的预测静液压强度参照曲线相比较,试验结果的бLcl(长期静液压强度的置信下限值),在全部温度及时间范围内均应高于参照曲线上的对应值。对应用于饮用水系统的PEX管材,还要求原材料符合GB/T17219卫生性要求。

    生产厂家在购买使用前应要求其材料厂家提供其材料牌号的蠕变破坏曲线测试报告,否则并不能保证由其原料制成的材料达到50年以上的使用期限。

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03

生产设备及工艺


1、PE-Xa管材的生产设备及工艺

PE-Xa树脂有超高的分子量,从表一中可以看出其熔指极低,其MFR<0。01g/10min(测试条件2。16kg/190℃),可以看出其在熔融状态下流动性极差,根本无法用一般单螺杆挤出机进行生产,只能使用一种特殊的柱塞式挤出机在极高的压力下进行高压挤出成型。

为保证PE-Xa在热水中长期使用的要求,应在HDPE基料中同时加入交联剂、抗氧剂和辅助抗氧剂等材料。过氧化物交联工艺配方:HDPE99%,过氧化物1%,少量主辅抗氧化剂;其机理是对高分子量高密度聚乙烯基料,通过过氧化物交联剂,在高温、高压条件下,使聚乙烯的长分子链间产生化学键,实现化学交联,使之成为三维网状结构。因为聚乙烯分子为不饱和键,收到紫外线照射及氧气的侵蚀会缓慢发生分子键断裂,必须加入主辅抗氧化剂,以提高其抗光老化和抗氧老化的性能。

柱塞式挤出法的生产工艺如下:原料+辅料→高速混合→输送上料→柱塞挤出→油墨热印字→冷水冷却→牵引→盘卷→定长切割→下卷检验→包装→入库。

典型的柱塞挤出机工艺温度列举如下:

    下料口:90~110℃    连接体:150~170℃

     口 模:230~260℃    导热油:190~205℃

生产速度一般在1.0--1.5 m/min。

由于设备模具长度长、压力大,导致在挤出过程中管材壁厚容易出现较大的波动且为连续生产随时监控不容易。如何保证管材壁厚的均匀性是PE-Xa管材生产的工艺控制的关键点之一。另外由于树脂为粉末状,交联剂为液体,交联剂及抗氧剂均为微量,原辅材料是否充分混合成为影响管材交联度是否均匀的又一个工艺控制的关键点。再则交联是在几十公分的模具中用极短的时间迅速完成交联,设备模具温度也是工艺控制的关键点之一。当然还有其他很多环节会对管材质量产生影响,但仅就生产工艺而言,以上几点为关键的工艺控制点。

2、PE-RT管材的生产设备及工艺

PE-RT的原料的分子量并不高,其加工的流动性好于一般的PE100级PE原料,一般采用螺杆长径比为1:30的单螺杆挤出机即可生产。但普通的挤出机其设备结构为通用型PE或PP适用的螺杆,并未根据PE-RT原料的特性对螺杆进行改进,其生产速度一般在6-8米/分钟,最快达到10米/分钟左右,生产效率不高。目前市面上已有国外及国内厂家推出PE-RT专用高效挤出机,配置高性能PE-RT管所需的同步控制挤出、牵引、冷却速度等核心技术,并在螺杆设计及机头模具方面采用独特技术,生产速度可达到25米/分钟以上。由于速度较快,冷却定形装置采用叠加式结构,其产品外观较一般挤出机生产的光洁度略差,呈现一种发白的半透明状态。笔者曾专门做过对比试验,使用同一个厂家的PE-RT原料在普通挤出机和高速挤出机上生产出的管材进行性能测试,高速挤出机生产的PE-RT管其静液压强度平均高于普通挤出机。原因可能是由于高速挤出机螺杆长径比长,其塑化效果更佳,且其螺杆内的压力更高,原料的压缩密实程度更高的缘故。另外高速生产线的辅机配置较好,整体生产的产品的稳定性也更好。

生产工艺流程如下:

原料———干燥———真空上料———挤出机挤出成型———真空定径———冷却———喷墨印字———牵引———收 卷———定尺切割———检 验———包装入库

PE-RT管材典型加工工艺参数(仅供参考):

