聚氯乙烯给水管的开发与应用技术研究

韩洪军 刘灿生 吕炳南

　　摘　要：本文首先从聚氯乙烯（UPVC）给水管的生产现状、发展前景和工程试点应用入手，对影响UPVC给水管应用的因素，诸如：UPVC管的卫生性能、强、水力计算和安装连接等因素进行了研究，为UPVC给水管的应用创造了条件。
　 关键词：给水管道；UPVC管；开发；应用

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

　 给水管道工程是城镇给水工程的重要组成部分，其基建投资占给水工程总投资的50%左右。近年来，我国化工工业迅速发展，一种新型的聚氯乙烯（UPVC）给水管已经得到应用。UPVC管与金属给水管相比，具有重量轻、耐腐蚀、水力条件好、外表美观、不生锈、施工安装方便、造价低等优点。而且具有足够的强度，在正常情况下可以使用50年以上。UPVC管与聚乙烯、聚丙烯给水管相比，在强度、耐燃性、耐老化、连接方法及价格方面也占有优势。因此，自40年代初德国研制成功后，50年代以来，在世界各国的给排水工程中广泛应用。
　　UPVC管在国外已大量用作给水管道，在西欧、美国、日本等国家的给水管道中UPVC管占20%-50%。我国UPVC管的应用起步较晚，作为给水管道的用量很小。因此，开发应用UPVC管代替金属给水管材，以塑代钢、节约金属材料，降低成本意义重大。

1. UPVC管的发展前景

　 目前我国UPVC工业还落后于世界先进水平，但经过“七五”的技术引进以及消化吸收，UPVC生产工业已初具规模，UPVC产品已应用于许多领域。根据国家“七五”科技攻关项目的要求，我们对UPVC给水管开发和应用进行了工程试点研究。
　　我们充分考虑了我国幅源辽阔，地形及土质复杂的特点，选择了青岛、内蒙、青海、成都、天津等具有代表性工程试点单位，铺设了49公里的UPVC给水管道工程。根据对ф350mm以下管材的统计，UPVC管与铸铁管在相同管径和相同长度时，UPVC管的重量仅为铸铁管的20%～30%，价格比铸铁管低6%～12%，运输费用可降低20%～60%。施工费用可比铸铁管降低50%～70%，安装工时节省60%～75%。由于UPVC管内壁光滑不结垢，水力摩阻小，输送能耗相同时，输水能力可较铸铁管提高30%～50%，若输送流量相同时，可节约输水能耗40%～50%。
　　总的工程投资的降低幅度，因各地的工程试点具体条件而不同，但是平均可降低工程投资15%～25%，同时大大降低工人的劳动强度，简化施工设备，节省钢材，使UPVC管的应用产生巨大的经济效益和社会效益。

2. UPVC管的卫生性能

　　UPVC管在制造过程中为了防止树脂受热分解，提高UPVC管的性能，需要加入一些铅稳定剂。铅稳定剂本身并不与聚氯乙烯大分子化合，但它具有防热、防光、以及抗老化的性能。当铅稳定剂与聚氯乙烯树脂充分混合并停留在分子结构中时，可以改善UPVC管的性能。
　　UPVC管中停留的铅稳定剂是不断地运动，在浓度差推动下，从高浓度处迁移至低浓度处，当UPVC管内充满水时，首先管壁表面的铅稳定剂扩散入水中，浓度降低。管内部的铅稳定剂就会向表面迁移，达到平衡。实验证明其扩散入水中的铅浓度和UPVC管与水接触时间有关。
　　即

　　Mt=Kmf（M_∞.t）　　 （1）

　　式中：M_t——日扩散入水中铅浓度，mg/1d；
　　 　　 K_m ——铅扩散速率的特征常数；
　　　　　M_∞ ——无穷长时间后扩散入水中的铅浓度总量，mg/l；
　　　　　t ——UPVC管与水接触的时间，d。
　　为了探讨UPVC管扩散入水中铅浓度的规律，试验中取一段UPVC管在室温条件下，用自来水浸泡，每隔24小时将水倒出测定水中铅浓度。然后换新鲜自来水继续浸泡，24小时后再倒出测定，如此类推，测定结果如图1。

