水电之家讯:供水管网具有使周期长(30年或更长)、检修和改造难度大、事故不易察觉(埋在地下)的三个特点。供水管网的安全可靠有两方面的含义:一是管网不间断供水,尽量避免管道破裂、漏损,甚至爆管;第二是管网输送的自来水水质,不因管道自身的原因(如管道生锈),影响管网水质。就是在管网输配水过程中,管网水质不能有太大的变化;从水厂到用户,顺利到达,同时满足水量和供水服务压力。在管道工程中,有各种材质不同的管道,应用范围较广。由于技术进步,制造供水管道所用的材料不断在发展,新型供水管材的性能有了较大的改进。从供水管网安全可靠两方面的要求,一是不间断供水,二是管网水质要安全可靠),这个要求也是实际应用的要求,以此讨论新型供水管材的应用和发展。
一、金属管道
在早期建设的输配水管网中,使用过铅管,这是一种抗腐蚀较好的金属管道。在铅管表面形成的氧化膜一直被认为是无毒的。随着分析仪器的进步,可以测定出微量元素,终于弄清了铅会从铅管中析离出来。当存在氧的情况下,PH值低于7时,便会有微量的铅析出。随后,小口径镀锌钢管道替代了铅管。现在分析管网输配水过程中的水质变化,可以发现,导致管网水质降低的主要原因是小口径镀锌钢管,特别是用户内部管道。一方面,在用的小口径镀锌钢管时,很少采用衬涂等保护性措施,用户内部管道的管材质量较差;另一方面,小口径管道多处于管网末梢,管道内流速慢,滞留时间长,二次供水设施管理和维护不善。因此,小口径镀锌钢管已由塑料管和复合管道来取代它。
1、铸铁管
是人们最熟悉,也是使用较广的一种管道。铸铁是铁(Fe)和碳的合金,碳在铸铁中的质量分数要高于2.11%,含碳量低于这个比例,就是低碳钢。采用低碳钢制作的钢管,加工和安装比较方便。钢管的各项力学性能优于其他管道,但是它的耐腐蚀性却很差。钢管的使用寿命为20—30年,铸铁管的寿命可达80~100年。由于钢管的表面防腐处理比较麻烦,防腐成本高,一般只在特殊地段采用钢管(现已大量使用)。
2、球墨铸铁管
是通过加热和冷却的整体热处理方法,来改变管材的性能。例如将球墨铸铁管放在加热炉内,加热到830℃,然后让管道和加热炉同时冷却到室温。这种管道和加热炉随炉冷却的整体热处理方法,叫“退火”。这种方法提高了球墨铸铁管的冲击韧性。比较球墨铸铁管和灰口铸铁管的金相分析照片,可以看到球化的石墨(碳)和丝状石墨(未球化的碳):灰口铸铁管由于原材料和生产工艺的原因,含有大量的渗碳体和球光体,管道断口能看到白口组织(俗称灰口),管材性能不如球墨铸铁管。
3、普通铸铁管与球墨铸铁之比较
随着铸铁管生产工艺的发展和技术进步,时至今日,离心球墨铸铁管已成为世界上最主要的铸铁管生产工艺。国内使用的灰口铸铁管已逐渐向离心球墨铸铁管转移。球墨铸铁管不仅应具有较高的抗拉强度,同时应具有较高的延伸率。按照国际标准IS02531的要求,球墨铸铁管的抗拉强度≥420MPa,DN40—DNl00mm的管道,延伸率≥10%,DNl200—2600mm的管道,延伸率≥7%。灰口铸铁管由于不要求管道的延伸率,对铁水原料的有害成分的控制范围较宽。如下表:
球墨铸铁管和灰口铸铁管的化学成分比较(%)表1
碳(C)硅(Si)锰(Mn)磷(P)硫(S)
球墨铸铁管3.5~3.61.6~1.80.2~0.4≤0.04≤0.02
灰口铸铁管3.3~3.81.4~2.60.6~~0.9≤0.3≤0.10
二、塑料管道
常用于供水管网中的塑料管道可分为两类:一类是聚烯烃材料:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB),这类塑料管道适用于熔合(加热)连接。
另一类是氯乙烯材料:聚氯乙烯(PVC),硬质聚氯乙烯(U—PVC)、过氯化聚氯乙烯(C—PVC),适用于粘接(胶水)连接。现分述如:
1、PVC类塑料管
PVC和PE管道在20世纪60年代,同时应用于供水管道工程。在应用初期,PVC管道的连接方式比较简单,小口径PVC管道采用胶水,粘接连接,中等口径的PVC管道采用承插接口,使用橡胶圈密封,是一种较理想的柔性接口。因此在20世纪90年代以前PVC管道的应用范围较广。对于推广初期的PE管道,采用加热连接的方法,施工不方便。早期的PE管,由于材料性能的限制,抗压强度和抗开裂性能都不好。为了承受外压和内压,PE管道的口径越大,管壁就越厚。因为较厚的管壁才能保证管道有足够的刚度。大口径的PE管道,管壁相对厚,材料用量增加,加大了成本。因此,推广初期的PE管,一般不超过DN300mm,主要用于户内管道和配水管网。
