新型管材及其在给水工程中的应用(1)

新型管材及其在给水工程中的应用新型管材及其在给水工程中的应用 武汉大学武汉大学 薛英文薛英文 1 镀锌钢管的淘汰及新型给水管材的出现 镀锌钢管应用在建筑物内供水管道上已有近百年的历史 我国长期使用镀锌钢管的原因主要有 1 镀锌钢管质地坚硬 刚度大 适用于易撞击的环境 例如常用的室内明装管道 2 镀锌钢管及配件市场供应完善 3 施工经验成熟 易于配套成龙 水管敷设过程完成快速 4 总体价格便宜 镀锌钢管作为一种给水主材广泛地应用于工农业及建筑内部各供水管道及消防管道 但由于镀 锌钢管管材自身的缺陷 在使用中易产生锈蚀 结垢和滋生细菌等 上述现象的直接恶果是对自来 水的基本三要素保证不了 流量 压力 水质均保证不了 从而对水质造成严重的二次污染 表 现为水样大肠肝菌及细菌总数严重超标 出现黄水 黑水 红水等现象 水质恶化 另一方面因锈 蚀渗漏破坏了用户的居住及工作环境 干扰正常生活 影响人们的生活质量 并导致水资源的巨大 浪费 世界上不少发达国家早在十多年前已规定 建筑中不准使用镀锌钢管 香港水务局在 1995 年起已明确规定 新建筑中不得使用镀锌钢管 旧建筑物内原的管道亦必须限期改造 上海也已规 定 凡 1998 年 5 月 1 日起设计的施工图和 1998 年 10 月 1 日起开工的住宅 多层住宅和多层公共 建筑 其室内的给水管道 禁止设计 使用镀锌钢管 推广使用塑料给水管 随着人们居住环境和生活品质的提高 对水的使用提出了更高的要求 迫切要求一种新型的绿 色环保替代产品出现 同时 由于镀锌钢管要消耗大量的钢材 浪费大量能量 不利于国家以塑代 钢的环保政策 为此 进入 90 年代 建设部大力推广塑料及复合材料管材 传统的镀锌钢管将逐 步退出历史舞台 建筑塑料给水管材蓬勃发展随着我国有机化学工业发展以及中央和地方对化学建材的推广应用 的重视 各种建筑塑料给水管材纷纷在建筑市场登台亮相 其中塑料给水管材主要有低塑性硬聚氯 乙烯管 UPVC 氯化聚氯乙烯管 CPVC 高密度聚乙烯管 HDPE 交联聚乙烯管 PEX 聚丙 烯管 PP R 聚丁烯管 PB 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯管 ABS 等 复合管材有铝塑复合管 涂塑钢管 钢塑复合管 塑复铜管 孔网钢带塑料复合管等 金属管材有铜管 不锈钢管等 在铝矾土资源丰 富的省 开发研制成功铝合金供水管 也是一种新型管材 所有这些新型给水管材的出现 为我们 采用适合的给水管材提供了更多的选择 使我们可以根据建筑物的功能 性质 规格 档次进行适 当的选用 2 建筑塑料管材的分类 1 硬聚氯乙烯 UPVC 管 硬聚氯乙烯管是 PVC 树脂在一定温度下添加铅 锡 镭 汞等金属化合物作为稳定剂熔融而 成 管道初次使用有重金属析出 荷兰海牙水厂对 A B C D 几个厂家生产的 UPVC 管进行了 一小时的铅渗析实验 实验条件为 管长 4 流速为 0 67m h 从实验结果可以看出 铅析出量 随着时间的延长 浓度会减小 但水温和 pH 值对铅渗析量有很大影响 pH 值为中性时 渗析量 最小 pH 值减小或增加都将加大管材的铅渗析量 水温越高 管网中水停留时间越长 铅的渗析 量越大 建筑用 管 管材外径由 20 至 315 工作压力为 1 0 2 5MPa 连接方式小口 径为承插式粘接 大口径为承插胶圈连结 供水温度不高于 40 由于 UPVC 开发早 采用原料 全部国产 造价低 国内市场较大 2 高密度聚乙烯 HDPE 管 高密度聚乙烯管是由 80 级以上聚乙烯挤出而成 管材寿命长 无毒 韧性好 有较好的疲劳 强度和抗冲击性能 脆化温度可达 70 管材规格为 20 至 65 连结方式为热熔焊接 室外大 口径管采用热熔对接 长距离管线无接口 施工安装极为方便 高密度聚乙烯管适用于输送温度不 高于 60 的介质 主要用于市政供水系统 建筑给水系统 纯净水 化工 医药 造纸 农业改 水工程用管及电线电缆导管 3 交联聚乙烯 PEX 管 交联聚乙烯管是由聚乙烯 硅烷 过氧化物 