　　我们将试验中的大量数据输入计算机，通过整理得到一组UPVC管每日扩散入水中铅浓度的经验方程：

 　　　 （2）

　　式中：D——UPVC管直径，mm；
　　　　　t₁——UPVC管与水接触的时间，d；
　　　　　Mt、Km、t——同前。

　　由于UPVC管中残留一定数量未反应的氯乙烯单体（VCM），当常温、常压下，管中的VCM与水中的VCM浓度不同时，在浓度差的推动下将会扩散入水中。试验证明其扩散速率G与VCM浓度成正比。
　　即

_G=K1(Cs-CL)　　　　　　　　　　 （3）

　　式中：G——VCM的扩散速率， _G=-dc/dt ，mg/1d；
　　　　　K₁——VCM扩散速率常数，1/d；
　　　　　C_S——固相中VCM含量，mg/kg；
　　　　　C_L——液相中VCM浓度，mg/l。
　　考虑到UPVC管扩散入水中VCM是一极缓慢的过程，UPVC管中的水又是连续流动的，扩散到水中VCM浓度与固相中VCM含量相比极小（C_S >> C_L），可以忽力学C_L，则式（3）可化简为：
　　　　　　　　G=K₁Cs=K₁C
　　式中：C——UPVC管中残留的VCM含量，mg/kg。
　　将扩散速率G=-dc/dt代入上式得：

_-dC/dt=K1C 　　　　　　　　　　　　　 （4）

　　式（4）积分：



　　考虑外界因素的影响，引入系数K值得：

_{Ct=K.C0.e^kit} 　　　　　　　　　　　　 （5）

　　式中：C_t——日扩散入水中VCM浓度，mg/l；
　　　　　 t——UPVC管与水接触的时间，d；
　　　　　C₀——UPVC管中残留VCM含量，mg/kg；
　　　　　K——系数，受外界因素的影响。

　 试验中取一段UPVC管在室温条件下用自来水浸泡，每隔24小时将水倒出测定水中VCM浓度。然后换新鲜自来水继续浸泡，24小时后再倒出测定，如此类推，测定结果如图2。

　 将试验中得到的数据输入计算机，通过整理得到与前理论推导的扩散方程基本一致的经验方程：

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

　　式中：D——UPVC管直径，mm；
　　　　　t——UPVC管与水接触的时间，d；
　　　　　C_t、K、C₀、K₁——同前。
　　经验方程（2）和经验方程（6）表明，由于UPVC管内残留一定数量的铅稳定剂和VCM，在使用时将扩用到水中，但其数值很小，不会对水质产生污染。

3. UPVC管的强度

　　UPVC管的强度受到各种因素的影响，如生产设备性能、配方、生产工艺、模具设计和使用年限等。
　　目前我国UPVC管生产的主要设备是引进的双螺杆挤出机，它可大大减少物料热历程，输送效率高。排气系统使加工过程中的一些低分子化合物（如VCM）排除，避免残留管材中。双螺杆挤出机弥补了以往使用的单螺杆挤出机的许多不足之处，生产UPVC管的机械性能指标优于单螺杆挤出机（表1）。
　　通过对双螺杆挤出机生产的UPVC管进行电镜扫描，管材中看不到初级粒子，粒子间的边界消失，看不到空间，这种高度凝胶化的结构大大提高了管材的强度。
　　由于UPVC管的生产温度和分解温度接近，且流动性又差，因此配方中的稳定剂、润滑剂的含量多少很重要，既要考虑到加热稳定性，又要考虑加工的顺利。

表1 不同挤出机的管材机械性能对比

　　　　 项 目

类 别

拉伸强度kg/cm²

伸长率%

冲击强度kg cm/cm²

弯曲强度kg/cm²

单螺杆挤出机

439

58

38

814

双螺杆挤出机

543

63

57

922

　　加工模具是管材成型的重要部件，其各部分的参数合理与否都会影响管材的强度。特别是分流筋的长度、数量在保证足够强度前提下应尽量减少。要有适当的压缩比，平直部分长一些，有利于提高管材强度。
　　UPVC管使用的年限和环境温度也影响管材的强度，环境温度过高和使用时间的延长，UPVC管的强度随之降低（表2，表3）

