热水直埋保温管道直管的性能检测.pdf

热水直埋保温管道直管的性能检测 一、管道的保温性能 （一）管道保温结构表观导热系数λ50 和保温层材料导热系数λi 1、（6.1.1.1）试样制备 （1）试样应从保温管道产品中间、距离管端大于或等于 500mm、垂直于管道轴线截取当测试管段的工作钢管直径小于 500mm 时，其长度宜为 3m；当工作钢管直径大于或等于 500mm 时，其长度不应小于 5m型式试验时，作导热系数测试的管道试样应采用生产 4 周～6 周以后的管道 （2）在管道试样两端距端头大于或等于 0.5m 处，应按 GB/T 10296 的要求，在保温结构上垂直于管道轴线直至工作钢管切割出宽度不大于4mm 的隔热缝， 并在缝中填充绝热性能好的纤维棉，阻隔轴向传热 （3）在测试管段中间按不同的测试精度要求，选择 1 个～3 个垂直于管段轴线的并列测试截面，两个测试截面的间距应为 100mm～200mm测试截面个数按测试精度要求选取，测试精度要求高时，测试截面增至 3 个选择并列多个测试截面时， 管段上的测试参数取多个截面测试结果的平均值 在每个测试截面上，沿外护管表面的环向布置温度和热流传感器当工作钢管直径小于或等于 500mm时， 分别在每一个截面的顶部、 沿环向 45°处和 225°处各布置温度和热流传感器；当工作钢管直径大于 500mm 时， 则在每一个截面上沿环向均布 8 个温度和热流传感器。

（4）测试段长度的测量精度为±1.0mm； 外护管的平均外直径和工作钢管的外直径测量精度均为±0.5mm；外护管厚度的测量精度为±0.1mm 2、（6.1.1.2）测试步骤 （1）设定工作钢管内的温度为（80±10）℃，温度控制精度应小于或等于±0.5℃ （2）管道外护管处于室内环境中，试验室内封闭环境的温度控制为（23±2）℃，试验过程中温度变化不得超过±1℃，室内空气平静、无扰动 （3）试验运行至少 4h后， 观察测试系统传热是否达到稳态连续3 次间隔0.5h的观测值不超过该 3 次的平均值，而且不表现为单向增减的趋势，则认为已达到稳态， 采集并记录测试数据工作钢管和外护管表面的温度测量精度为± 0.1℃；外护管表面的热流测量精度在 4％以内计算测试截面上热流、温度的算术平均值和各截面的平均值 3、（6.1.1.3）导热系数计算 （1）表观导热系数λ50 的确定应符合下列规定： 1）管道保温结构在平均工作温度为 50℃时的表观导热系数λ50 应按式（14）进行计算： 式（14） ： 式中： λ50——管道保温结构的表观导热系数，单位为瓦每米开尔文 [W/ （m· K） ]； ql,av——单位长度平均线热流密度，单位为瓦每米（ W/m） ； t——保温结构内表面温度，单位为开尔文（ K） ； tw——保温结构外表面温度，单位为开尔文（ K） ； DS——保温结构内径，单位为米（ m） ； DW——保温结构外径（外护管外径），单位为米（m） 。

2）管道保温结构的平均表观导热系数，是在（ 80±10）℃范围内选取3 个不同的工作钢管运行温度进行测试，由测得的数据按线性回归的方法计算求得对于型式试验， 要测定3 个不同管径、 不同管道温度下的平均值来确定其表观导热系数λ50导热系数值要圆整到0.001W/ （m·K） （2）保温层材料导热系数λ i 的确定应符合下列规定： 1）计算管道保温结构中保温层材料的导热系数λ i， 应加上外护管热阻的修正项， 预先测定外护管的壁厚， 计算外护管内径， 计及外护管材料的导热系数 （高密度聚乙烯的导热系数值宜为 0.40W/ （m·K） ） 工作钢管的热阻可忽略不计 2）保温层材料导热系数λ i 按式（15）进行计算： 式（15） ： 式中： λi——保温层材料导热系数，单位为瓦每米开尔文 [W/（m·K）]； λc——外护管材料导热系数，单位为瓦每米开尔文 [W/（m·K）]；  Dc——外护管内径，单位为米（m） 4、（6.1.1.4）试验设备 （1）（6.1.1.4.1）加热热源：能对工作钢管内提供温度不低于 200℃的加热介质，温度控制精度应小于或等于±0.5℃； （2）实验室环境条件可调，环境空气温度控制精度应小于或等于±1℃，空气相对湿度变化应小于或等于±5％，环境风速应小于或等于 0.5m/s。

