浅谈热塑性塑料管材的相关问题

何维华
(成都市自来水总公司)

　　近十年来，名目繁多的各种品牌的热塑性塑料管材及管件出现在市场上，有力地推动着市政工程的供水管材及建筑给排水管材的产品更新。

1、目前市场上热塑性塑料管材的状况

　　市场上的热塑性塑料管大体上分两大类别，也就是单一材质的塑料管及金属、塑料复合的管材。
1.1 单一材质的塑料管
1.1.1 聚氯乙烯管(PVC)
　　在给排水管道上主要使用的是不增塑的硬聚氯乙烯管(UPVC)，通常用于冷水管道上。另外，氯化聚乙烯管(CPVC)是通过氯乙烯树脂加工而得的一种耐热性好的塑料管，具有较好的耐热、耐老化、耐化学腐蚀性能，它特别适用于输送热水、污水、废液等介质。
　　UPVC管材通常可用粘接剂粘接，也可用胶圈柔性连接。这种管材是国内推广使用最早的、目前使用量最大的塑料管材。不少自来水公司已经把此类管材用于DN≤200mm的配水管道上，替代传统的灰铸铁管及镀锌钢管，但管材、管件连接基本上均采用胶圈柔性连接方式。
　　该管材在Φ16-710mm之内均有产品。
1.1.2 聚乙烯管(PE)
　　PE管材以密度区分，有低密度聚乙烯管(LDPE)、中密度聚乙烯管(MPVC)、高密度聚乙烯管(HDPE)。
　　LDPE管材的柔性、伸长率、耐冲击性能较好，耐化学稳定性和抗高频绝缘性能良好，主要用于农田排灌。HDPE管具有较高的强度及刚度，MDPE管还具有良好的柔性和抗蠕变性能，后两种管材，特别是HDPE管广泛用于城市燃气及供水管道上。
　　新修订的给水用PE管产品国标中，管材分PE63、PE80、PE100三个级别，它们在20℃下，在50年后还能保持最小强度达6.3MPa、8.0MPa、10.0MPa。对于允许最大设计应力分别为5MPa、6.3MPa、8MPa。目前国内产品的规格在Φ16-160mm之间，最大可达Φ400mm。
1.1.3 交联聚乙烯管(PEX)
　　交联聚乙烯是通过化学或物理方法，使普通聚乙烯的线性分子结构改性成三维交联网状结构，从而具有优良的温度适应性(-70-110℃)、耐压性(爆破压力6MPa)、稳定性和持久性(使用寿命达50年以上)、而且具有无毒、不滋生细菌等优点。但交联聚乙烯管内存水较久，略带异味。
　　交联聚乙烯的关键指标是交联度。德国工业标准16892/3规定必须大于65%。
　　交联聚乙烯管的制造通常有化学交联和物理交联两种方法。其中化学交联又分一步法和二步法两种。一步法是在聚乙烯原料中加入催化剂(硅烷、过氧化物)、抗氧剂，在挤出机挤出过程中交联，制造出交联聚乙烯管；二步法是先制造出交联聚乙烯A、B料，然后挤出交联聚乙烯管。物理交联方法，是聚乙烯原料通过传统方法制造成管材，然后通过电子加速器发出电子射线或钴60-γ射线照射聚乙烯管，激发聚乙烯分子链发生改变，产生交联反应，制造出交联聚乙烯管。
　　这主要用于室内热水管道和地面辐射采暖管道上。国内PEX管的供货规格在Φ10-32mm之间，少量达Φ63mm，交联聚乙烯原料需进口。连接管件一般采用夹紧式铜制接头或卡环式铜制接头，也有用ABS管件、聚甲醛管件、超高分子聚乙烯管件。
1.1.4 改性聚丙烯管
　　聚丙烯管(PP)虽然无毒，价廉，但抗冲击强度差，作为供水管材不理想，通过共聚合的方式使聚丙烯改性，提高了管材的抗冲击强度等性能。改性聚丙烯管有三种，即均聚共聚聚丙烯管(PP-H)、嵌段共聚聚丙烯管(PP-B)、无规共聚聚丙烯管(PP-R)。
　　此类管材柔软、易于安装、密封性好、耐腐蚀、使用寿命长。管件的连接采用熔接方式。
　　PP-R管是第三代改性聚丙烯，是用无规共聚法使PE在PP分子链中随机地均匀聚合，比其PP-B具有较好抗冲击性能、耐温度变化性能和抗蠕变性能。主要用于室内热水管道及地面辐射采暖系统。目前国内产品规格在Φ20-63mm之间。它是一种很有发展前景的新管材。
1.1.5 ABS管
　　ABS管是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体共聚物组成的热塑性塑料，具有质优耐用的特性。其中丙烯腈具有耐热性、抗老性、耐化学性；丁二烯具有耐撞击性、高坚韧性、低温特性不变的性能；苯乙烯具有施工容易及管面光滑之特性。管件连接采用冷胶溶接法，一般用于室内热水管道及水处理加药管道等方面。
1.1.6 聚丁烯管(PB)
　　聚丁烯管是一种高分子惰性聚合物，它具有很高的耐温性(可在-20℃～95℃之间安全使用)、持久性、化学稳定性、可塑性、具有独特的抗蠕变性能，无味、无毒的绿色环保材料，这种管材原料需要进口，据悉世界上能生产PB树脂的也只有两家公司。
　　PB管与管件的连接方式有三种方式，即铜接头夹紧式连接、热熔式插接、电熔合连接。主要用于室内冷热水及采暖供热管道上。
　　据相关资料报导，于70年代PB管广泛使用的美国，近十年管道出现了一系列快速开裂的爆破事故，这种事故是管材本身原因还是聚甲醛制造的管件质量问题尚无结论，据称美国已禁止推广使用此类管材，这应引起我们的注意。
1.2 复合式管材
1.2.1 铝塑复合管(PAP)
　　铝塑复合管是通过挤出成型工艺而制造出的新型复合管材，它由聚乙烯层(或交联聚乙烯)——胶粘剂层——铝层——胶粘剂层—聚乙烯层(或交联聚乙烯)五层结构构成。其中铝层分搭接焊、对接焊成型工艺。
　　管件连接主要是夹紧式铜接头，用于室内冷热水管道及地面辐射采暖系统上。目前市场上供货的规格在Φ14～32mm之间。
　　由于铜接头价格贵，还缩小过水断面，通常在室内安装时利用管材的柔软性，各用水端直接从主管分配器连接，减少接头数量及维修概率。
1.2.2 铝衬塑管
　　铝衬塑管材是指铝合金管材内衬聚乙烯管或聚丙烯管，它是一种双层结构的铝塑复合产品，目前市场上的规格在Φ10～65mm之间，主要适用于室内冷水管道。
　　与管材配套的管件也是双层结构的铝衬塑复合管件，它是一种采用胶圈密封的快装管件，这种管件由管件主体、密封卡套、锁紧环、锁紧螺母四部分组成。
　　管材及配套管件外形美观，对于室内明设的供水主管、支管均可选用，管道拆装方便，输送水质稳定。由于铝材的特性，不适用于腐蚀性的环境。
1.2.3 孔网钢带塑料复合管
　　它类同铝塑复合管，只是以多孔钢带焊接卷管替代薄铝带焊接卷管，它是以高密度聚乙烯为基体，以冲孔后的冷轧钢带焊接而成的网状钢管为增强体，经挤出成型连续复合而成，内外壁塑料通过金属骨架上的孔形成一体。这种管材具有三层结构，塑料与金属在管壁内相互包容，可避免塑料与金属骨架的分离与剥落。管道连接可采用套管件电熔焊连接，也可用胶圈管件快装连接，它具有钢管的机械强度，又具有塑料管的耐腐蚀性，可适用于DN≤200mm的配水管道及室内冷水主立管道上使用。此类管材安装时，切断的端面应作严格的防锈处理，但在今后管道不停水引接分支管时，孔口切面锈蚀问题就无法处理，这将是此类管材应用中的弱点。
1.2.4 钢衬塑复合管
　　它是在薄壁镀锌钢管内，经特殊过盈级配工艺复合—聚丙烯管，连接的管件类同上述铝衬塑管件，它可以使输配的水质不发生大的变化，管道装拆快捷，价格低廉，但管外壁及管端面的防腐问题没有根本解决。