聚氯乙烯(PVC)通常是多组分的塑料,PVC在热、氧、光作用下,结构会发生变化。因此,PVC加工中一定要加入稳定剂。为了改善PVC管道的表面性能,减少管道的收缩性能和着色等目的,还需加人其他加工助剂、填料和颜料等。管道中常用的U—PVC,就是为了改善PVC脆而硬的性能,在生产中加入增塑剂。增塑剂含量在0—12%范围内的PVC管道,称为U—PVC管道。
C—PVC是由PVC进一步氯化而得的产物,C—PVC和PVC的材料区别是氯含量的不同,C—PVC的氯化程度较高。一般PVC的氯含量为56.7%;C—PVC氯含量为63—74%。这是各生产厂家的氯化方式和生产技术水平不同而造成的。由于C—PVC氯含量的增加,C—PVC管道的抗老化性能和耐压性能均有较大提高。可以这样看,C—PVC管道是传统U—PVC管道的改进和提高。
PVC管道由于施工简易、水力条件好,在供水管网中得到了广泛应用。随着环保的要求日趋严格,水质指标增加,考虑到健康、安全方面的因素,PVC管道在以下两方面受到质疑:1.PVC管道使用的添加剂中含有重金属,有一种稳定剂如酞酯酸,其中含有金属铅,铅有可能析入水中;2.PVC管道的含氯量过高,可能有负面影响。上述两方面的问题,使其他塑料管材,如PE(聚乙烯)和PP(聚丙烯)扩大了市场。
2、PE类塑料管
PE(聚乙烯)的原料来源丰富,从分子式结构(C2H4)看,PE的分子结构是聚合物最简单的一种。PE管道在发展中,不断克服自身的不足。PE管的加热熔接,要求一定的操作空间和熟练的操作技术。后来发明了电热接套管:就是两个管段或管件,通过一个电热焊接套筒相连接。这种连接方式用
于管沟内PE管的连接,或者施工空间狭小的地方。PE管道的材料性能也在改善,从PE63、PE80、到PEl00,将来会发展到PEll5。PEl00是指在20℃下,这种等级的PE材料使用50年后,能保持10MPa的最低强度(MRS);PE80为8.0MPa。
随着PE材料等级的提高,同样的管道,采用PEll5的管壁厚度,要低于采用PEl00的管道壁厚。在满足要求的前提下,PE管的壁厚变薄,减少了PE材料的用量,降低了成本,有利于PE管在大口径管道中的应用。PE管的连接都需要加热,还要求一定的冷却时间,每一次焊接都需要20分钟左右。口径越大的管道,加热和冷热时间越长。因此,PE管的安装工期相对长。
PE管在管道免开挖和旧管翻新中,有很高的市场占有率,因此,PE管经常应用于管道免开挖工程;由于PE(聚乙烯)的综合性能良好,是生产复合管道(铝塑复合管和钢塑复合管)的主要原料。复合管道将金属材料和塑料合理组合在一起,就可以充分利用金属良好的机械性能和塑料的防腐性能,从而保证供水管网的安全可靠性。
三、不同类型管材的发展
为满足供水管网安全可告运行的要求,管材的发展有两个方面:一是选用新型管材,限制和逐步淘汰不符合发展要求的旧管材。发展性能优良、耐腐蚀性能好的新型管材,根据实际要求,选择合适的金属或非金属管材;二是对管道表面采取保护措施,外部防腐和内部衬涂,以确保管网水质的安全。现分述如下:
l、铸铁管
在管道工程中,仍占有重要位置,特别是钢铁产量在今后几十年内不会下降(目前全世界产量7—8亿吨)。铸铁管的性能已有了大幅度的提高。国际标准IS02531中,离心球墨铸铁管的抗拉强度≥420MPa,已和低合金钢的强度差不多,但离心球墨铸铁管的耐腐蚀性能优于钢管。为了抗腐蚀和保证管网水质,铸铁管内部和外部的衬涂和防腐材料,都在改进和完善。
2、塑料管
会有更大的发展,PVC管道的材料性能还将改善,避免使用含有重金属的稳定剂。各种关于新型塑料的新技术,都在不断地推广使用。但塑料管的稳定性和老化问题仍是人们担心的。
3、先进的复合材料管
在20世纪曾得到很大发展,如预应力钢和筋混凝土管、PCCP管(钢筒混凝土管)和树脂基复合材料(玻璃管夹砂管GRP)在大口径输水管道工程中有应用。钢塑复合管和铝塑复合管,在小口径用户管道市场中有很大的需求。新型供水管材的发展,不是单纯的技术进步,还要考虑到市场竞争条件和市场取向问题。符合发展和环保要求的新型管材,还在不断被研发出来。
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