（二）人工加速老化处理后管道的保温性能 1、管道老化处理 （1）老化处理前的管道试样制备同 6.1.1.1 （2）老化处理之前，试样管道两端应进行充分密封，以防止气体渗透、扩散 （3）老化处理步骤：设定管道工作钢管内的介质温度为（90±1）℃，温度控制精度应小于或等于±0.5℃管道外护管处于室内环境中，室内温度控制为（23±2）℃，试验过程中温度变化不得超过±1℃试验室应确保密闭，防止气体扩散、渗透，以保证保温材料泡孔中的气体成分不发生明显变化连续运行150 天 2、保温性能测试 老化处理后管道保温性能测试同6.1.1.2导热系数计算同6.1.1.3老化处理的试验设备要求同6.1.1.4 二、聚氨酯保温层直埋热水管道的剪切强度 （一）常温下保温管道轴向剪切强度 1、（6.2.1.1）试样制备 试样测试段应是一截长度为保温层厚度2.5 倍， 且不应短于200mm的保温管道在保温结构两端，保留适当长度的工作钢管，以便于试验操作试样应在距管端部 500mm～1000mm 处、垂直于管道轴线截取共制作 3 段试样 2、（6.2.1.2）测试步骤 如图 4 所示，试样处于常温（23±2）℃环境条件下，由试验装置按 5mm/min的速度对工作钢管一端施加轴向力，直至保温结构的结合面破坏分离。

记录最大轴向力值，并计算轴向剪切强度试验可在管道轴线置于垂直方向或水平方向的 两种情况下进行， 当管道轴线处于垂直方向时， 轴向力中应计入工作钢管的重量 图 4 轴向剪切强度测试装置示意图 3、（6.2.1.3）轴向剪切强度计算 轴向剪切强度应按式（16）进行计算： 式（16） ： 式中： τax——轴向剪切强度，单位为兆帕（MPa） ； Fax——轴向施加的力，单位为牛（N） ； L——试样的长度，单位为毫米（mm） ； Ds——工作钢管外径，单位为毫米（mm） 取三个试样分别测试结果的算术平均值作为最终测试结果 4、（6.2.1.4）测试仪器设备 测试仪器设备为 200kN～1000kN 压力试验机； 精度为±0.5％的测力传感器 （二）常温下保温管道切向剪切强度 1、（6.2.2.1）试样制备 （1）试样应为一截长度是工作钢管直径 0.75 倍的保温管道，且不得小于100mm在保温结构两端，保留适当长度的工作钢管，用于固定试样和方便试验操作试样应在距管端部 500mm～1000mm 处、垂直于管道轴线截取共制作 3段试样  （2）如图 5 所示，将工作钢管一端固定在固定支架 1 上；试样外护管表面被传力夹具 3 环抱， 传力夹具的内环面上具有足够数量直径约为 5mm 的半球状突起， 突起嵌入外护管表面未被完全钻透的凹孔中， 但不应对外护管产生径向压力；传力夹具上对称安装两根杠杆 2，每一根杠杆端头与保温管道中心线的距离，即力臂长度 a＝1000mm。

