塑料管材的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析
許多文章也都從不同的角度對(duì)塑料管及塑料復(fù)合管作了介紹。筆者將從整個(gè)供水系統(tǒng)的角度，對(duì)目前已知的塑料管及塑料復(fù)合管進(jìn)行分析。
1、供水系統(tǒng)中管材的應(yīng)用現(xiàn)狀為方便起見，我們將城鎮(zhèn)居民用水的供應(yīng)體系簡化如所示。按此劃分，我們又將從水源地到水廠、水廠到管網(wǎng)的用管稱作輸水管，將管網(wǎng)及從管網(wǎng)到用戶建筑物的用管稱做配水管，將進(jìn)入用戶建筑物的用管稱作給水管。
網(wǎng)輸就網(wǎng)H網(wǎng)間城鎮(zhèn)居民用水的供應(yīng)體系目前在供水管網(wǎng)系統(tǒng)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管等。塑料管的應(yīng)用還不普遍，目前國家標(biāo)準(zhǔn)中只對(duì)硬聚氯乙烯管（PVC-U管）及高密度聚乙烯管（HDPE管）作了規(guī)定。一般說來，鋼管的力學(xué)性能良好，但在埋地敷設(shè)時(shí)還需進(jìn)行外防腐處理，造價(jià)較高；鑄鐵管力學(xué)性能不如鋼管，但耐腐蝕較鋼管強(qiáng)，價(jià)格較便宜；球墨鑄鐵管的力學(xué)性能與鋼管大致相當(dāng)，耐腐蝕性好于鋼管，但目前國內(nèi)的產(chǎn)量還不夠大，價(jià)格也較貴；鋼筋混凝土管的力學(xué)性能較低，耐腐蝕性能很好，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是密度大，搬運(yùn)時(shí)損壞率高，缺乏配套管件。以上幾種管，除了混凝土管外，均可對(duì)內(nèi)部傳輸?shù)乃|(zhì)造成污染，目前采取的預(yù)防措施是在其內(nèi)部用水泥沙漿處理或襯塑處理，但這兩種方法對(duì)小U徑管不太適合。表1給出了目前常用管材的類型、所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、公稱直徑、工作壓力。
2、給水系統(tǒng)中塑料管材的應(yīng)用現(xiàn)狀目前在給水系統(tǒng)中可以采用的塑料管材及塑料復(fù)合管材主要有PVC-U管、HDPE管、交聯(lián)高密度聚乙烯管（HDPX管）、聚丙烯管（PP管）、聚丁烯管（PB管）、ABS管、金屬襯塑管、鋁塑復(fù)合管等。以下分別介紹這些管材的主要特點(diǎn)。
管材對(duì)PE管材的深人研究應(yīng)歸功于對(duì)傳輸燃?xì)獾男枨?。隨表1常用管材的類型、所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、公稱直徑、工作壓力管材類型標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)公稱直徑/run預(yù)應(yīng)筋混凝土管一階段三階段自混應(yīng)凝力土鋼管筋鑄鐵管連續(xù)鑄造水壓試驗(yàn)壓力LAAB2.0離心砂模水壓試驗(yàn)壓力PG2.02.51.52，0球墨鑄鐵管連續(xù)鑄造離心砂模水壓試驗(yàn)壓力3.0水壓拭驗(yàn)壓力3.0鋼管縲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(yàn)壓力：2.5，3.0水壓試驗(yàn)壓力：2.5，3.0著技術(shù)的發(fā)展，10余年來PE性能獲得很大提高。在ISO12162及ISO的塑料給水管系統(tǒng)中，HDPE管以其優(yōu)良的物理力學(xué)性能獲得廣泛的應(yīng)用。PE管材無毒、耐腐蝕、柔韌性高、耐低溫性能好、施工安裝方便，可采用多種方法熔焊連接，整體密閉性極佳。近些年來在歐美一些工業(yè)發(fā)達(dá)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/室內(nèi)用管4427標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)管材的最低允用強(qiáng)度（MRS）將PE材料五個(gè)等級(jí)。