新型建筑给水塑料管应用技术综述

摘要：针对各种塑料给水管替代传统镀锌钢管，遇到的应用技术问题进行探讨。 关键词：建筑给水 塑料管 应用技术 1塑料给水管替代镀锌钢管的原由建筑物内供水管道采用传统的镀锌钢管已有近百年的历史。在中国建立第一个自来水厂的同时，镀锌钢管也从国外进入中国，从此中国的饮用水有了质的飞跃。90年代末的今天，随着经济的迅猛发展，人们的生活质量不断提高，对自来水的水质要求也日趋提高。人们对自来水的“红水”、“黑水”等现象反映强烈。据大量水质监测数据表明：导致管网水质恶化的主要原因是建筑物内给水管道的锈蚀严重。特别采用冷镀锌钢管后，一般使用寿命不到5年就锈蚀，铁腥味严重。从个别用户水龙头的水样化验细菌总数、大肠菌群严重超标，居民纷纷向政府部门投诉，造成一种社会问题。为此，解决建筑物内管道水质问题，提高城镇居民生活质量已迫在眉睫。 2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。至今有以下管材：硬聚氯乙烯(UPVC)；高密度聚乙烯(HDPE)；交联聚乙烯(PEX)；聚丁烯(PB)；丙烯睛?丁二烯?苯乙烯(ABS)；氯化聚氯乙烯(CPVC)；铝塑复合管(PE-Al-PE，PEX-Al-PEX)；改性聚丙烯(PP-R，PP-C)；钢塑复合管。除了建筑塑料给水管外，传统的铜管仍不失为建筑给水的选用管材；薄壁不锈钢管经久耐用，已被工程界公认。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。由于各种建筑给水管道的材质不一样，它们的性能也各异，详见表1。 表1建筑给水管材性能 品种 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、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 3适用范围建筑给水管道，可适用于工业与民用建筑物内冷水、热水和饮用水系统，但由于其材质差异，UPVC和PE-Al-PE管道，不能用于热水系统，只适用于冷水供水系统。即使可应用于热水系统的管材，其压力与温度亦与寿命关系密切，详见图1。 图1建筑给水管道性能 3.1塑料管的耐温性能(见表2) 表2耐温性能 管材 长期使用温度/℃ 短期使用温度/℃ 软化温度/℃ 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 UPVC ≤40 — 90 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。根据《建筑给水排水设计规范》(GBJ15-88)及其局部修订稿中规定配水点的热水温度不超过60℃，因此上述大多数管材都可以用在建筑热水供应系统。3.2耐压性能(见表3) 表3耐压性能 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 UPVC 1.6 42/h De≤90，4．2PNDe＞90，3．36PN PEX 1.0/95℃1.6/常温 1.22.5 3.55.6 ABS 1.0 3.8/h 4～8 PB 1．6～2．5／冷水1.0/热水 PP-RPP-C 2.0/常温0.6/75℃ 20℃，11h，16MPa80℃，48h，4.8MPa80℃，170h，4.2MPa HDPE 1.0/热水1.6/冷水 PEX-Al-PEX 1.0 2．1～3．0／95℃,1h 3．5～7．0 CPVC 0.6/热水1.0/冷水 3.3塑料管的胀缩率α塑料管的胀缩系数比金属管大得多，表4列举了各种管道的线胀系数α。 表4各种材质给水管的α／m／（m.℃) 钢 1．14×10-5 UPVC 7×10-5 PEX 15×10-5 铸铁 1.05×10-5 PP-R 11×10-5 ABS 11×10-5 铜 1.7×10-5 HDPE 22×10-5 PB 13×10-5 PE-Al-PE 2.5×10-5 MDPE 10×10-5 CPVC 6×10-5 塑料管比金属管有很大的线胀系数，因此在设计中应予以重视，管道伸缩长度可按下式计算： ΔL＝ΔT.L.α(1) 式中ΔL——管道伸缩长度，mm；ΔT——计算温差，℃；α——线胀系数，m/(m.℃)；L——管道长度，m。管道计算温差可按下式确定： ΔT＝0．65Δts＋0．1Δtg(2) 式中ΔT——计算温度差，℃；Δts——管道内水的最大变化温度差，℃；Δtg——管道外空气的最大变化温度差，℃；对于明装和暗设管道，直线距离较长时，则应考虑用折角自然补偿，见图2。其中 (3) 图2管道的折角补偿 式中L2——为自由臂长度，mm；ΔL——自固定支承点起管道伸缩长度，mm；De——管道外径,mm;K——材料比例系数。材料比例系数与管材弹性模量有关。按塑料管品种，排列如下：CPVC，UPVC，ABS，PPR，HDPE，PEX，PB。建议：CPVC、UPVC、ABSK取值为30；PPR、HDPEK取值为20；PEX、PBK取值为10。在管道布置时，应有意折角，使管道有一个伸缩余地，如图3所示。 图3管道布置方式 如果管道明管布置且管径较大、直线距离较长、用折角自由臂补偿有困难，建议采用伸缩器。装置伸缩器的直线管段的两端，需设置固定支承支架。伸缩器应是平衡式(见图4)，不致于在管道水压力的作用下，对管段产生轴向推力。 