抗氧化剂混合反应而成的一种聚合物 通过化学 反应 聚合物大分子链间原有的范德华力被化学共价键所取代 原来低强度 线性的聚乙烯转化为 高强度 网状的交联聚乙烯 交联聚乙烯管具有卫生无毒 耐高温 高压 重量轻等优点 使用温 度在 70 110 管径为 14 至 63 管道连结采用夹紧式铜接头或 PP 卡套配件连结 工程 造价相对较高 约为 UPVC 的 1 5 倍 由于 PEX 管弯曲半径为 6 8 倍管外径 且耐热性能好 经 常作为地板辐射采暖管的首选管材 4 三型聚丙烯 PP R 管 聚丙烯属聚烯烃类 分子由碳 氢元素组成 具有良好的耐热性及较高的强度 但其熔融粘度 低 低温时易脆化 经多次改进 先后开发出均聚聚丙烯 PP H 嵌段共聚聚丙烯 PP B 最后采用 气相共聚法使聚乙烯 PE 和聚丙烯 PP 的分子链均匀地聚合 形成无规共聚聚丙烯 PP R 三型聚丙 烯 克服了聚丙烯熔融粘度低 易脆化的缺点 PP R 管的设计方法与传统镀锌管材相同 为串联 系统 管径有 20 110 三型聚丙烯 PP R 除具有普通塑料管特点外 还具有如下优点 1 无 毒 卫生 从原料生产 制品加工到使用均不会对人体及环境造成污染 该管材可用于冷 热水系 统 采暖系统 空调冷凝管系统及纯净水系统 2 耐热保温性能好 PP R 管最高使用温度 95 瞬间温度可达 110 长期使用温度为 70 可作热水供应系统管材 其导热系数为 0 21 仅为钢管的二百分之一 具有较好的保温性能 3 管道连结安装简便 可靠 由 于 PP R 管材 管件采用同一原料加工而成 一体化热熔连结管材 管件 经过热熔 连结部位配 件和管材融为一个整体 强度大于管材本身强度 永久消除漏水隐患 热熔连结采用专用工具 几 秒种完成一个接头 操作方便 安全可靠 4 原料可回收 生产及施工中废品可回收利用 直接利 用于再生产管材 管件 5 聚丁烯 PB 管 聚丁烯管是 1 丁烯单体通过等规立构聚合反应而生成 管材性能与交联聚乙烯管相似 但相对 强度更高 有更高的耐蠕变性和高温下的性能保持性 导热系数为 0 24W m K 保温性能好 在 长期连续工作压力下 输送水温可达 95 例如美国塑料管件研究所评价为在常温下 PB 管设计水 压为 6 9MPa 因而世界较发达国家广泛使用 PB 管材 但由于世界范围内聚丁烯树脂生产厂家少 供应紧张 PB 管价格昂贵 国内管材规格常见为 20 63 压力等级为 1 0 3 2MPa 建议热 水管系统采用不小于 2 0MPa 压力等级管材 连结方式同 PP R 管 为热熔连结 6 聚氯乙烯芯层发泡 PSP 管 PSP 管是三层共挤成型的硬聚氯乙烯层发泡管 主要应用于室内外排水管 排污管 PSP 管不 仅具有传统 PVC 管的优点 还具有高抗冲击 隔音 阻燃 绝热 热稳定性好等其它 PVC 管无法 比拟的特性 是目前世界上发达国家广泛使用并取代铸铁管 PVC 管的理想材料 主要规格有 50 160 采用粘接连接 7 复合管材 复合管材是以金属管材为基础 内 外焊接聚乙烯 交联聚乙烯等非金属材料成型 具有金 属管材和非金属管材的优点 目前市场较普遍的有铝塑复合管 铜塑复合管 钢塑复合管 涂塑复 合管 钢骨架 PE 管等 下面仅对常见的几种加以说明 铝塑复合管 铝塑复合管是中间为一层焊接铝合金 内外各一层聚乙烯 经胶合层粘结而成 的五层管子 具有聚乙烯塑料管耐腐蚀性好和金属管耐压高的优点 铝塑复合管按聚乙烯材料不同 分为两种 适用于热水的交联聚乙烯铝塑复合管和适用于冷水的高密度聚乙烯铝塑复合管 铝塑复 合管规格为 14 32 采用夹紧式铜配件连结 主要用于建筑内配水支管和热水器管 价格较 贵 钢塑复合管 钢塑复合管是由镀锌管内壁置一定厚度的 UPVC 塑料而成 因而同时具有钢管 和塑料管材的优越性 管材规格为 15 150 以铜配件丝扣连结 使用水温为 50 以下 多用 作建筑给水冷水管 价格较贵 钢骨架 PE 管 钢骨架 管是以优质低碳钢丝为增强相 高密度聚乙烯为基体 通过对钢 丝点焊成网与塑料挤出填注同步进行 在生产线上连续拉膜成型的新型双面防腐压力管道 