從PE32到PE100，材料的性能有很大提高，不僅是短期力學(xué)性能，更重要的是長期耐壓能力及抗裂紋快速擴(kuò)張性能（RCP）都得到很大提高。研究表明，溫度越低，管徑及壁厚越大，工作壓力越篼，熱塑性塑料管的裂紋快速擴(kuò)張的危險(xiǎn)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力及抗裂紋快速擴(kuò)張性能。因此，在大口徑管材傳輸領(lǐng)域，PE管具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。從國際標(biāo)準(zhǔn)看，PE管的可以使用的直徑范圍最寬。
用壽命時(shí)的最大工作壓力為1.6MPa.同時(shí)規(guī)定，PE管可以在40以下溫度范圍使用，如使用溫度升高，工作壓力應(yīng)該用折減系數(shù)予以降低。折減系數(shù)的選用在ISO13761和ISO4427中有明確的規(guī)定。
3、PE材料耐溫性能不好，不能作為熱水管使用，這使得PE管材應(yīng)用受到限制。
管PVC-U管以優(yōu)良的力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性，作為給水管具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家PVC-U管材的消費(fèi)已占塑料管材市場(chǎng)的80%.1997年歐洲PVC-U管材的消費(fèi)結(jié)構(gòu)如表3所示，在25下，PVC-U管具有50年預(yù)期使用壽命時(shí)的最大工作壓力為2.5MPa.同時(shí)規(guī)定，PVC-U管可以在451以下溫度范圍使用，如使用溫度升高，工作壓力應(yīng)該用折減系數(shù)予以降低。
PYC樹脂耐溫性不佳，PVC管材不能作熱水管，這是PVC管材作為給水管的主要缺陷。另外，PVC-U的抗裂紋快速擴(kuò)張性能不佳，已有因水錘效應(yīng)而導(dǎo)致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(yīng)慎重。
為改善PE材料的耐溫性能，人們通過交聯(lián)技術(shù)使其改性。交聯(lián)改變了PE大分子間的作用力，由原先僅存的晶格力及范德華力改變?yōu)槟承┐蠓肿娱g產(chǎn)生了化學(xué)鍵力。由此，其宏觀性能也有了很大變化，主要體現(xiàn)在材料的耐蠕變性能、耐溫性能、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能、耐化學(xué)藥品性能、耐磨性及對(duì)缺口的敏感性等有了很大改進(jìn)。特別是，由于耐蠕變性能的提高使得其靜水壓性能尤其是高溫靜水壓性能大大改進(jìn)。經(jīng)過長期研究，HDPE管交聯(lián)及穩(wěn)定化技術(shù)已比較成熟，并制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。按照此標(biāo)準(zhǔn)，HDPE-X管可在70下連續(xù)使用50年。同時(shí)規(guī)定，HDPE-X管也可以在70~11（TC范圍使用，但溫度升高后，使用壽命降低。顯然，HDPX管比HDPE管性能有很大提高，不但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(lián)技術(shù)看，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢品因已形成“不溶不熔”的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此很難再重新粉碎后加以使用，這就提高了生產(chǎn)成本。另外從環(huán)境保護(hù)角度考慮，HDPX管不可能重復(fù)利用，管材報(bào)廢后除了有報(bào)道可以經(jīng)粉碎充分細(xì)化后作為填料再改性PE使用外，只能送去裂解成單體重新利用。
PP管材PP管材由于其優(yōu)異的性能，特別是相對(duì)PVC、PE管而言，不僅具有較高的強(qiáng)度，還有一定的耐溫性能。所以它是目前在給水/熱水管系統(tǒng)最有應(yīng)用前景的管材。