2、热塑性塑料管的性能评述

2.1 优点
　　上述各种品牌的塑料管都分别阐述了它们的特点，归纳起来它们比传统的金属管材有如下一些共同优点：
　　(1)管材材质轻，有些管材仅为铁管重量的1/8～1/5。
　　(2)管材耐腐蚀，对于内壁而言，输送的水感观性好；对于外壁而言，不生锈，延长了管道的使用寿命。
　　(3)管材内壁光滑，流阻小，在相同规格及水头损失时，比金属管道提高输水能力达44%。
　　(4)同一管材连接方式多样，有配套的管件，有利于推广使用。
2.2 弱点
　　(1)塑料管材的原料品种少，国内原料根本无专用料，原料质量控制不太稳定，有些原料尚需进口。
　　(2)与金属管道相比，管材机械强度较弱，抗紫外线性能较差，埋地敷设及室内明装要有相应措施。
　　(3)管材线性膨胀系数较大，特别是复合管的多层结构之间线性膨胀系数不一，容易发生故障，应有相应的技术措施，对产品质量要求更为严谨。
　　(4)管材熔点相对较低，在建筑物出现火情时，管路容易出现故障。

3、热塑性塑料管应用中的点滴体会

3.1 管材分级规则
　　在1996年“给水用聚乙烯(PE)管材国家标准”的送审稿中，引用了《ISO/DIS12162》热塑性塑料压力管材管件用料的分级规则。
　　此种分级规则的基础是管材输送20℃水连续达50年使用寿命。
　　管材的设计允许压力值为管道最低要求应力除以管材设计系数。
　　由于各种管材设计系数不一，在管道最低要求应力相同的条件下，各类管材的设计允许压力值就不一致了。
　　由于我国多数塑料管材还没有引用这种分级规则，但在管道工压0.4～0.6MPa时，选择管材的压力级别一般为1.0MPa，有些城市选用达1.6MPa。当然，管材压力级别不同，管材壁厚等结构尺寸就不一，管材的价格也就不一样。
3.2管材价格的比较
　　热塑性塑料管类别较多，价格悬殊亦大，并且管材价格与管件价格的关系也不一致，如表1。在室内管路中，平均1m管长就有一个管件，管件价格对工程造价影响明显。

