给水系统中塑料管材的应用现状及分析

　　1998年以来，各地在贯彻落实《国家化学建材推广应用“九五”计划和2010年发展规划纲要》及《关于加速推广应用化学建材和限制、淘汰落后产品的规定》的工作中，结合本地区的实际情况，积极推广各种塑料管及塑料复合管以替代影响居民饮用水质量的镀锌给水钢管，取得了长足的进展。

　　许多文章也都从不同的角度对塑料管及塑料复合管作了介绍。笔者将从整个供水系统的角度，对目前已有的塑料管及塑料复合管作一分析。

　　1供水系统中管材的应用现状为方便起见，我们将城镇居民用水的供应体系简化如所示。按此划分，我们又将从水源地到水厂、水厂到管网的用管称作输水管，将管网及从管网到用户建筑物的用管称做配水管，将进入用户建筑物的用管称作给水管。

　　网输就网H网间城镇居民用水的供应体系目前在供水管网系统中采用的管材，主要有铸铁管、球墨铸铁管、钢管、镀锌钢管及钢筋混凝土管等。塑料管的应用还不普遍，目前国家标准中只对硬聚氯乙烯管（PVC-U管）及高密度聚乙烯管（HDPE管）作了规定。一般说来，钢管的力学性能良好，但在埋地敷设时还需进行外防腐处理，造价较高；铸铁管力学性能不如钢管，但耐腐蚀较钢管强，价格较便宜；球墨铸铁管的力学性能与钢管大致相当，耐腐蚀性好于钢管，但目前国内的产量还不够大，价格也较贵；钢筋混凝土管的力学性能较低，耐腐蚀性能很好，价格便宜，缺点是密度大，搬运时损坏率高，缺乏配套管件。以上几种管，除了混凝土管外，均可对内部传输的水质造成污染，目前采取的预防措施是在其内部用水泥沙浆处理或衬塑处理，但这两种方法对小U径管不太适合。表1给出了目前常用管材的类型、所执行的标准、公称直径、工作压力。

　　2给水系统中塑料管材的应用现状目前在给水系统中可以采用的塑料管材及塑料复合管材主要有PVC-U管、HDPE管、交联高密度聚乙烯管（HDPX管）、聚丙烯管（PP管）、聚丁烯管（PB管）、ABS管、金属衬塑管、铝塑复合管等。以下分别介绍这些管材的主要特点。

　　HDPE管材对PE管材的深人研究应归功于对传输燃气的需求。随表1常用管材的类型、所执行的标准、公称直径、工作压力管材类型标准编号公称直径/run预应筋混凝土管一阶段三阶段自混应凝力土钢管筋铸铁管连续铸造水压试验压力LAAB2.0离心砂模水压试验压力PG2.02.51.52，0球墨铸铁管连续铸造离心砂模水压试验压力3.0水压拭验压力3.0钢管缧旋焊接钢管镀锌焊接钢管焊接钢管水压试骏压力2，5水压试验压力：2.5，3.0水压试验压力：2.5，3.0着技术的发展，10余年来PE性能获得很大提高。在ISO12162及ISO的塑料给水管系统中，HDPE管以其优良的物理力学性能获得广泛的应用。PE管材无毒、耐腐蚀、柔韧性高、耐低温性能好、施工安装方便，可采用多种方法熔焊连接，整体密闭性极佳。近些年来在欧美一些工业发达国家，PE管开始超过PVC-U管占居首位，1997年欧洲各种塑料给水管材所占比例见表2；表21997年欧洲各种塑料给水管材所占比例％管材类型饮用水采暖/室内用管4427标准中，根据管材的最低允用强度（MRS）将PE材料五个等级。从PE32到PE100，材料的性能有很大提高，不仅是短期力学性能，更重要的是长期耐压能力及抗裂纹快速扩张性能（RCP）都得到很大提高。研究表明，温度越低，管径及壁厚越大，工作压力越篼，热塑性塑料管的裂纹快速扩张的危险越大。与其它热塑性塑料管材相比，PE管材具有最佳的长期耐压能力及抗裂纹快速扩张性能。因此，在大口径管材传输领域，PE管具有独特的优势。从国际标准看，PE管的可以使用的直径范围最宽。

　　4427标准，在20*下PE管具有50年预期使用寿命时的最大工作压力为1.6MPa.同时规定，PE管可以在40*以下温度范围使用，如使用温度升高，工作压力应该用折减系数予以降低。折减系数的选用在ISO13761和ISO4427中有明确的规定。