管径为 50 500 法兰连结 主要用于市政 化工和油田管网 价格较贵 涂塑钢管 涂塑钢管是在钢管内壁融溶一层厚度为 0 5 1 0mm 的聚乙烯 PE 树脂 乙烯 丙烯酸共聚物 EAA 环氧 EP 粉末 无毒聚丙烯 PP 或无毒聚氯乙烯 PVC 等有机物 而构成的钢塑复合型管材 它不但具有钢管的高强度 易连接 耐水流冲击等优点 还克服了钢管 遇水易腐蚀 污染 结垢及塑料管强度不高 消防性能差等缺点 设计寿命可达 50 年 主要缺点 是安装时不得进行弯曲 热加工和电焊切割等作业时 切割面应用生产厂家配有的无毒常温固化胶 涂刷 主要规格有 15 100 8 铜管 铜管具有高强度 高可塑性等优点 同时不含有害物质 纯净 天然 抗锈蚀能力强 不污染 环境 热胀冷缩系数小 抗高温环境 防火 在北方更能抗严寒气候 适合输送热水 抗老化 防 腐蚀 不会被有机物软化 不会被有害气体或液体渗透 纯净的紫铜管能杀灭水中的军团症等细菌 使用寿命长 管材及其配件在国内市场上均可买到 缺点是软水可引起铜管内部锈蚀出现 铜绿水 价格较贵 废料值偏高 易被盗窃 主要规格有 15 160 3 管材性能比较 由于各种建筑给水管道的材质不一样 它们的性能也各异 新型建筑给水管材大多采用热塑性 塑料材料制成 故在考察和选用新型管材的时候 应注意从以下几个方面进行比较 耐温耐压能 力 线形膨胀系数 膨胀力 热传导系数及保温 抗水锤能力 壁厚 重量 水力条件 安装连接方式 价格 管材尺寸范围 寿命 卫生指标 耐腐蚀性 施工难易度 表 1 各种塑料管材的优缺点比较表 管材优点缺点 UPVC 抗腐蚀力强 易于粘合 价廉 质 地坚硬 有 UPVC 单体和添加剂渗出 不适用于热水输送 接头粘合技术要求高 固化时间较长 HDPE 韧性好 较好的疲劳强度 耐温度 性能较好 质轻 可挠性和抗冲性 能好 熔接需要电力 机械连接 连接件大 PEX耐温性能好 抗蠕变性能好 只能用金属件连接 不能回收重复利用 PB 耐温性能好 良好的抗拉 抗压强 度 耐冲击 低蠕变 高柔韧性 国内还没有 PB 树脂原料 依赖进口 价高 PP R耐温性好 在同等压力和介质温度的条件下 管壁最厚 CPVC耐温性最好 抗老化性能好 价高 仅适用于热水系统 PEX Al PEX 易弯曲成形 完全消除氧渗透 线 膨胀系数小 管壁厚薄不均匀 ABS强度大 耐冲击 耐紫外线差 粘接固化时间较长 表 2 各种塑料管材的耐温性能比较表 管材长期使用温度 短期使用温度 软化温度 UPVC 40 HDPE 60 80 121 PB 90 95 124 ABS 60 80 94 PP R PP C 60 90 140 PEX 90 95 133 CPVC 90 95 125 PEX Al PEX 60 90 133 PE Al PE 40 注 1 长期使用温度系指管道在此温度范围内使用寿命达 30 年 50 年 2 短期使用温度系指管道在此温度 范围内使用寿命达 10 年 20 年 表 3 各种塑料管材的耐压性能比较表 管材工作压力 MPa 试样试验压力 MPa 接头密封试验 MPa 爆破压力 MPa UPVC1 642 h De 90 4 2PN De 90 3 36PN PEX 1 0 95 1 6 常温 1 2 2 5 3 5 5 6 ABS1 03 8 h4 8 PB 1 6 2 5 冷水 1 0 热 水 PP R PP C 2 0 常温 0 6 75 20 11h 16MPa 80 48h 4 8MPa 80 170h 4 2MPa HDPE1 0 热水 1 6 冷水 PEX Al PEX1 02 1 3 0 95 1h3 5 7 0 CPVC0 6 热水 1 0 冷水 表 4 各种塑料管材导热率表 管材 值 W m k PB0 22 PEX0 41 PP R0 24 CPVC0 14 PEX Al PEX0 45 ABS0 26 HDPE0 48 UPVC0 16 表 5 各种管材主要性质指标表 4 给水管材的使用 众多给水管材涌现 给用户和工程设计带来了极大的便利 但由于各种给水管材因其在性能 