15874標(biāo)準(zhǔn)m，無論是均聚聚丙烯（PP-H）、嵌段共聚聚丙烯（PP-B），還是無規(guī)共聚聚丙烯（PP-R），均可用來加工給水管，但這三種PP的性能不同，應(yīng)注意區(qū)別。PP-H抗低溫性能不好，在環(huán)境溫度較低的場(chǎng)合應(yīng)予以注意；PP-B的長期靜水壓性能，特別是高溫下的靜水壓性能不好，若要用于熱水管并滿足50年壽命，則必須增加壁厚，帶來經(jīng)濟(jì)上的不利因素。綜合性能較好的是PP-R.年。由于PP管的開發(fā)及應(yīng)用時(shí)間不長，人們對(duì)大口徑PP管的抗快速裂紋擴(kuò)張性能的研究還不夠充分，因此，在大口徑高壓力的傳輸應(yīng)用中尚存疑慮。
管PB作為一種材料最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初，它是由丁烯-1單體聚合而成的半結(jié)晶性塑料。由PB制造的管材PB管具有衛(wèi)生性能好，無毒無害，具有極佳的耐化學(xué)性，柔韌性好，耐高低溫性能好，抗蠕變性、抗環(huán)境應(yīng)力開裂性和耐磨性優(yōu)異。按照IS0/DIS15876標(biāo)準(zhǔn)w，PB管可在70尤下連續(xù)使用50年。
售管材級(jí)PB樹脂，并給用戶巨額賠償?shù)腜B管破裂事故的報(bào)道，已引起業(yè)內(nèi)人士的極大關(guān)注。此事件對(duì)PB管材的推廣應(yīng)用肯定會(huì)產(chǎn)生巨大影響。
鋁/塑復(fù)合管鋁/塑復(fù)合管是一種中間由薄鋁板焊接成封閉管狀，由熱熔粘合劑將其與內(nèi)外壁塑料粘合成一體的復(fù)合管材。內(nèi)外壁可以都是PE（以HDPE居多）或（PEOC），也可以內(nèi)壁是PX，外壁是HDPE.作為一種新型復(fù)合管材，鋁/塑復(fù)合管無疑是一種頗具特色的優(yōu)秀管材。除了具有其它塑料管相似的優(yōu)點(diǎn)外，它還具有氣體阻隔性好，在施工中可以隨意彎曲定型而不需彎頭的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)按照ASTMF1282標(biāo)準(zhǔn)w，PE/A1/PE復(fù)合管在23下具有50年預(yù)期使用壽命時(shí)的最大工作壓力為1.38MPa，在601下的最大工作壓力為1.10MPa；按照ASTMF1281標(biāo)準(zhǔn)，PEX/A1/PE-X復(fù)合管在231下具有50年預(yù)期使用壽命時(shí)的最大工作壓力為1.38MPa，在60下的最大工作壓力為1.10MPa，在83下的最大工作壓力為0.86MPa.但鋁/塑復(fù)合管存在一些致命的弱點(diǎn)，應(yīng)引起重視。首先是回收困難。按照鋁/塑復(fù)合管的要求，為保證鋁層與塑料層之間具有足夠的粘合力，需要加人粘合劑層。這就給人們對(duì)塑料與鋁的分離造成困難。另外，即便將來開發(fā)出將塑料皮與鋁皮分離的方法，由于粘合劑的混人也會(huì)對(duì)塑料層的再次利用帶來困難。目前尚未見有可以良好回收再利用的報(bào)道。其次，在大口徑范圍，經(jīng)濟(jì)上失去競(jìng)爭性。因此，在ASTMF1281、F1282標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大管徑為32mm，在ASTMF1335中規(guī)定的最大管徑為50mm. 3給水系統(tǒng)中塑料管材的選取及分析從整個(gè)給水系統(tǒng)看，究竟何種塑料管材能占優(yōu)勢(shì)呢，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及不同的要求應(yīng)選用不同的管材。選取的主要依據(jù)是：對(duì)管材的性能要求、口徑的大小、價(jià)格，以及材料對(duì)人類居住環(huán)境的影響等。對(duì)塑料管材來說，使用要求主要有：（1）在工程要求的壽命前提下的力學(xué)性能，例如，對(duì)一般民用建筑來說能否在滿足50年使用壽命的要求下滿足給水壓力、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(tǒng)的整體性是否良好；（3）是否對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響等。還應(yīng)考慮管材的口徑大小，傳輸介質(zhì)的內(nèi)壓、溫度等因素可能產(chǎn)生的問題。