　　PE材料耐温性能不好，不能作为热水管使用，这使得PE管材应用受到限制。

　　PVC-U管以优良的力学性能及经济性，作为给水管具有较强的优势。在一些工业发达国家PVC-U管材的消费已占塑料管材市场的80%.1997年欧洲PVC-U管材的消费结构如表3所示，在25*下，PVC-U管具有50年预期使用寿命时的最大工作压力为2.5MPa.同时规定，PVC-U管可以在451*以下温度范围使用，如使用温度升高，工作压力应该用折减系数予以降低。

　　PYC树脂耐温性不佳，PVC管材不能作热水管，这是PVC管材作为给水管的主要缺陷。另外，PVC-U的抗裂纹快速扩张性能不佳，已有因水锤效应而导致输水输气管破裂的报道。因此，在大口径高压力的传输方面使用PVC-U管应慎重。

　　为改善PE材料的耐温性能，人们通过交联技术使其改性。交联改变了PE大分子间的作用力，由原先仅存的晶格力及范德华力改变为某些大分子间产生了化学键力。由此，其宏观性能也有了很大变化，主要体现在材料的耐蠕变性能、耐温性能、耐环境应力开裂性能、耐化学药品性能、耐磨性及对缺口的敏感性等有了很大改进。特别是，由于耐蠕变性能的提高使得其静水压性能尤其是高温静水压性能大大改进。经过长期研究，HDPE管交联及稳定化技术已比较成熟，并制定了相关的技术标准。按照此标准，HDPE-X管可在70*下连续使用50年。同时规定，HDPE-X管也可以在70~11（TC范围使用，但温度升高后，使用寿命降低。显然，HDPX管比HDPE管性能有很大提高，不但可以满足供冷水的要求，而且可以满足供热水的要求。

　　从现有交联技术看，在生产过程中产生的废品因已形成“不溶不熔”的网状结构，因此很难再重新粉碎后加以使用，这就提高了生产成本。另外从环境保护角度考虑，HDPX管不可能重复利用，管材报废后除了有报道可以经粉碎充分细化后作为填料再改性PE使用外，只能送去裂解成单体重新利用。

　　PP管材PP管材由于其优异的性能，特别是相对PVC、PE管而言，不仅具有较高的强度，还有一定的耐温性能。所以它是目前在给水/热水管系统最有应用前景的管材。

　　15874标准m，无论是均聚聚丙烯（PP-H）、嵌段共聚聚丙烯（PP-B），还是无规共聚聚丙烯（PP-R），均可用来加工给水管，但这三种PP的性能不同，应注意区别。PP-H抗低温性能不好，在环境温度较低的场合应予以注意；PP-B的长期静水压性能，特别是高温下的静水压性能不好，若要用于热水管并满足50年寿命，则必须增加壁厚，带来经济上的不利因素。综合性能较好的是PP-R. 15874标准，PP管可在70X下连续使用50年。由于PP管的开发及应用时间不长，人们对大口径PP管的抗快速裂纹扩张性能的研究还不够充分，因此，在大口径高压力的传输应用中尚存疑虑。

　　PB管PB作为一种材料最早出现于20世纪70年代初，它是由丁烯-1单体聚合而成的半结晶性塑料。由PB制造的管材PB管具有卫生性能好，无毒无害，具有极佳的耐化学性，柔韧性好，耐高低温性能好，抗蠕变性、抗环境应力开裂性和耐磨性优异。按照IS0/DIS15876标准w，PB管可在70尤下连续使用50年。

　　售管材级PB树脂，并给用户巨额赔偿的PB管破裂事故的报道，已引起业内人士的极大关注。此事件对PB管材的推广应用肯定会产生巨大影响。

　　2.6铝/塑复合管铝/塑复合管是一种中间由薄铝板焊接成封闭管状，由热熔粘合剂将其与内外壁塑料粘合成一体的复合管材。内外壁可以都是PE（以HDPE居多）或（PEOC），也可以内壁是PX，外壁是HDPE.作为一种新型复合管材，铝/塑复合管无疑是一种颇具特色的优秀管材。除了具有其它塑料管相似的优点外，它还具有气体阻隔性好，在施工中可以随意弯曲定型而不需弯头的独特优点……按照ASTMF1282标准w，PE/A1/PE复合管在23下具有50年预期使用寿命时的最大工作压力为1.38MPa，在601*下的最大工作压力为1.10MPa；按照ASTMF1281标准，PE*X/A1/PE-X复合管在231*下具有50年预期使用寿命时的最大工作压力为1.38MPa，在60下的最大工作压力为1.10MPa，在83*下的最大工作压力为0.86MPa.但铝/塑复合管存在一些致命的弱点，应引起重视。首先是回收困难。按照铝/塑复合管的要求，为保证铝层与塑料层之间具有足够的粘合力，需要加人粘合剂层。这就给人们对塑料与铝的分离造成困难。另外，即便将来开发出将塑料皮与铝皮分离的方法，由于粘合剂的混人也会对塑料层的再次利用带来困难。目前尚未见有可以良好回收再利用的报道。其次，在大口径范围，经济上失去竞争性。因此，在ASTMF1281、F1282标准中规定的最大管径为32mm，在ASTMF1335中规定的最大管径为50mm. 3给水系统中塑料管材的选取及分析从整个给水系统看，究竟何种塑料管材能占优势呢，针对不同的应用场合及不同的要求应选用不同的管材。选取的主要依据是：对管材的性能要求、口径的大小、价格，以及材料对人类居住环境的影响等。对塑料管材来说，使用要求主要有：（1）在工程要求的寿命前提下的力学性能，例如，对一般民用建筑来说能否在满足50年使用寿命的要求下满足给水压力、温度的要求，承受外部载荷及撞击的要求；（2）施工安装是否方便，系统的整体性是否良好；（3）是否对水质产生影响等。还应考虑管材的口径大小，传输介质的内压、温度等因素可能产生的问题。