表2 环境温度对管材强度的影响 　　单位：kg cm/cm²

环境温度（℃）

20

30

40

50

60

冲击强度

47.3

42.3

37.4

26.1

25.7

表3 使用年限对管材强度的影响　 单位：kg cm/cm²

使用年限（年）

10

20

30

40

50

冲击强度

37.7

31.8

27.7

26.1

25.7

4. UPVC管的设计与施工

4.1 水力计算
　　UPVC管在输水中节能，是因为管壁表面光滑，水力条件好，将UPVC管与铸铁管进行水力学方面比较，可知UPVC管优于铸铁管。从理论上计算，在管径相同的情况下，输送的流量相同时，UPVC管较铸铁管节省输水能耗50%。
　　UPVC管的水力计算国内尚无统一的计算公式，我们参考有关资料认为，UPVC管的水力计算可采用其它管材的通用公式，但考虑到UPVC管具有的特性，对公式中的水力摩阻系数作一些修改。
　　UPVC管沿程水力坡降可按下式计算：

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

　　式中：i——沿程水力坡降；
　　　　　λ——水力摩阻系数；
　　　　　D——UPVC管直径，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数λ与管材材质和液体流态有关，当UPVC管作为给水管使用时，水力摩阻系数λ可按下式计算：

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

　　式中：Re——雷诺数。
　　可由下式计算：

　　　　　　　Re=VD/γ 　　　　　　　　 　　　　　　（9）

　　式中：γ——运动粘滞数，m²/s。
　　为防止管内水锤的发生而使管材破坏，管内的水流速度应限制在2.5m/s以内。当预计流速可能发生突然变化时，还应考虑水锤压强，其计算可按水力学有关公式进行。
4.2 施工安装
　　UPVC管的刚度和强度与铸铁管相比要低一些，所以施工安装应根据UPVC管本身的特点合理操作，保证施工质量。
　　UPVC管是一种热塑性材料，具有很高的热膨胀系数是铸铁管的5-6倍，设计施工中需注意。
　　一般埋地敷设时，管材不直接暴露在大气中，且覆盖的土壤具有一定的绝热性能，防止了温度的迅速变化。如果相对温度变化不大时，可不必设置伸缩节。如在地面敷设时，管材直接暴露在大气中受气温变化的影响大，导致UPVC管伸缩。一般当直线管道长度超过30m，气温变化大于15℃时，就必须采取措施，设置伸缩节以消除膨胀，保证管材的正常使用。
　　根据UPVC管的性能，连接方式也与铸铁管有所不同，表4列出了UPVC管和铸铁管的不同连接方式。

表4 UPVC管和铸铁管的连接方式

管材

连接方式

UPVC管

溶剂粘接、橡胶圈连接、螺纹连接、法兰连接

铸铁管

橡胶圈连接，刚性填料连接

　 UPVC管由于重量轻、安装简单，劳动强度低，尤其是溶剂粘接和橡胶圈连接，只要2～3人配合作业，就可完成整个连接过程，施工效率很高，因此倍受欢迎。

5. 结论

　 UPVC管是一种新型的给水管材，在我国给水工程中的应用还刚开始。我们通过对国内十几家单位的工程试点，取得了一些具有代表性的经验数据，证明UPVC管应用于给水工程是可行的。同时UPVC管还具有铸铁管无法比拟的优点，是缓和我国目前钢材紧缺，能源紧张的一种非常理想的管材，值得大力推广应用。

参考文献

　　[1] 王扬祖.聚氯乙烯管在给水排水工程的应用.中国给水排水，1989（4）
　　[2] Ruchley,J A.Health Aspects Relating to the Use of UPVC Pipe for Community Water Supply,1973
　　[3] 韩洪军，刘灿生.硬聚氯乙烯（UPVC）给水管的卫生性能探讨.聚氯乙烯，1993（4）
　　[4] 刘灿生，韩洪军.硬聚氯乙烯管扩散入水中氯乙烯单体的试验研究.中国给水排水，1990（2）