图 5 切向剪切强度测试装置示意图 2、（6.2.2.2）测试步骤 试样处于常温（23±2）℃环境条件下，通过两根对称杠杆，试验装置按25mm/min 的速度连续施加切向力，直至保温结构的结合面破坏分离，记录最大切向力值切向力垂直作用于杠杆上，在每一根杠杆上施加的切向力为 Ftan/2 3、（6.2.2.3）切向剪切强度计算 切向剪切强度应按式（17）计算： 式（17） ： 式中： τtan——切向剪切强度，单位为兆帕（MPa） ； Ftan——切向剪切力，单位为牛（N） ； L——试样长度，单位为毫米（mm） ； Ds——工作钢管外径，单位为毫米（mm） ； a——每一根杠杆的长度，单位为毫米（mm） 取三个试样分别测试结果的平均值作为最终测试结果  4、（6.2.2.4）测试仪器设备 测试仪器设备 200kN～1000kN 压力试验机；精度为±0.5％的测力传感器；专用传力夹具 （三）（6.2.3）140℃时管道的轴向剪切强度 试验室环境温度为（23±2）℃的条件下，使长度不小于 3.5m 被测保温管道的工作钢管升温，在 30min 时间内达到（140±2）℃，并保持温度稳定时间不少于 4h。

然后在离管道端部 500mm～1000mm 处，按 6.2.1.1 的要求尽快制作试样，再按 6.2.1.2 和 6.2.1.3 的要求进行 140℃时管道的轴向剪切强度测试和计算如在制样和测试过程中，不能保持工作钢管温度为 140℃，则应保证工作钢管开始降温到施加轴向力之前的时间不得超过 30min对试验设备的要求同 6.1.1.4和 6.2.1.4 三、聚氨酯保温层直埋热水管道的预期寿命 （一）管道的老化处理 1、试样制备 从批量生产的保温管道上截取保温结构完整的管段，其长度不应小于 3.5m采用涂覆树脂等方法对管段端部的泡沫保温材料进行密封， 阻断泡沫保温材料内部气体向外扩散和外部空气向其内部渗透 2、老化处理步骤 在按 6.1.1.4 要求的试验设备上，将保温管段的工作钢管升温使工作钢管内的温度达到160℃后， 保持恒温时间3600h； 或者达到170℃后， 保持恒温1450h要求温度控制偏差不超过 0.5℃，外护管始终保持在（23±2）℃的试验室环境中，试验室应保证封闭，无气流扰动 老化处理过程中， 要求连续记录工作钢管内的温度和试验室环境温度， 温度测试仪表精度为±0.1℃。

（二）老化处理后管道的剪切强度 1、常温条件下的轴向剪切强度 将经过老化处理、 并已冷却至室温的管道， 去除受氧化不利影响的管端部分材料，在离管道端部 500mm～1000mm 处，按 6.2.1.1 的试样制备方法，截取轴向剪切强度测试的试样管段试验室环境温度（23±2）℃的条件下，按 6.2.1.2 和 6.2.1.3 的规定进行轴向剪切强度测试和计算测试仪器设备同 6.2.1.4 2、140℃时管道的轴向剪切强度 将经过老化处理后的管道，按 6.2.3 中的规定，使工作钢管升温，在 30min时间内达到（140±2）℃，并保持温度稳定时间不少于 4h然后按 6.2.1.1 的要求尽快制作试样，再按 6.2.1.2 和 6.2.1.3 的要求进行 140℃时管道的轴向剪切强度测试和计算测试仪器设备同 6.1.1.4 和 6.2.1.4 3、常温条件下的切向剪切强度 将经过老化处理、并已冷却至室温的管道，去除受氧化不利影响的管端部分材料，在离管道端部 500mm～1000mm 处，按 6.2.2.1 的试样制备方法，截取切向剪切强度测试的试样管段试验室环境温度（23±2）℃的条件下，按 6.2.2.2和 6.2.2.3 的规定进行切向剪切强度的测试和计算。

