韓洪軍 劉燦生 呂炳南

　　摘　要：本文首先從聚氯乙烯（UPVC）給水管的生產(chǎn)現(xiàn)狀、發(fā)展前景和工程試點(diǎn)應(yīng)用入手，對影響UPVC給水管應(yīng)用的因素，諸如：UPVC管的衛(wèi)生性能、強(qiáng)、水力計算和安裝連接等因素進(jìn)行了研究，為UPVC給水管的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
　 關(guān)鍵詞：給水管道；UPVC管；開發(fā)；應(yīng)用

The Research on the Developing and Applying of Polyvinyl
Chloride Pipe for Water Supply
Han Hongjun　 Liu Cansheng　 Lu Bingnan

　　Abstract This paper introduces a research on the operation,developing and applying project of polyvinyl chloride (UPVC) pipe for water supply,and studies the factors that effect this diflusion;such as sanitation property of UPVC pipe,hardness,hydraulic calculate and install linking which prepares conditions for applying of UPVC pipe for water supply.
　　Key words water supply lines;UPVC pipe;developing;applying

0. 前言

　 給水管道工程是城鎮(zhèn)給水工程的重要組成部分，其基建投資占給水工程總投資的50%左右。近年來，我國化工工業(yè)迅速發(fā)展，一種新型的聚氯乙烯（UPVC）給水管已經(jīng)得到應(yīng)用。UPVC管與金屬給水管相比，具有重量輕、耐腐蝕、水力條件好、外表美觀、不生銹、施工安裝方便、造價低等優(yōu)點(diǎn)。而且具有足夠的強(qiáng)度，在正常情況下可以使用50年以上。UPVC管與聚乙烯、聚丙烯給水管相比，在強(qiáng)度、耐燃性、耐老化、連接方法及價格方面也占有優(yōu)勢。因此，自40年代初德國研制成功后，50年代以來，在世界各國的給排水工程中廣泛應(yīng)用。
　　UPVC管在國外已大量用作給水管道，在西歐、美國、日本等國家的給水管道中UPVC管占20%-50%。我國UPVC管的應(yīng)用起步較晚，作為給水管道的用量很小。因此，開發(fā)應(yīng)用UPVC管代替金屬給水管材，以塑代鋼、節(jié)約金屬材料，降低成本意義重大。

1. UPVC管的發(fā)展前景

　 目前我國UPVC工業(yè)還落后于世界先進(jìn)水平，但經(jīng)過“七五”的技術(shù)引進(jìn)以及消化吸收，UPVC生產(chǎn)工業(yè)已初具規(guī)模，UPVC產(chǎn)品已應(yīng)用于許多領(lǐng)域。根據(jù)國家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的要求，我們對UPVC給水管開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了工程試點(diǎn)研究。
　　我們充分考慮了我國幅源遼闊，地形及土質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)，選擇了青島、內(nèi)蒙、青海、成都、天津等具有代表性工程試點(diǎn)單位，鋪設(shè)了49公里的UPVC給水管道工程。根據(jù)對ф350mm以下管材的統(tǒng)計，UPVC管與鑄鐵管在相同管徑和相同長度時，UPVC管的重量僅為鑄鐵管的20%～30%，價格比鑄鐵管低6%～12%，運(yùn)輸費(fèi)用可降低20%～60%。施工費(fèi)用可比鑄鐵管降低50%～70%，安裝工時節(jié)省60%～75%。由于UPVC管內(nèi)壁光滑不結(jié)垢，水力摩阻小，輸送能耗相同時，輸水能力可較鑄鐵管提高30%～50%，若輸送流量相同時，可節(jié)約輸水能耗40%～50%。
　　總的工程投資的降低幅度，因各地的工程試點(diǎn)具體條件而不同，但是平均可降低工程投資15%～25%，同時大大降低工人的勞動強(qiáng)度，簡化施工設(shè)備，節(jié)省鋼材，使UPVC管的應(yīng)用產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2. UPVC管的衛(wèi)生性能