　　注：1、该价目表系成都市场价；

　　管材选用时，应考虑是室内安装还是室外安装；是明管还是暗管；是埋地还是架空；是一般工程还是级别较高的工程。
3.3 管材采购时外观的鉴别
　　市场上的管材的品种多，厂牌多，价格不一，采购时要注意厂家的可信度，对单一材质的塑料管要重点抽查管壁厚度是否符合标准要求，要观察出厂日期，出厂时间太久的管材不宜采购。对于复合管材，还要注意截面结构的均一性，粘合的可靠性及金属层焊接状况。作为输送自来水的塑料管及管件，应为蓝色或带有蓝色线条的黑色管及管件。
3.4 管材的堆放
　　塑料管材通常怕紫外线，应存放在库房或工棚内。有条理地摆放，堆叠高度适当，不使下层管材受压变形。
3.5 管材的连接
　　管材有多种类别，但连接方式归纳起来有四种，即胶合剂粘接、胶圈夹紧式连接、热熔式插接、电熔合连接。
　　针对UPVC管而言，采用粘接时应注意以下几点：
　　(1)管材与管件的配合间隙不大于0.2mm；
　　(2)胶合剂质量稳定；
　　(3)粘接操作过程规范、认真；
　　(4)管路粘接后应在24小时内不被振动；
　　(5)施工环境干燥，湿度较低；
　　(6)管路安装应考虑管材热胀冷缩的对应措施。
　　由于在施工中，上述各点落实上有一定难度，不少供水企业在安装UPVC管时，乐于使用胶圈柔性连接。但也应注意以下几点：
　　(1)胶圈材质符合要求；
　　(2)逗管操作时，注意轴线一致，用力匀称；
　　(3)管材接口工作面清洁，并涂润滑剂，选择润滑剂时，一则对人无害，二则对胶圈无损；
　　(4)柔性连接的三通、弯管的受力面应作挡墩；
　　(5)逗接过程应保持内留一定间隙。
　　对于HDPE管材而言，通常采用电熔合连接。它是将电阻丝预先埋在管件中，在施工现场，只需将专用焊接仪的插头与管件的插口连接，便可将管件与管材熔合在一起，它要求管材与管件配合间隙适当，接触部位干净；HDPE管可以注塑热熔管件现场用热熔承插焊机对接方式连接；也可用热熔对接焊机将两管端面热熔后对接，其中较大口径管件是用多角焊机加工成型。由于后两种连接方法容易，管件便宜，有利于管材的推广。
　　复合管材的连接，多数采用金属管件或聚甲醛管件，以胶圈夹紧式连接，这种方式操作方便，拆改容易，唯锥形胶圈及压圈的方向不可倒置，夹紧用力适当。
3.6 沟槽
　　塑料管一般敷设在无机动车的人行道或住宅小区内为好；在小街巷内敷设时，管顶覆土深度不宜小于0.6m；管道基础应为砂土，否则要作砂垫层，管四周的回填土中不应有硬块挤压管体。由于塑料管是非导电材料，埋于地下后，维修时寻管困难，故在管道顶部应敷设一条导电线。

4、在推广塑料管材中需要注意的几个问题

4.1 建议国家相关部门加强对塑料管材的研究工作。现有文献述及塑料管在低温下的快速开裂远比蠕变开裂问题严重，应研制具有高性能阻止快速开裂的原材料配方。快速开裂是客观存在的现象，它通常分两个形成阶段，即产生裂纹，裂纹迅速扩展，扩展速率达100～500m/s，往往使管道运行带来灾难性后果。不过管材柔性连接，可缩小管线快速开裂时的影响范围。
4.2 尽快完善各类管材产品的国家标准，以利规范产品质量，目前只有UPVC管及PE管有国家产品标准。
4.3 尽快制订国家统一的各类管材的管道设计规范及施工验收规范。应通过试验以快速开裂的临界压力去推算管材的许用压力。目前只有UPVC管有国家统一的管道设计规范及施工验收规范。
4.4 尽快编制相关管材安装预算定额，以利推广使用。
4.5 规范管材市场，取缔假冒伪劣产品。
4.6 加强对管道设计人员及施工安装人员的素质培训。
　　总之，热塑性塑料管在国外仍以UPVC管与HDPE管为主导产品，近几年HDPE管在城市供水、燃气管道上推广使用较快，增长速度远远超过UPVC管。
　　我们在推广热塑性塑料管材的过程中，应坚持以点带面，点面结合，及时总结经验，不断改进，以利正确推广使用好新型管材。

二○○○年六月