主机转速:48-60rpm    牵引速度540-630rpm

机台压力:14-15MPa    扭  矩  30-70%左右

熔体温度:210℃

主机温度:180/190/200/200

模头温度:195/195/195/195/195/200/190/190

水    温:33/33/30

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04

管材性能要求


1、PE-Xa管材(参照GB/T 18992-2003冷热水用交联聚乙烯(PE-X)管道系统)

①外观

a.管材的内外表面应该光滑平整干净,不能有可能影响产品性能的明显划痕、凹陷、气泡等缺陷。

b。管壁应无可见的杂质,管材表面颜色应均匀一致,不允许有明显色差。

c。管材端面应切割平整,并与管材的轴线垂直。

②规格尺寸(部分)

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③管材性能检测(部分)

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④其它性能检测

管材的卫生性能、系统适用性、热循环、循环压力冲击实验、耐拉拔实验、弯曲实验、真空实验等按国标要求进行。

2、PE-RT管材(参照CJ/T 175-2002_冷热水用耐热聚乙烯(PE-RT)管道系统)

①颜色 根据供需双方协商确定。管材的色泽应基本一致。

②外观 管材内外表面应光滑、平整、清洁,无凹陷、气泡和其它影响性能的表面缺陷。管材端面切割平整并与轴线垂直。

③规格尺寸 

1公称外径、平均外径及管系列对应的壁厚(部分)

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④管材性能检测

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⑤其它性能检测

管材的卫生性能、系统适用性、热循环、循环压力冲击实验、耐拉拔实验、弯曲实验、真空实验等按国标要求进行。

⑥其他项目

管材以盘管或直管供货,长度不小于标定值。

管材印字应清晰,一般每1m标识1个。

管材包装应完整无缺损,包装物外表面用合格证颜色、生产日期来区分班组。

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05

地暖管材市场常见质量因素分析


1、PE-Xa管材

原料方面:一般小厂家采用国产交联剂,管材的交联度相对波动较大,影响管道的长期耐压强度;或添加交联剂分量不足,交联度偏低,大大缩短管道的使用年限。另外抗氧剂应添加主抗氧剂和辅抗氧剂两种,如添加抗氧剂分量不足或不添加辅抗氧剂,将直接影响管道的耐热氧老化性能,即不能保证50年使用寿命,表现为热稳定性试验(即110℃,8760h试验)不合格。

管材方面:由于PE-Xa管材采用特殊的柱塞式挤出工艺,其管材常出现一定的环状波纹,如波纹较大将影响管材的耐压性能;同时柱塞式挤出工艺中挤出压力偏高,导致生产中管材容易出现偏壁,一般生产线无在线测壁厚装置,至管材到长度下线时才发现偏壁,小厂家为降低成本,偏壁管材仍按照合格品出售。据笔者了解,工程出现破裂渗漏的事故有很多是管材偏壁导致壁厚不合格造成的。

另外PE-Xa管材使用原料为粉料,采用高速混合机对原辅材料进行混合。在添加入生产线过程中如不注意,易混进杂质,造成管材质量缺陷。PE-Xa采用高分子量树脂,无法正常挤出,采用的口模内壁应涂敷耐温的特殊涂层,芯棒采用特氟龙类的收缩管,以降低挤出阻力。而涂层及收缩管均受到高温高压下的摩擦,其寿命不易提前预知,如涂层及收缩管磨损被破坏后易导致管材外观出现缺陷,如生产现场控制不严,有缺陷管材流入工程,将导致严重的质量事故,这是采用PE-Xa管材需要特殊注意的部分。

2、PE-RT管材

原料方面:PE-RT原料是对聚乙烯原料进行特殊接枝以改变其耐热性能的一种特殊材料。但是其本身的加工流动性较好,与普通聚乙烯较类似,比较容易加工。在管道生产企业中使用普通PE或PPR生产线均可进行PE-RT加工。从加工难度上方便了使用造假或掺假原料。

目前市场上常见的有以下几种作假的方法:其一是直接用普通聚乙烯冒充PE-RT进行加工;其二是在PE-RT中掺入部分LDPE或LLDPE达到降低成本的目的;其三是生产中加入超过国标规定的10%的添加比例大量添加回收料;其四是部分厂家加入LLDPE等原料并添加带颜色母料以掩人耳目。