　　UPVC管在制造過程中為了防止樹脂受熱分解，提高UPVC管的性能，需要加入一些鉛穩(wěn)定劑。鉛穩(wěn)定劑本身并不與聚氯乙烯大分子化合，但它具有防熱、防光、以及抗老化的性能。當(dāng)鉛穩(wěn)定劑與聚氯乙烯樹脂充分混合并停留在分子結(jié)構(gòu)中時，可以改善UPVC管的性能。
　　UPVC管中停留的鉛穩(wěn)定劑是不斷地運(yùn)動，在濃度差推動下，從高濃度處遷移至低濃度處，當(dāng)UPVC管內(nèi)充滿水時，首先管壁表面的鉛穩(wěn)定劑擴(kuò)散入水中，濃度降低。管內(nèi)部的鉛穩(wěn)定劑就會向表面遷移，達(dá)到平衡。實(shí)驗(yàn)證明其擴(kuò)散入水中的鉛濃度和UPVC管與水接觸時間有關(guān)。
　　即

　　Mt=Kmf（M_∞.t）　　 （1）

　　式中：M_t——日擴(kuò)散入水中鉛濃度，mg/1d；
　　 　　 K_m ——鉛擴(kuò)散速率的特征常數(shù)；
　　　　　M_∞ ——無窮長時間后擴(kuò)散入水中的鉛濃度總量，mg/l；
　　　　　t ——UPVC管與水接觸的時間，d。
　　為了探討UPVC管擴(kuò)散入水中鉛濃度的規(guī)律，試驗(yàn)中取一段UPVC管在室溫條件下，用自來水浸泡，每隔24小時將水倒出測定水中鉛濃度。然后換新鮮自來水繼續(xù)浸泡，24小時后再倒出測定，如此類推，測定結(jié)果如圖1。

　　我們將試驗(yàn)中的大量數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，通過整理得到一組UPVC管每日擴(kuò)散入水中鉛濃度的經(jīng)驗(yàn)方程：

 　　　 （2）

　　式中：D——UPVC管直徑，mm；
　　　　　t₁——UPVC管與水接觸的時間，d；
　　　　　Mt、Km、t——同前。

　　由于UPVC管中殘留一定數(shù)量未反應(yīng)的氯乙烯單體（VCM），當(dāng)常溫、常壓下，管中的VCM與水中的VCM濃度不同時，在濃度差的推動下將會擴(kuò)散入水中。試驗(yàn)證明其擴(kuò)散速率G與VCM濃度成正比。
　　即

_G=K1(Cs-CL)　　　　　　　　　　 （3）

　　式中：G——VCM的擴(kuò)散速率， _G=-dc/dt ，mg/1d；
　　　　　K₁——VCM擴(kuò)散速率常數(shù)，1/d；
　　　　　C_S——固相中VCM含量，mg/kg；
　　　　　C_L——液相中VCM濃度，mg/l。
　　考慮到UPVC管擴(kuò)散入水中VCM是一極緩慢的過程，UPVC管中的水又是連續(xù)流動的，擴(kuò)散到水中VCM濃度與固相中VCM含量相比極小（C_S >> C_L），可以忽力學(xué)C_L，則式（3）可化簡為：
　　　　　　　　G=K₁Cs=K₁C
　　式中：C——UPVC管中殘留的VCM含量，mg/kg。
　　將擴(kuò)散速率G=-dc/dt代入上式得：

_-dC/dt=K1C 　　　　　　　　　　　　　 （4）

　　式（4）積分：



　　考慮外界因素的影響，引入系數(shù)K值得：

_{Ct=K.C0.e^kit} 　　　　　　　　　　　　 （5）

　　式中：C_t——日擴(kuò)散入水中VCM濃度，mg/l；
　　　　　 t——UPVC管與水接觸的時間，d；
　　　　　C₀——UPVC管中殘留VCM含量，mg/kg；
　　　　　K——系數(shù)，受外界因素的影響。

