塑料管材的應用現(xiàn)狀及分(fēn)析
許多文章也(yě)都從不同的角度對塑料管及塑料複合管作(zuò)了(le)介紹。筆者将從整個(gè)供水系統的角度，對目前已知的塑料管及塑料複合管進行分(fēn)析。
1、供水系統中管材的應用現(xiàn)狀為(wèi)方便起見，我們将城鎮居民(mín)用水的供應體(tǐ)系簡化(huà)如(rú)所示。按此劃分(fēn)，我們又将從水源地到水廠、水廠到管網的用管稱作(zuò)輸水管，将管網及從管網到用戶建築物的用管稱做配水管，将進入用戶建築物的用管稱作(zuò)給水管。
網輸就(jiù)網H網間(jiān)城鎮居民(mín)用水的供應體(tǐ)系目前在供水管網系統中采用的管材，主要有鑄鐵管、球墨鑄鐵管、鋼管、鍍鋅鋼管及鋼筋混凝土(tǔ)管等。塑料管的應用還不普遍，目前國家标準中隻對硬聚氯乙烯管（PVC-U管）及高密度聚乙烯管（HDPE管）作(zuò)了(le)規定。一(yī)般說(shuō)來(lái)，鋼管的力學性能(néng)良好(hǎo)(hǎo)，但(dàn)在埋地敷設時(shí)還需進行外防腐處理(lǐ)，造價較高；鑄鐵管力學性能(néng)不如(rú)鋼管，但(dàn)耐腐蝕較鋼管強，價格較便宜；球墨鑄鐵管的力學性能(néng)與鋼管大緻相當，耐腐蝕性好(hǎo)(hǎo)于鋼管，但(dàn)目前國内的産量還不夠大，價格也(yě)較貴；鋼筋混凝土(tǔ)管的力學性能(néng)較低(dī)，耐腐蝕性能(néng)很好(hǎo)(hǎo)，價格便宜，缺點是密度大，搬運時(shí)損壞率高，缺乏配套管件。以上(shàng)幾種管，除了(le)混凝土(tǔ)管外，均可對内部傳輸的水質造成污染，目前采取的預防措施是在其内部用水泥沙漿處理(lǐ)或襯塑處理(lǐ)，但(dàn)這(zhè)兩種方法對小U徑管不太适合。表1給出了(le)目前常用管材的類型、所執行的标準、公稱直徑、工作(zuò)壓力。
2、給水系統中塑料管材的應用現(xiàn)狀目前在給水系統中可以采用的塑料管材及塑料複合管材主要有PVC-U管、HDPE管、交聯高密度聚乙烯管（HDPX管）、聚丙烯管（PP管）、聚丁烯管（PB管）、ABS管、金(jīn)屬襯塑管、鋁塑複合管等。以下(xià)分(fēn)别介紹這(zhè)些(xiē)管材的主要特點。
管材對PE管材的深人(rén)研究應歸功于對傳輸燃氣的需求。随表1常用管材的類型、所執行的标準、公稱直徑、工作(zuò)壓力管材類型标準編号公稱直徑/run預應筋混凝土(tǔ)管一(yī)階段三階段自混應凝力土(tǔ)鋼管筋鑄鐵管連續鑄造水壓試驗壓力LAAB2.0離心砂模水壓試驗壓力PG2.02.51.52，0球墨鑄鐵管連續鑄造離心砂模水壓試驗壓力3.0水壓拭驗壓力3.0鋼管缧旋焊接鋼管鍍鋅焊接鋼管焊接鋼管水壓試駿壓力2，5水壓試驗壓力：2.5，3.0水壓試驗壓力：2.5，3.0着技術的發展，10餘年來(lái)PE性能(néng)獲得很大提高。在ISO12162及ISO的塑料給水管系統中，HDPE管以其優良的物理(lǐ)力學性能(néng)獲得廣泛的應用。PE管材無毒、耐腐蝕、柔韌性高、耐低(dī)溫性能(néng)好(hǎo)(hǎo)、施工安裝方便，可采用多種方法熔焊連接，整體(tǐ)密閉性極佳。近些(xiē)年來(lái)在歐美一(yī)些(xiē)工業發達國家，PE管開始超過PVC-U管占居首位，1997年歐洲各種塑料給水管材所占比例見表2；表21997年歐洲各種塑料給水管材所占比例管材類型飲用水采暖/室内用管4427标準中，根據管材的最低(dī)允用強度（MRS）将PE材料五個(gè)等級。從PE32到PE100，材料的性能(néng)有很大提高，不僅是短期力學性能(néng)，更重要的是長期耐壓能(néng)力及抗裂紋快(kuài)速擴張性能(néng)（RCP）都得到很大提高。研究表明，溫度越低(dī)，管徑及壁厚越大，工作(zuò)壓力越篼，熱塑性塑料管的裂紋快(kuài)速擴張的危險越大。與其它熱塑性塑料管材相比，PE管材具有最佳的長期耐壓能(néng)力及抗裂紋快(kuài)速擴張性能(néng)。因此，在大口徑管材傳輸領域，PE管具有獨特的優勢。從國際标準看，PE管的可以使用的直徑範圍最寬。