测试仪器设备同6.2.2.4 四、聚氨酯保温层直埋热水管道连续运行温度超过120℃的管道预期寿命 （一）测试要求 对于连续运行温度超过 120℃的直埋保温管道，应测试其在保证 30 年使用寿命条件下的连续运行最高耐受温度 选择至少于 3 个不同的老化处理温度， 分别进行 1000h 以上的管道老化处理，然后检测老化处理后的管道在140℃条件下的切向剪切强度， 其结果均应大于或等于管道运行中要求达到的切向剪切强度值（0.13MPa） （二）试验管段制备 从批量生产的保温管道上截取保温结构完整的试验管段，其长度不应小于3.5m 采用涂覆树脂等方法对管段端部的泡沫保温材料进行密封， 阻断泡沫保温材料内部气体向外扩散和外部空气向其内部渗透 （三）测试步骤 1、选择一个老化处理温度Tk，在试验装置上使试验管段工作钢管内通入温度为 Tk 的介质，进行老化处理， 温度控制精度为±0.5℃管道外护管处于室内环境中，试验室密闭，室内温度控制为（23±2）℃，试验过程中室内温度变化不得超过±1℃在此老化处理温度 Tk 下，实际老化处理时间 Lk 应保证大于或等于 1000h， 否则应重新选择老化处理温度 Tk。

试验期间应连续记录工作钢管温度和室内环境温度  2、对老化处理后的管段，按 6.2.3 规定的方法，在 30min 时间内使工作钢管升温到（140±2）℃，并保持温度稳定时间不少于 4h然后在离管道端部至少500mm 处，按 6.2.2.1 的要求尽快制作切向剪切强度测试试样，再按 6.2.2.2 和6.2.2.3 的要求进行 140℃条件下管道的切向剪切强度测试和计算 3、共计选择不少于 3 个不同的老化处理温度点，各个温度点之间的温差应大于或等于 3℃，其最高温度与最低温度之差应大于或等于 10℃分别在各个温度点之下，按照 6.4.3.1 规定的步骤进行老化处理，按照 6.4.3.2 规定的步骤进行 140℃条件下的切向剪切强度测试和计算，老化处理的时间应大于或等于1000h 老化试验1000h以后，开始在140℃条件下，进行切向剪切强度试验，检测的最大时间间隔为 7 天 6.4.3.4 每一个老化处理温度（Tk）点之下，测得的管道在 140℃条件下的切向剪切强度值与老化处理时间（Lk）成线性关系，作出其关系曲线其中切向剪切强度降至 0.13MPa 之前及之后的三次检测应在 7 天之内完成。

通过查看曲线上相邻两个切向剪切强度值大于和小于 0.13MPa 的点， 采用内插法可得出该保温管道切向剪切强度值等于 0.13MPa 时实际应采用的老化处理时间（Lk） ，及其所对应的老化处理温度（Tk） 4、计算连续运行保温管道的最高耐受温度 （1）根据实际应采用的老化处理温度 Tk 和老化处理时间 Lk，按式（18）运用线性回归的方法计算 Arrhenius 关系式中的系数 C 和 D： 式（18） ： 式中： Lk——老化处理温度点 Tk 下的老化处理时间，单位为小时（h） ； Tk——老化处理温度，单位为摄氏度（℃） ； C——回归系数； D——回归系数 按式（19）计算相关系数 r： 式（19） ：  当相关系数 r 小于 0.98 时，所测数据无效，应扩大取样范围、重新选择老化处理温度点进行测试 （2）保温管道的计算连续运行最高耐受温度，即按式（20）计算在保证连续运行寿命 30 年条件下保温管道的最高耐受温度： 式（20） ： 式中： CCOT——30 年使用寿命条件下的连续运行温度值，单位为摄氏度（℃） 5、测试仪器设备 测试仪器设备同 6.1.1.4 和 6.2.2.4。