　 試驗(yàn)中取一段UPVC管在室溫條件下用自來水浸泡，每隔24小時將水倒出測定水中VCM濃度。然后換新鮮自來水繼續(xù)浸泡，24小時后再倒出測定，如此類推，測定結(jié)果如圖2。

　 將試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，通過整理得到與前理論推導(dǎo)的擴(kuò)散方程基本一致的經(jīng)驗(yàn)方程：

 　Ct=120.52(KC₀/D)e^{-7.1783k1(t+27.3)0.0415}　　　　　　　　 （6）

　　式中：D——UPVC管直徑，mm；
　　　　　t——UPVC管與水接觸的時間，d；
　　　　　C_t、K、C₀、K₁——同前。
　　經(jīng)驗(yàn)方程（2）和經(jīng)驗(yàn)方程（6）表明，由于UPVC管內(nèi)殘留一定數(shù)量的鉛穩(wěn)定劑和VCM，在使用時將擴(kuò)用到水中，但其數(shù)值很小，不會對水質(zhì)產(chǎn)生污染。

3. UPVC管的強(qiáng)度

　　UPVC管的強(qiáng)度受到各種因素的影響，如生產(chǎn)設(shè)備性能、配方、生產(chǎn)工藝、模具設(shè)計和使用年限等。
　　目前我國UPVC管生產(chǎn)的主要設(shè)備是引進(jìn)的雙螺桿擠出機(jī)，它可大大減少物料熱歷程，輸送效率高。排氣系統(tǒng)使加工過程中的一些低分子化合物（如VCM）排除，避免殘留管材中。雙螺桿擠出機(jī)彌補(bǔ)了以往使用的單螺桿擠出機(jī)的許多不足之處，生產(chǎn)UPVC管的機(jī)械性能指標(biāo)優(yōu)于單螺桿擠出機(jī)（表1）。
　　通過對雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)的UPVC管進(jìn)行電鏡掃描，管材中看不到初級粒子，粒子間的邊界消失，看不到空間，這種高度凝膠化的結(jié)構(gòu)大大提高了管材的強(qiáng)度。
　　由于UPVC管的生產(chǎn)溫度和分解溫度接近，且流動性又差，因此配方中的穩(wěn)定劑、潤滑劑的含量多少很重要，既要考慮到加熱穩(wěn)定性，又要考慮加工的順利。

表1 不同擠出機(jī)的管材機(jī)械性能對比

　　　　 項(xiàng) 目

類 別

拉伸強(qiáng)度kg/cm²

伸長率%

沖擊強(qiáng)度kg cm/cm²

彎曲強(qiáng)度kg/cm²

單螺桿擠出機(jī)

439

58

38

814

雙螺桿擠出機(jī)

543

63

57

922

　　加工模具是管材成型的重要部件，其各部分的參數(shù)合理與否都會影響管材的強(qiáng)度。特別是分流筋的長度、數(shù)量在保證足夠強(qiáng)度前提下應(yīng)盡量減少。要有適當(dāng)?shù)膲嚎s比，平直部分長一些，有利于提高管材強(qiáng)度。
　　UPVC管使用的年限和環(huán)境溫度也影響管材的強(qiáng)度，環(huán)境溫度過高和使用時間的延長，UPVC管的強(qiáng)度隨之降低（表2，表3）

表2 環(huán)境溫度對管材強(qiáng)度的影響 　　單位：kg cm/cm²

環(huán)境溫度（℃）

20

30

40

50

60

沖擊強(qiáng)度

47.3

42.3

37.4

26.1

25.7

表3 使用年限對管材強(qiáng)度的影響　 單位：kg cm/cm²

使用年限（年）

10

20

30

40

50

沖擊強(qiáng)度

37.7

31.8

27.7

26.1

25.7

4. UPVC管的設(shè)計與施工

4.1 水力計算
　　UPVC管在輸水中節(jié)能，是因?yàn)楣鼙诒砻婀饣?，水力條件好，將UPVC管與鑄鐵管進(jìn)行水力學(xué)方面比較，可知UPVC管優(yōu)于鑄鐵管。從理論上計算，在管徑相同的情況下，輸送的流量相同時，UPVC管較鑄鐵管節(jié)省輸水能耗50%。
　　UPVC管的水力計算國內(nèi)尚無統(tǒng)一的計算公式，我們參考有關(guān)資料認(rèn)為，UPVC管的水力計算可采用其它管材的通用公式，但考慮到UPVC管具有的特性，對公式中的水力摩阻系數(shù)作一些修改。
　　UPVC管沿程水力坡降可按下式計算：