用壽命時(shí)的最大工作(zuò)壓力為(wèi)1.6MPa.同時(shí)規定，PE管可以在40以下(xià)溫度範圍使用，如(rú)使用溫度升高，工作(zuò)壓力應該用折減系數予以降低(dī)。折減系數的選用在ISO13761和ISO4427中有明确的規定。
3、PE材料耐溫性能(néng)不好(hǎo)(hǎo)，不能(néng)作(zuò)為(wèi)熱水管使用，這(zhè)使得PE管材應用受到限制。
管PVC-U管以優良的力學性能(néng)及經濟性，作(zuò)為(wèi)給水管具有較強的優勢。在一(yī)些(xiē)工業發達國家PVC-U管材的消費已占塑料管材市(shì)場(chǎng)的80%.1997年歐洲PVC-U管材的消費結構如(rú)表3所示，在25下(xià)，PVC-U管具有50年預期使用壽命時(shí)的最大工作(zuò)壓力為(wèi)2.5MPa.同時(shí)規定，PVC-U管可以在451以下(xià)溫度範圍使用，如(rú)使用溫度升高，工作(zuò)壓力應該用折減系數予以降低(dī)。
PYC樹脂耐溫性不佳，PVC管材不能(néng)作(zuò)熱水管，這(zhè)是PVC管材作(zuò)為(wèi)給水管的主要缺陷。另外，PVC-U的抗裂紋快(kuài)速擴張性能(néng)不佳，已有因水錘效應而導緻輸水輸氣管破裂的報(bào)道。因此，在大口徑高壓力的傳輸方面使用PVC-U管應慎重。
為(wèi)改善PE材料的耐溫性能(néng)，人(rén)們通過交聯技術使其改性。交聯改變了(le)PE大分(fēn)子(zǐ)間(jiān)的作(zuò)用力，由原先僅存的晶格力及範德華力改變為(wèi)某些(xiē)大分(fēn)子(zǐ)間(jiān)産生(shēng)了(le)化(huà)學鍵力。由此，其宏觀性能(néng)也(yě)有了(le)很大變化(huà)，主要體(tǐ)現(xiàn)在材料的耐蠕變性能(néng)、耐溫性能(néng)、耐環境應力開裂性能(néng)、耐化(huà)學藥品性能(néng)、耐磨性及對缺口的敏感性等有了(le)很大改進。特别是，由于耐蠕變性能(néng)的提高使得其靜水壓性能(néng)尤其是高溫靜水壓性能(néng)大大改進。經過長期研究，HDPE管交聯及穩定化(huà)技術已比較成熟，并制定了(le)相關(guān)的技術标準。按照此标準，HDPE-X管可在70下(xià)連續使用50年。同時(shí)規定，HDPE-X管也(yě)可以在70~11（TC範圍使用，但(dàn)溫度升高後，使用壽命降低(dī)。顯然，HDPX管比HDPE管性能(néng)有很大提高，不但(dàn)可以滿足供冷水的要求，而且可以滿足供熱水的要求。
從現(xiàn)有交聯技術看，在生(shēng)産過程中産生(shēng)的廢品因已形成“不溶不熔”的網狀結構，因此很難再重新(xīn)粉碎後加以使用，這(zhè)就(jiù)提高了(le)生(shēng)産成本。另外從環境保護角度考慮，HDPX管不可能(néng)重複利用，管材報(bào)廢後除了(le)有報(bào)道可以經粉碎充分(fēn)細化(huà)後作(zuò)為(wèi)填料再改性PE使用外，隻能(néng)送去裂解成單體(tǐ)重新(xīn)利用。
PP管材PP管材由于其優異的性能(néng)，特别是相對PVC、PE管而言，不僅具有較高的強度，還有一(yī)定的耐溫性能(néng)。所以它是目前在給水/熱水管系統最有應用前景的管材。