五、（6.5）直埋热水保温管道抗冲击性能 （一）管道抗冲击性能的测试应按照 GB/T 14152 的规定执行 （二）测试的试样应从批量生产的保温管道上截取，其长度不应小于 1.5m在试样上画出等距离的标线 （三）测试之前先将试样置于（－20±1）℃的温度环境下，时间应不少于3h 然后在 10s 之内将试样从低温环境处理设备中移出， 调整冲击试验机的落锤高度为 2m，落锤质量为3.0kg，在标线范围内完成抗冲击性能测试 （四）抗冲击性能测试后，目测检查管道外护管上是否出现裂纹等缺陷 （五）测试仪器设备： 低温范围达到－30℃的低温箱； 冲击试验机， 落锤质量 3.0kg，其半球形冲击面直径为25mm 六、140℃时的直埋热水保温管道抗长期蠕变性能 （一）试样制备 1、试样应从正规生产的保温管道中间部分截取，抗蠕变性能测试的试样管段，要求其工作钢管外径为 60mm，外护管外径为 125mm，保温层材料是聚氨酯硬质泡沫塑料共制备 3 段试样 2、如图 6， 试样包括一个测试段 A 和两个位于测试段两端的隔热段 B测试段 A 的长度为 100mm， 隔热段 B 的长度各为 50mm，在测试段与隔热段之间还要切割出宽度小于 4mm 的两个隔热切口。

该两个切口应贯穿外护管和保温层直达工作钢管表面、对称地垂直于工作钢管轴线 （二）测试步骤  1、用试样两端外伸的一段工作钢管直接将试样支撑，在测试段 A 的长度上设有施加径向力的挂具，见图 6 图 6 长期抗蠕变性能测试的试样和加载装置示意图 2、试样置于温度为（23±2）℃的环境中，测量聚氨酯泡沫塑料保温层的厚度 S 3、对试样工作钢管加热，升温到（140±2）℃后，保持温度恒定不变周围环境温度也保持（23±2）℃不变，进行抗蠕变性能测试 4、工作钢管恒温时间达到 500h 时， 采用在挂具下方吊挂砝码的方法施加径向作用力 Frad砝码及挂具的重量定为（1.5±0.01）kN该作用力负载应是恒定的，施加时要求无冲击和震动 5、如图 7 所示，在测试段外护管顶部的中间位置，设置位移量测试仪表，沿作用力方向测量保温材料的径向位移△S在施加径向作用力之前，加热周期达到 500h 时，测试仪表显示的径向位移量△S＝0 6、（6.6.2.6）保持工作钢管温度不变的条件下，分别在施加作用力 Frad后达到 100h 和 1000h 的时刻，记录径向位移量△S100 和△S1000  图 7 长期抗蠕变性能测试径向位移测定装置示意图 （三）测试结果 1、创建一张双对数坐标图，横轴坐标为时间（h） ，纵轴坐标为径向位移ΔS（mm） 。

在双对数坐标图上，以 6.6.2.5 中测定的ΔS＝0 坐标点作为起点，将横轴坐标为 30 年、纵轴坐标径向位移ΔS＝20mm 的坐标交点ΔS30y 作为终点，在两点之间连成直线，见图 8该直线用于对聚氨酯保温层材料长期抗蠕变性能测试结果的判定 2、将 6.6.2.6 测试记录的两次位移测量值ΔS100 和ΔS1000 标示在该双对数坐标图上若测得的ΔS100 和ΔS1000 值落于该直线上，或落于该直线以下的区域，则判定该聚氨酯泡沫保温层材料的长期抗蠕变性能测试结果合格；若测得的ΔS100 和ΔS1000 值位于该直线以上区域，则其长期抗蠕变性能不合格 相同保温管道产品三个试样测试结果的算术平均值， 用来判定该聚氨酯泡沫保温层材料的长期抗蠕变性能测试结果 图 8 长期抗蠕变性能测试径向蠕变量坐标图 （四）测试仪器设备 加热及室温控制同 6.1.1.4； 1.5kN 砝码及砝码挂具；精度为±0.1％的百分表。