管材方面:目前市场中使用管材有以下几点在选用时需要格外注意:一是选用管材应注意其产品厚度,有的厂家采用降低壁厚(在国家标准壁厚的规定值略下)的方法来降低成本并以较低价格销售,这种做法是极其不负责任的。目前许多工程选用管材的安全系数选择的并不高,如果管材壁厚不达标,使用中稍有不当就会导致管材出现渗漏,后果就极为严重。二是有的产品没有合格全项的检测报告就流入工地。因为部分掺假的PE-RT管材一般的检测是能够过关的,但是基本上只有长期热稳定性实验才能检测出来,所以选择PE-RT管材是不容易全部鉴别的一件事。因为长期热稳定性实验费用较高,一般的小厂家不会花费太高费用去做,而大部分大厂家是会坚守质量责任的底线的。所以选择PE-RT材料厂家一般情况是选择实力较强的厂家并要求其提供全面的检测报告,质量才较为可靠。

选择材料时的另一个注意事项是要考核管材的卷长。目前部分厂家报价较低,其就在管材长度上做文章。举例而言,一盘200米的管长度缩短5米,一般情况是无法准确测量的,但就是5米长就使厂家增加了2。5%的纯利润;反过来因为工程设计时一般考虑的管材长度并不富裕,如管材长度不够将会带来返工或者干脆加宽管材间距,后果比较棘手。

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06

管道选择应注意项目


1、管系列选择

目前地暖工程中最常用的为Ф20×1。9mm的PE-Xa管材和Ф20×2.0mm的PE-RT管材,需要注意的是虽然按照产品标准来看以上两种管材均是S5系列,但是按照标准中规定的使用条件Ф20×1。9mm的PE-Xa管材按照地板采暖的应对应级别4的设计压力是0.8MPa,Ф20×2。0mm的PE-RT管材按照地板采暖的应对应级别4的对应的设计压力是0.6MPa。Ф20×1.9mm的PE-Xa管材和Ф20×2.0mm的适用压力范围并不相同。另外在国家城镇建设行业标准CJ/T 205-2000建筑给水交联聚乙烯管材中S5系列的PE-Xa管材对应壁厚为2.0mm。

根据以上情况,笔者特别提醒,在工程应用中管材的壁厚变化和压力设计直接关系到地暖系统的安全可靠性,需要严格按照标准来慎重的选择使用管材。

2、管道的长期使用寿命评价

地暖管材厂家宣传中,常常有人提到管材寿命为50年。因为地暖管材大规模应用是最近十年的事,不可能直接采用管材做50年实验。那么,50年的寿命是怎样得出来的呢?地暖管材的50年寿命是根据其所用高分子材料的特性及相应的实验推导得出的。

塑料压力管材长期耐温耐压性能的国家标准是GB/T18252—2000《塑料管道系统 用外推法对热塑性塑料管材长期静液压强度的测定》。它是管材寿命的评价方法。它的原理是在利用高温短时间作出的环应力与时间曲线的结果向低温和长时间寿命外推。

下面简要介绍实验原理及方法。根据选定的温度和应力对管材打压,记录管材破坏的时间与类型。改变应力得到另一数据。同一温度下,得到一组数据。同理,改变温度得到另一组数据,得到多组实验数据后,作图以lgσ为纵坐标,lgt为横坐标,定出各组温度和时间对应的破坏点。将同一温度下的数据运用统计学根据四参数模型进行线形回归,得到在此温度下的长期静液压强度σLTHS(LTHS=long time hydrostatic strength)。分别将不同温度的数据回归,得到不同温度的σLTHS。对聚烯烃类和氯乙烯类材料进行外推。高温实验得到的最长时间tmax乘以ΔT(高温实验温度-将要打算外推的温度)得到低温外推时间极限Tmax。Tmax可以理解为我们将要得到的低温理论最长工作时间。我们所说的50年的寿命即由此而来。对聚烯烃类塑料,如果在60度进行实验,实验时间达到一年以上, 那么在20度时外推,ΔT =60-20=40 对应的ke为50年,20度时外推时间极限tmax=1*50=50年。即20度时,使用寿命可以达到50年。