15874标準m，無論是均聚聚丙烯（PP-H）、嵌段共聚聚丙烯（PP-B），還是無規共聚聚丙烯（PP-R），均可用來(lái)加工給水管，但(dàn)這(zhè)三種PP的性能(néng)不同，應注意區别。PP-H抗低(dī)溫性能(néng)不好(hǎo)(hǎo)，在環境溫度較低(dī)的場(chǎng)合應予以注意；PP-B的長期靜水壓性能(néng)，特别是高溫下(xià)的靜水壓性能(néng)不好(hǎo)(hǎo)，若要用于熱水管并滿足50年壽命，則必須增加壁厚，帶來(lái)經濟上(shàng)的不利因素。綜合性能(néng)較好(hǎo)(hǎo)的是PP-R.年。由于PP管的開發及應用時(shí)間(jiān)不長，人(rén)們對大口徑PP管的抗快(kuài)速裂紋擴張性能(néng)的研究還不夠充分(fēn)，因此，在大口徑高壓力的傳輸應用中尚存疑慮。
管PB作(zuò)為(wèi)一(yī)種材料最早出現(xiàn)于20世紀70年代初，它是由丁烯-1單體(tǐ)聚合而成的半結晶性塑料。由PB制造的管材PB管具有衛生(shēng)性能(néng)好(hǎo)(hǎo)，無毒無害，具有極佳的耐化(huà)學性，柔韌性好(hǎo)(hǎo)，耐高低(dī)溫性能(néng)好(hǎo)(hǎo)，抗蠕變性、抗環境應力開裂性和耐磨性優異。按照IS0/DIS15876标準w，PB管可在70尤下(xià)連續使用50年。
售管材級PB樹脂，并給用戶巨額賠償的PB管破裂事(shì)故的報(bào)道，已引起業内人(rén)士的極大關(guān)注。此事(shì)件對PB管材的推廣應用肯定會産生(shēng)巨大影響。
鋁/塑複合管鋁/塑複合管是一(yī)種中間(jiān)由薄鋁闆焊接成封閉管狀，由熱熔粘合劑将其與内外壁塑料粘合成一(yī)體(tǐ)的複合管材。内外壁可以都是PE（以HDPE居多）或（PEOC），也(yě)可以内壁是PX，外壁是HDPE.作(zuò)為(wèi)一(yī)種新(xīn)型複合管材，鋁/塑複合管無疑是一(yī)種頗具特色的優秀管材。除了(le)具有其它塑料管相似的優點外，它還具有氣體(tǐ)阻隔性好(hǎo)(hǎo)，在施工中可以随意彎曲定型而不需彎頭的獨特優點按照ASTMF1282标準w，PE/A1/PE複合管在23下(xià)具有50年預期使用壽命時(shí)的最大工作(zuò)壓力為(wèi)1.38MPa，在601下(xià)的最大工作(zuò)壓力為(wèi)1.10MPa；按照ASTMF1281标準，PEX/A1/PE-X複合管在231下(xià)具有50年預期使用壽命時(shí)的最大工作(zuò)壓力為(wèi)1.38MPa，在60下(xià)的最大工作(zuò)壓力為(wèi)1.10MPa，在83下(xià)的最大工作(zuò)壓力為(wèi)0.86MPa.但(dàn)鋁/塑複合管存在一(yī)些(xiē)緻命的弱點，應引起重視(shì)。首先是回收困難。按照鋁/塑複合管的要求，為(wèi)保證鋁層與塑料層之間(jiān)具有足夠的粘合力，需要加人(rén)粘合劑層。這(zhè)就(jiù)給人(rén)們對塑料與鋁的分(fēn)離造成困難。另外，即便将來(lái)開發出将塑料皮與鋁皮分(fēn)離的方法，由于粘合劑的混人(rén)也(yě)會對塑料層的再次利用帶來(lái)困難。目前尚未見有可以良好(hǎo)(hǎo)回收再利用的報(bào)道。其次，在大口徑範圍，經濟上(shàng)失去競争性。因此，在ASTMF1281、F1282标準中規定的最大管徑為(wèi)32mm，在ASTMF1335中規定的最大管徑為(wèi)50mm. 3給水系統中塑料管材的選取及分(fēn)析從整個(gè)給水系統看，究竟何種塑料管材能(néng)占優勢呢(ne)，針對不同的應用場(chǎng)合及不同的要求應選用不同的管材。選取的主要依據是：對管材的性能(néng)要求、口徑的大小、價格，以及材料對人(rén)類居住環境的影響等。對塑料管材來(lái)說(shuō)，使用要求主要有：（1）在工程要求的壽命前提下(xià)的力學性能(néng)，例如(rú)，對一(yī)般民(mín)用建築來(lái)說(shuō)能(néng)否在滿足50年使用壽命的要求下(xià)滿足給水壓力、溫度的要求，承受外部載荷及撞擊的要求；（2）施工安裝是否方便，系統的整體(tǐ)性是否良好(hǎo)(hǎo)；（3）是否對水質産生(shēng)影響等。還應考慮管材的口徑大小，傳輸介質的内壓、溫度等因素可能(néng)産生(shēng)的問題。