　　　　　　　　i=λ(1/D)(V²/2g)　　　　　　　　　　　　　 （7）

　　式中：i——沿程水力坡降；
　　　　　λ——水力摩阻系數(shù)；
　　　　　D——UPVC管直徑，m；
　　　　 V——平均流速，m/s；
　　　　 G——重力加速度，m/s²。
　　公式中的水力摩阻系數(shù)λ與管材材質(zhì)和液體流態(tài)有關(guān)，當(dāng)UPVC管作為給水管使用時，水力摩阻系數(shù)λ可按下式計算：

　　　　　　　　λ=(0.304/Re^0.229) 　　　　　　　　　　　　　 （8）

　　式中：Re——雷諾數(shù)。
　　可由下式計算：

　　　　　　　Re=VD/γ 　　　　　　　　 　　　　　　（9）

　　式中：γ——運(yùn)動粘滯數(shù)，m²/s。
　　為防止管內(nèi)水錘的發(fā)生而使管材破壞，管內(nèi)的水流速度應(yīng)限制在2.5m/s以內(nèi)。當(dāng)預(yù)計流速可能發(fā)生突然變化時，還應(yīng)考慮水錘壓強(qiáng)，其計算可按水力學(xué)有關(guān)公式進(jìn)行。
4.2 施工安裝
　　UPVC管的剛度和強(qiáng)度與鑄鐵管相比要低一些，所以施工安裝應(yīng)根據(jù)UPVC管本身的特點(diǎn)合理操作，保證施工質(zhì)量。
　　UPVC管是一種熱塑性材料，具有很高的熱膨脹系數(shù)是鑄鐵管的5-6倍，設(shè)計施工中需注意。
　　一般埋地敷設(shè)時，管材不直接暴露在大氣中，且覆蓋的土壤具有一定的絕熱性能，防止了溫度的迅速變化。如果相對溫度變化不大時，可不必設(shè)置伸縮節(jié)。如在地面敷設(shè)時，管材直接暴露在大氣中受氣溫變化的影響大，導(dǎo)致UPVC管伸縮。一般當(dāng)直線管道長度超過30m，氣溫變化大于15℃時，就必須采取措施，設(shè)置伸縮節(jié)以消除膨脹，保證管材的正常使用。
　　根據(jù)UPVC管的性能，連接方式也與鑄鐵管有所不同，表4列出了UPVC管和鑄鐵管的不同連接方式。

表4 UPVC管和鑄鐵管的連接方式

管材

連接方式

UPVC管

溶劑粘接、橡膠圈連接、螺紋連接、法蘭連接

鑄鐵管

橡膠圈連接，剛性填料連接

　 UPVC管由于重量輕、安裝簡單，勞動強(qiáng)度低，尤其是溶劑粘接和橡膠圈連接，只要2～3人配合作業(yè)，就可完成整個連接過程，施工效率很高，因此倍受歡迎。

5. 結(jié)論

　 UPVC管是一種新型的給水管材，在我國給水工程中的應(yīng)用還剛開始。我們通過對國內(nèi)十幾家單位的工程試點(diǎn)，取得了一些具有代表性的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明UPVC管應(yīng)用于給水工程是可行的。同時UPVC管還具有鑄鐵管無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是緩和我國目前鋼材緊缺，能源緊張的一種非常理想的管材，值得大力推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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　　[4] 劉燦生，韓洪軍.硬聚氯乙烯管擴(kuò)散入水中氯乙烯單體的試驗(yàn)研究.中國給水排水，1990（2）