尺寸范围及安装施工工艺等方面有其相应的特点 有各自的适用范围 同时由于给水系统中所处部 位不同 而在施工安装中有不同特点 一般将其分为 3 个方面 1 室内给水分区主干管 室内给水分区主干管属给水系统的主要部分 包括分区内的横干管及立管 这一部分管道大多 铺设在屋面保温夹层 吊顶 管道井 管窿内 采用支架固定 无需埋设 管径一般在 管材 项目 UPVCPBPP RPEXABS 铝塑复 合管 塑复 铜管 钢塑复 合管 涂塑钢 管 钢骨架 PE 管 密度 g cm3 1 430 920 97 0 93 0 97 温度 长期使用 45 90 70 90 60 60 80 50 50 60 压力 MPa 工作压力 1 6 1 6 2 5 冷 1 0 热水 2 0 冷 1 0 热水 1 6 冷 1 0 热水 1 62 0 3 02 02 52 5 1 6 冷 1 0 热水 膨胀系数 7 10 513 10 511 10 515 10 5 11 10 5 2 5 10 5 1 18 1 0 5 1 4 10 51 4 10 52 5 10 5 导热率 W m k 0 160 220 240 410 260 45 视塑复 材料定 接近钢 管 接近钢 管 视塑复 材料定 弹性模量 N cm2 3 5 1053 5 1051 1 1056 0 104 2 1 1072 1 107 膨胀力 N D 32mm t 50 L 10mm 303847017742479 79872009020090 管壁厚度中间最簿最厚中间中间厚簿 簿 综合价格便宜贵贵较贵较贵较贵贵 比涂塑 管贵 镀锌管的 1 3 倍 便宜 规格范围外径 mm 20 31520 6320 11014 6315 300 14 32 15 65 15 15015 10050 500 寿命 a 50505050 5050303030 连接方式 弹性密封或 粘接 夹紧式 热熔 式 插接电熔 全连接 热熔式连接 夹紧式 采用金属 管件 粘接 夹紧式 金属管件 夹紧式 焊接式 管螺纹及法 兰连接 管螺纹及法 兰连接 电熔式 25mm 80mm 范围内 要求有耐久性 外观持久性 无腐蚀 无结垢 无泄露 低噪声 卫生 寿命长 安装方便的管材 一般对压力要求 冷水 20 1 0MPa 热水 70 1 0MPa 热水 管一般应采用公称压力 1 6MPa 2 0MPa 的管材和管件 这一部分管材在施工中一次性安装 用量 大 是给水管道的主干管 适合这部分管材的塑料管 PEX UPVC PP R PP C PB HDPE Al HDPE PEX Al PEX ABS 复合管材有涂塑钢管 钢塑复合管 钢骨架 PE 管 铜管等 推荐 选用 PP R 管 2 卫生间等配水支管 排水管 这部分管道管径在 16mm 25mm 一般为埋墙或埋地安装 接点多 卫生间管道因设备和用 户装修标准不同 安装完成 而是由用户自行在二次装修中完成这部分管道的安装 由于管道大多 暗装 对管材 管件安装连接要求较高 但长期以来受市场管材质量的困扰以及安装工人员素质良 莠不齐等因素影响 这部分管道发生的问题最严重 影响人们的生活质量 因而也是给水管材中急 需解决的问题 适合这一部分的管材有 HDPE PEX PEX Al PEX PP R PP C PB 等 复合管 材有铝塑复合管 塑复铜管 涂塑管 铜管等 室内排水管及污水管选用 PSP 管 UPVC 管 UPC 螺旋消音排水管等 推荐选用 PP R 管若用 HDPE 管及 PEX 管 最好安装 3 给水引入管 室外给水 输水管 这类管材管径大 要求强度高 耐压好 密封性好 耐腐蚀 水力条件好 抗水锤能力强 安 装简易 重量轻 寿命长 管径范围在 50mm 200mm 以上 适合这部分的管材有 钢骨架 PE 管 ABS UPVC 涂塑钢管 钢塑复合管 根据表 5 比较 UPVC 管价格便宜 使用方便 但使用中 有 UPVC 单体和添加剂渗出 故使用中应注意其铅含量要达到生活饮用水规定小于 0 05mg 标准 PB 管有较好的高温耐久性 性质稳定 重量轻 水力条件最好 安装连接方式多样 适用不同环 境