目前，在輸、配水系統中主要使用鋼筋混凝土(tǔ)管、鑄鐵管、鋼管，GB 13标準建議(yì)采用鋼筋混凝土(tǔ)管；在建築給水系統中主要使用鑄鐵管、鍍鋅鋼管，GB15标準中規定，在管徑矣150mm時(shí)應采用鍍鋅鋼管，當管徑> 150nun時(shí)，可采用鑄鐵管。同時(shí)規定，對埋地敷設的配水管，在管徑>75mm時(shí)，宜采用鑄鐵管。
1990年間(jiān)的調查表明，到1990年為(wèi)止，灰鑄鐵管應用最廣，約占全部新(xīn)鋪管道的3/4以上(shàng)，且大部分(fēn)是剛性接口的連續澆鑄灰鑄鐵管。在新(xīn)增管道中，直徑小于400mm的約占總數的3/4.用于大口徑的管道1000）以鋼管和鋼筋混凝土(tǔ)管為(wèi)多。自應力鋼筋混凝土(tǔ)管、球墨鑄鐵管、塑料管應用不多，其總量約占3%.根據以上(shàng)情況，針對塑料管的特點，近期塑料管取代的應是直徑為(wèi)400mm以下(xià)的鑄鐵管和鍍鋅鋼管。大緻可劃分(fēn)為(wèi)小于150mm的建築給水管及大于150mm的輸配水埋地管兩大部分(fēn)。
4、分(fēn)析及結論結合傳輸介質的溫度及可能(néng)存在的技術問題，我們大緻可作(zuò)出如(rú)下(xià)結論，PE、PV（M管均可滿足無論是輸配水系統的大口徑應用及建築給水系統的冷水輸送，而PP、PEX、PB管均可滿足建築給水系統輸送冷熱水的要求。
考慮到人(rén)們對PVC-U管材的毒性的擔心及可能(néng)存在的大口徑管道的快(kuài)速裂紋擴張問題，在輸配水系統中以PE管為(wèi)佳；在建築給水中若隻考慮輸送冷水，則也(yě)選PE為(wèi)佳，這(zhè)樣整個(gè)管網系統均由同一(yī)種材質管材構成，對設計、施工、安裝均較為(wèi)方便。若考慮在建築用管傳輸冷熱水均采用同一(yī)種管，則采用PP管為(wèi)佳。PE>X、PB管價格較高，且PB管表4常用塑料管材所執行的标準及相關(guān)數據标準編号公稱直壓力溫度最高年材類型限/a未規定管未規定管PP管PB管鋁塑複合管矣95還有可能(néng)破裂的問題。
PP管目前價格較高，主要是因為(wèi)管材級PP樹脂目前全部依賴進口，國内各大石化(huà)企業目前還不能(néng)生(shēng)産。但(dàn)生(shēng)産管材級PP并不存在很大的技術難點，國内許多石化(huà)企業已将此樹脂列入開發生(shēng)産計劃，可以預料在今後1-2年，國産管材級PP樹脂定會問世。
從以上(shàng)分(fēn)析可以看出，PE管材除耐溫性能(néng)不佳外，是最優秀的管材。如(rú)果某種管材既保存了(le)FE管材的優點又使其能(néng)在高溫下(xià)使用，其市(shì)場(chǎng)前途無量。由哈工大、航天工業部開發技術制備的金(jīn)屬骨架增強塑料管即是能(néng)滿足此要求的最新(xīn)型管材。目前已有的金(jīn)屬骨架由鐵絲/或帶孔鐵皮制成，塑料是HDPE，但(dàn)原則上(shàng)講還可以由其它材料複合而成。
僅目前的由鐵絲與HDPE複合而成的管材而言，它已具備相當的優點：①由PE材料提供的良好(hǎo)(hǎo)傳輸性能(néng)，抗垢防腐防黴性能(néng)；②由鐵絲提供的良好(hǎo)(hǎo)的力學性能(néng)，耐溫性能(néng)及尺寸穩定性；③不存在裂紋的快(kuài)速擴張；④已經設計開發了(le)這(zhè)種管材的回收利用工藝，使管材料可以多次使用。當然，由于金(jīn)屬骨架增強複合管的開發及應用還剛剛起步，有許多問題還尚待研究。
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