新型供水管材的应用和发展

吴浩

　　供水管网具有使用周期长(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。

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。随着分氧的情况下、PH值稍低于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最小口径镀锌钢管。特别是用户内部管道。一方面，在用的小口径镀锌钢管；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，小口径管复合管道来取代它。
　　铸铁管是人仍最熟悉，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。
　　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ISO2531的要求，球墨铸铁管的抗拉强度≥420Mpa，DN40—DN1000的管道，延伸率≥10%，DN1200-26OO的管道，延伸率≥7%。灰口铸铁管由于木要求管道的延伸率，对铁水原料的有害成分的控制范围较宽。
　　球墨铸铁管还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，然后让管道和加热炉岗时冷却到室温。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（谷称灰口），管材性能不如球墨铸铁管。

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。
　　PVC和PE管道在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。因此如年代以前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DN300，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，还需加入其他加工助剂、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。我们将增塑剂含量在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的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管道在添加剂的使用等生产工艺上还必须不断加以改进。
　　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。后来发明了电热焊接套管，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PE100，将来会发展到PE115。PE100是指在200C下，这种等级的PE材料在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PE115的管壁厚度，要低于采用PE100的管道壁厚。在满足要求的前提下，PE管的壁厚变簿，减少了PE材料的用量，降低了成本，有利于PE管道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。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颜料合理组合在一起，就可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。

不同类型管材的发展

　　为满足供水管网安全可靠运行的要求，管材的发展有两个方向：
　　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。
　　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ISO2531中，离心球墨铸铁管的抗拉强度≥420MPa，已和低合金钢强度差不多，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。
　　塑料管道会有更大的发展，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。
　　先进的复合材料管道在20世纪曾得到很大发展。如预应力钢筋混凝土管、PCCP管(铜筒混凝土管)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；钢塑复合管和铝一塑复合管，在小口径用户管道市场中用很大的需求。
　　新型供水管衬的发展，不是单纯的技术进步，还要考虑型管材，还在不断被研发出来。