　　目前，在输、配水系统中主要使用钢筋混凝土管、铸铁管、钢管，GBJ13标准建议采用钢筋混凝土管；在建筑给水系统中主要使用铸铁管、镀锌钢管，GBJ15标准中规定，在管径矣150mm时应采用镀锌钢管，当管径> 150nun时，可采用铸铁管。同时规定，对埋地敷设的配水管，在管径>75mm时，宜采用铸铁管。

　　1990年间的调查表明，到1990年为止，灰铸铁管应用最广，约占全部新铺管道的3/4以上，且大部分是刚性接口的连续浇铸灰铸铁管。在新增管道中，直径小于400mm的约占总数的3/4.用于大口径的管道（）1000）以钢管和钢筋混凝土管为多。自应力钢筋混凝土管、球墨铸铁管、塑料管应用不多，其总量约占3%.根据以上情况，针对塑料管的特点，近期塑料管取代的应是直径为400mm以下的铸铁管和镀锌钢管。大致可划分为小于150mm的建筑给水管及大于150mm的输配水埋地管两大部分。

　　表4给出了可用在给水系统的塑料管材所执行的标准、公称直径、工作压力、工作温度等数据。与表1对比可以看出，除混凝土管外，PE管的管径范围完全可以覆盖铸铁管、钢管；除大于1000mm管径范围外，PVC-U管也大致能覆盖铸铁管、钢管；PP、PX、PB管可以覆盖镀锌焊接钢管；仅从管径范围看，铝/塑复合管不能完全满足任何传统管材的应用领域。

　　4分析及结论结合传输介质的温度及可能存在的技术问题，我们大致可作出如下结论，PE、PV（MJ管均可满足无论是输配水系统的大口径应用及建筑给水系统的冷水输送，而PP、PE*X、PB管均可满足建筑给水系统输送冷热水的要求。

　　考虑到人们对PVC-U管材的毒性的担心及可能存在的大口径管道的快速裂纹扩张问题，在输配水系统中以PE管为佳；在建筑给水中若只考虑输送冷水，则也选PE为佳，这样整个管网系统均由同一种材质管材构成，对设计、施工、安装均较为方便。若考虑在建筑用管传输冷热水均采用同一种管，则采用PP管为佳。PE>X、PB管价格较高，且PB管表4常用塑料管材所执行的标准及相关数据标准编号公称直压力温度最高年材类型限/a未规定PP管PB管铝塑复合管矣95还有可能破裂的问题。

　　PP管目前价格较高，主要是因为管材级PP树脂目前全部依赖进口，国内各大石化企业目前还不能生产。但生产管材级PP并不存在很大的技术难点，国内许多石化企业已将此树脂列入开发生产计划，可以预料在今后1-2年，国产管材级PP树脂定会问世。

　　从以上分析可以看出，PE管材除耐温性能不佳外，是最优秀的管材。如果某种管材既保存了FE管材的优点又使其能在高温下使用，其市场前途无量。由哈工大、航天工业部开发技术制备的金属骨架增强塑料管即是能满足此要求的最新型管材。目前已有的金属骨架由铁丝/或带孔铁皮制成，塑料是HDPE，但原则上讲还可以由其它材料复合而成。

　　仅目前的由铁丝与HDPE复合而成的管材而言，它已具备相当的优点：①由PE材料提供的良好传输性能，抗垢防腐防霉性能；②由铁丝提供的良好的力学性能，耐温性能及尺寸稳定性；③不存在裂纹的快速扩张；④已经设计开发了这种管材的回收利用工艺，使管材料可以多次使用。当然，由于金属骨架增强复合管的开发及应用还刚刚起步，有许多问题还尚待研究。