目前，在輸、配水系統(tǒng)中主要使用鋼筋混凝土管、鑄鐵管、鋼管，GB 13標(biāo)準(zhǔn)建議采用鋼筋混凝土管；在建筑給水系統(tǒng)中主要使用鑄鐵管、鍍鋅鋼管，GB15標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在管徑矣150mm時(shí)應(yīng)采用鍍鋅鋼管，當(dāng)管徑> 150nun時(shí)，可采用鑄鐵管。同時(shí)規(guī)定，對(duì)埋地敷設(shè)的配水管，在管徑>75mm時(shí)，宜采用鑄鐵管。
1990年間的調(diào)查表明，到1990年為止，灰鑄鐵管應(yīng)用最廣，約占全部新鋪管道的3/4以上，且大部分是剛性接口的連續(xù)澆鑄灰鑄鐵管。在新增管道中，直徑小于400mm的約占總數(shù)的3/4.用于大口徑的管道1000）以鋼管和鋼筋混凝土管為多。自應(yīng)力鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、塑料管應(yīng)用不多，其總量約占3%.根據(jù)以上情況，針對(duì)塑料管的特點(diǎn)，近期塑料管取代的應(yīng)是直徑為400mm以下的鑄鐵管和鍍鋅鋼管。大致可劃分為小于150mm的建筑給水管及大于150mm的輸配水埋地管兩大部分。
4、分析及結(jié)論結(jié)合傳輸介質(zhì)的溫度及可能存在的技術(shù)問題，我們大致可作出如下結(jié)論，PE、PV（M管均可滿足無論是輸配水系統(tǒng)的大口徑應(yīng)用及建筑給水系統(tǒng)的冷水輸送，而PP、PEX、PB管均可滿足建筑給水系統(tǒng)輸送冷熱水的要求。
考慮到人們對(duì)PVC-U管材的毒性的擔(dān)心及可能存在的大口徑管道的快速裂紋擴(kuò)張問題，在輸配水系統(tǒng)中以PE管為佳；在建筑給水中若只考慮輸送冷水，則也選PE為佳，這樣整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)均由同一種材質(zhì)管材構(gòu)成，對(duì)設(shè)計(jì)、施工、安裝均較為方便。若考慮在建筑用管傳輸冷熱水均采用同一種管，則采用PP管為佳。PE>X、PB管價(jià)格較高，且PB管表4常用塑料管材所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)公稱直壓力溫度最高年材類型限/a未規(guī)定管未規(guī)定管PP管PB管鋁塑復(fù)合管矣95還有可能破裂的問題。
PP管目前價(jià)格較高，主要是因?yàn)楣懿募?jí)PP樹脂目前全部依賴進(jìn)口，國內(nèi)各大石化企業(yè)目前還不能生產(chǎn)。但生產(chǎn)管材級(jí)PP并不存在很大的技術(shù)難點(diǎn)，國內(nèi)許多石化企業(yè)已將此樹脂列入開發(fā)生產(chǎn)計(jì)劃，可以預(yù)料在今后1-2年，國產(chǎn)管材級(jí)PP樹脂定會(huì)問世。
從以上分析可以看出，PE管材除耐溫性能不佳外，是最優(yōu)秀的管材。如果某種管材既保存了FE管材的優(yōu)點(diǎn)又使其能在高溫下使用，其市場(chǎng)前途無量。由哈工大、航天工業(yè)部開發(fā)技術(shù)制備的金屬骨架增強(qiáng)塑料管即是能滿足此要求的最新型管材。目前已有的金屬骨架由鐵絲/或帶孔鐵皮制成，塑料是HDPE，但原則上講還可以由其它材料復(fù)合而成。
僅目前的由鐵絲與HDPE復(fù)合而成的管材而言，它已具備相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)：①由PE材料提供的良好傳輸性能，抗垢防腐防霉性能；②由鐵絲提供的良好的力學(xué)性能，耐溫性能及尺寸穩(wěn)定性；③不存在裂紋的快速擴(kuò)張；④已經(jīng)設(shè)計(jì)開發(fā)了這種管材的回收利用工藝，使管材料可以多次使用。當(dāng)然，由于金屬骨架增強(qiáng)復(fù)合管的開發(fā)及應(yīng)用還剛剛起步，有許多問題還尚待研究。
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