在实验中出现破坏点的时间即为管材的有效推算时间,破坏点又称拐点。根据原材料的测试数据可以看出,PE-Xa并不出现拐点,而PE-RT在60℃的测试曲线在15年后出现拐点,而60℃以下温度的测试则无拐点出现。说明PE-Xa管材的长期耐热耐压性能应该比PE-RT管材更好。目前已有石化企业在研究新型PE-RT材料,今年巴塞尔推出PE100级牌号为4731B的PE-RTⅡ型原料,已通过国际权威检测部门的8760小时检测合格,关于二型PE-RT管材新标准目前我国正在讨论修改补充之中。

3、抗紫外线老化问题。

笔者在此提出一个以前很多人忽略的问题,即PE-Xa管材及PE-RT管材的抗光氧老化问题。多数业内人都知道PE-Xa及PE-RT管材使用的原料属于聚乙烯的一种。聚乙烯是由乙烯单体聚合而成,乙烯单体中含有不饱和化学键,分子链上有许多短支链,很容易引发自由基存在不稳定性。虽然PE-Xa及PE-RT的材料经过改性,可以耐高温。但是在日光的紫外线照射下,PE-Xa及PE-RT管材中的不饱和键将趋于不稳定,分子链逐渐分解断裂。在经过一段时间的日光照射后,无论是PE-Xa还是PE-RT管材,其长期耐热稳定性能都会迅速降低,其使用寿命也大幅缩短。

笔者提醒有关生产单位及施工单位:无论是PE-Xa还是PE-RT管材,在存放和施工期间均不能在日光下长时间曝晒。另外PE-Xa、PE-RT管材如要用于明装输水,应添加抗紫外线老化剂或特殊处理,否则并不能保证长期使用。

4、运输施工注意事项

聚乙烯属于热塑性材料,PE-Xa、PE-RT管材均为柔性管,管材的外观质量成为能否长期使用的关键因素之一。如管道表层出现划伤、凹坑等缺陷,将直接影响其耐压性能。所以在管材运输中应避免磕碰及摔砸,以免造成管道受损;在施工中应注意避免交叉作业对管材造成破坏。据笔者了解的情况,在地暖工程泄漏事故中有较大比例原因就是管材受损并在损坏点破裂导致渗漏,其带来的经济损失往往很大,需要特别加以警惕。

5、关于连接方式

PE-Xa管材因为经过交联工艺,已具有热固性性能,高温下不溶不熔,所以一般情况只能通过机械方式进行连接。目前市场上有铜件、塑件、快速接头等多种方式用于PE-Xa管材的连接,其长期使用效果有差异。

目前有些PE-RT生产厂家对外宣传PE-RT的突出优势是可以热熔连接,并在地暖工程中可以热熔连接正常使用。笔者认为此观点有误导消费者之嫌。PE-RT是可以通过热熔进行连接。但是在地暖施工中,一般情况采用的管道为Ф20×2。0mm或Ф20×2。3mm的薄壁管材,施工者采用的热熔机多为PPR专用热熔机(温度已按照PPR的施工温度设定好),而PE-RT的热熔温度应比PPR低20℃左右,由于施工者多为手工操作,热熔时管材管件熔接部位并不均匀,其同心度有较大偏差,结果,热熔连接方式在熔接部位的强度高于管材强度的优势不但不能发挥、在熔接部位形成薄弱点,耐压强度反而有可能降低。笔者的观点是,地暖施工中在PE-RT热熔部位不能封闭水泥层,如想通过管材热熔连接来降低材料成本更是会产生贪小利造成大损失的严重后果。

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07

结束语


PE-Xa、PE-RT管材以其优越的性能得到了市场的广泛认可和接受,成为目前国内地暖工程中最常用的地暖管材。笔者希望生产者能真正发挥材料的先进性,制造出合格的地暖管材;希望施工单位和房地产开发单位在选用地暖管材时要慎重,避免假冒伪劣的地暖管材混入工程,给自己给业主带来不必要的损失。笔者坚信,只有尊重科学,合理选用,PE-Xa、PE-RT管材才会发挥卓越性能,才能使更多的家庭更好地享受地暖这种采暖方式给人们带来的高档次优质生活,地暖行业的发展前景也才会越走越广阔!

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