图4平衡式伸缩器 对于嵌墙敷设的管道，由于墙槽最后是用水泥砂浆嵌实，管道受水泥砂浆摩擦阻力，塑料管道特有的良好的蠕变性，使轴向伸缩转化成径向变化。虽然塑料管道的胀缩率比金属管道大好几倍至十多倍，但其膨胀力却是金属管的几十分之一。以De25PEX塑料管与管径DN20的镀锌钢管为例，在管长1m，温度变化1℃时，PEX胀缩力是镀锌钢管胀缩力的1/32，但实际胀缩力还低于这个数值。因此，嵌墙敷设的塑料管只要施工得当，其胀缩绝不会将嵌实并经过固化的水泥砂浆崩裂，也不必在墙槽内预留塑料管伸缩的空间。3.4塑料给水管的的导热性能据有关资料报道，塑料给水管导热率约是钢的1/100，是铜的1/1 000，表5列举了各种塑料给水管的导热率λ值。 表5塑料给水管的导热率λ值/W／(m.K） 管材 λ值 PB 0．22 PEX 0.41 PP-R 0.24 CPVC 0.14 PEX-Al-PEX 0.45 ABS 0.26 HDPE 0.48 UPVC 0.16 塑料给水管既然导热这么小，管道是否需要保温?这要根据热水供应的系统管路布置和长度而定，一般遵守以下原则：(1)集中热水供应系统的主干管和循环回水管应采取保温；(2)局部热水供应系统，暗设于吊顶、管道井或管窿内的管子宜保温；(3)敷设在屋面的、外露有可能结冻的塑料给水管应保温；(4)敷设在套管内的用于输送热水的塑料给水管可不必保温；(5)嵌墙的支管可不必保温。塑料管的保温一般采用PVC/NBR闭孔型橡塑海棉保温管、高发泡聚乙烯(PE)闭孔型的保温管、硬质聚氨酯泡沫塑料管和现场喷聚氨基多元脂发泡剂。管径De≥50的管道也可采用玻璃纤维双合管保温。3.5塑料给水管的抗水锤性能通常，在给水管道系统中，由于下列原因造成水锤：(1) 水泵的关闭；(2) 给水管道系统压力过高，阀门、龙头突然关闭。 (4) 式中P——水锤压力，MPa；S——水锤波速，m/s；V——水流速度，m/s；g——重力加速度,m/s2。水锤波速S由以下公式求得： (5) 式中——声音在水中传播速度，一般取1 435m／s；E0——水的弹性系数，取2．1×105N／cm2；ρ——水的密度，1 000kg/m3；E——管道材料的弹性系数。由上式可知，水锤波速S越大，则水锤压力越高，而水锤波速S与管材的弹性模量有关，与管径和管壁厚度有关。管材弹性模量小，管径大，壁厚薄，均可使水锤波速减小，也就使水锤压强减小。以镀锌钢管DN 20和塑料管De25比较：镀锌钢管DN 20：外径26．15 mm，内径21．25mm，壁厚2．75mm；PB管De25：外径25mm，内径20．40mm，壁厚2．3mm。镀锌钢管的弹性模量为206×105N／cm2，E0／E＝0．01；PB管的弹性模量为0．35×105N／cm2，E0／E＝6。S钢管／S塑料PB＝7在相同的管系条件下，De25塑料(PB)管产生的水锤压力相当于镀锌钢管DN20产生的水锤压力的1/7。由此推算，其他塑料管的水锤压力与镀锌钢管之比值，见下：S钢管／SPP-R＝4．74S钢管／SPEX＝5．45S钢管／SUPVC＝2．58 4塑料管的水力计算 由于塑料管均以外径×壁厚表示，各种塑料管管道壁厚不一样，因此它们的水力计算中水力坡降也不一致，故应通过计算确定。塑料管在尼古拉兹(J.Nikuradse)试验曲线中属于光滑管(smoothpipes)，它们通过水流时，属紊流状态，应按式(6)计算。 (6) 式中i——水力坡降；λ——摩阻系数；dj——管道计算内径,m；V——平均水流速度,m/s；g——重力加速度,一般为9．81m/s2。塑料管的水力计算关键在于λ值确定。λ值在紊流时，与管道内壁的粗糙度无关，而只与雷诺数Re有关。从尼古拉兹曲线中这条光滑曲线的斜率是-0．25，因此Re在3 000～100 000之间，勃拉修斯(H.Blasius)建议光滑管λ采用下式计算。 (7) 也有手册上建议采用： (8) 由于塑料管与Re有关，雷诺数Re又与水流速度V和管径dj以及水的粘滞度γ有关： (9) 从公式中可以看出：水流速度大，水流紊流大，Re也大。水的运动粘滞度γ与温度有关：水在10℃时，水的运动粘滞度为1．3×10-6m2／s；而在60℃时，水的运动粘滞度为0．475×10-6m2/s；热水管道λ值比冷水管道小，沿程阻力小。塑料管的局部阻力与管道的连接方式有关。ABS、CPVC、UPVC管为粘接连接，它们与镀锌钢管相仿，过水断面不缩小；PEX-Al-PEX和PEX卡环和夹紧镶入式机械连接接头，过水断面缩小至原内径的73％～80％，故局部阻力较大；PP-R、PP-C、PB管热熔式承插式接头，因熔断时有熔瘤产生，内壁有1mm左右突出;PB管用胶圈密封连接时，内衬0．5mm不锈钢支承套管，内径缩小极微。塑料管的局部阻力还与管道布置方式有关。PP-R、PB、ABS、CPVC、UPVC管道一般布置成枝状，大都用三通弯头配件。住宅的给水管道局部阻力损失，建议采用枝状管道系统的沿程阻力损失的30％，而采用夹紧镶入式机械连接头的PEX、PEX-Al-PEX枝状管道系统，建议管道系统的局部阻力损失约占沿程阻力的50％～60％。而采用分水器，以数根单管布置到每个卫生器具配水点，则局部阻力就在配水点和分水器两个点，而这些管道一般是De16～De20，则可粗略估计在该管段的局部阻力为每一个连接接头等效于该管段1.5m的沿程阻力。