第一課：硬聚氯乙烯（PVC-U）給水管道、低壓輸水灌溉用管道

水，如何到達千家萬戶，流向田間地頭？怎樣讓一滴水在從源頭到終端的過程中體驗高效的“旅行”？問題的答案都離不開各類塑料管道的應用。百年大計，質量第一。隨著城鄉(xiāng)供水網(wǎng)絡的不斷延伸及高效節(jié)水灌溉的大力推進，能否選對適用耐用的管材，科學施工，完善建后維護，成為關乎各項興水惠民政策措施能否可持續(xù)發(fā)揮作用、造福民生“最后一公里”的重要環(huán)節(jié)。為此，本刊特別推出系列專題“塑料管道講堂”，特邀中國認證認可協(xié)會自愿性產(chǎn)品認證高級檢查員武新國、水利部農(nóng)村飲水安全中心原高級工程師彭克奇兩位業(yè)界資深專家作為主講嘉賓，從專業(yè)角度為您講解塑料管道在“生產(chǎn)—檢測—應用”全鏈條中的系列問題，以期為需求方、生產(chǎn)方和關注者提供參考。本期開講第一課：廣泛應用于給水、低壓輸水灌溉的PVC-U。

PVC管道是我國推廣使用最早，也是目前使用量最大的塑料管道。其中，以聚氯乙烯（PVC）樹脂為主要原料，加入必要的添加劑，經(jīng)擠出成型生產(chǎn)的硬聚氯乙烯（PVC-U）管道，廣泛應用于城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉等水利建設領域。這一課，結合GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》和GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》，從管道的原材料選用、配方要求、混料過程監(jiān)控、生產(chǎn)工藝控制、成品檢驗控制，以及管道施工過程中應關注的系列問題進行講解。

一、原材料選用

1.硬聚氯乙烯（PVC-U）給水管材原材料選用

GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》對PVC-U生產(chǎn)管材的材料有4項規(guī)定：

①應為PVC-U混配料?；炫淞蠎訮VC樹脂為主，其中加入為生產(chǎn)達到本部分要求的管材所必需的添加劑，所有添加劑應分散均勻。

②PVC樹脂應符合GB/T 5761—1993，樹脂的K值應大于64,氯乙烯單體含量應小于5m g/kg。

③任何添加劑的加入不應引起感官不良感覺、損害產(chǎn)品的加工和粘接性能及影響到本部分規(guī)定的其他性能。飲水用管材不應使用鉛鹽穩(wěn)定劑。

④允許使用本廠生產(chǎn)同類產(chǎn)品的清潔回用料。

2.硬聚氯乙烯（PVC-U）低壓輸水灌溉管材原材料選用

GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》未對原材料的選用提出具體要求條款。

3.PVC-U管材混配料選用

混配料，是指基礎樹脂與各種必要助劑的均勻混合物，簡單的說就是在生產(chǎn)過程中把樹脂和助劑按一定比例均勻混合在一起的材料。PVC-U塑料管道混配料一般包含PVC樹脂和穩(wěn)定劑、填充劑、潤滑劑、著色劑以及提高產(chǎn)品性能的其他助劑。

原材料的選用，會直接影響PVC-U塑料管道的產(chǎn)品性能，因此在原材料投入使用前應嚴格控制PVC樹脂和各類助劑的質量。作為主要原材料的PVC樹脂（見圖1），應嚴格參照上述國家標準中的4項規(guī)定進行選用。

PVC樹脂以粉末狀態(tài)存在，容易與各種助劑混合。但是，PVC加工熱穩(wěn)定性差，熔融溫度160℃高于分解溫度140℃；PVC熔體的流動性不好，熔體強度低，易產(chǎn)生熔體破碎和制品表面粗糙等現(xiàn)象；PVC熔體黏附金屬傾向大，熔體之間以及熔體與加工設備間摩擦阻力大。由于以上PVC加工特性的影響，在PVC樹脂加工過程中必須加入熱穩(wěn)定劑、潤滑劑等助劑，以改善其性能。

圖1 PVC樹脂粉末（來自網(wǎng)絡圖片）

熱穩(wěn)定劑：使物料減慢反應，保持化學平衡，降低表面張力，防止光、熱分解或氧化分解，以實現(xiàn)產(chǎn)品品質穩(wěn)定的助劑。主要有鉛鹽類、有機金屬皂類、有機錫類、復合穩(wěn)定劑類、稀土復合熱穩(wěn)定劑、鈣鋅穩(wěn)定劑等。隨著環(huán)保意識的逐漸增強，其中鉛鹽類熱穩(wěn)定劑將被無毒的熱穩(wěn)定劑取代，而且GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》中明確規(guī)定：飲水用管材不應使用鉛鹽穩(wěn)定劑。

填充劑：改善PVC塑料管道的成型加工性能，提高產(chǎn)品的技術性能指標，同時降低生產(chǎn)成本的助劑。主要采用碳酸鈣、滑石粉、陶土，也有用云母粉、硅藻土、赤泥等。

潤滑劑：改進PVC熔體的流動性能，減少或避免對設備的黏附，提高管材表面光潔度的助劑。一般采用石蠟、硬脂酸、聚乙烯蠟、合成蠟等。

著色劑：改變管材顏色，改進塑料管材耐氣候老化性，延長管材使用壽命的助劑。一般采用二氧化鈦、酞青藍、炭黑、各種染料等。

其他助劑：能改善生產(chǎn)過程效率、提高管材產(chǎn)品性能的助劑。

二、配方要求

配方，即合理選用樹脂和助劑，并科學確定其配比后所形成的復合體系。配方需滿足塑料管道成型加工和使用性能的要求，其核心是優(yōu)選樹脂和助劑并優(yōu)化其用量和配比。

1.硬聚氯乙烯（PVC-U）給水管材配方要求

GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》對配方的要求主要體現(xiàn)在3個方面。

①配方中的原材料需滿足上述國家標準中PVC-U生產(chǎn)管材材料的4項規(guī)定。

②配方需滿足管材密度、維卡軟化溫度的物理性能要求。

PVC-U管材密度需達到1.35～1.46g/cm3的范圍。要保證管材滿足此技術指標要求，配方體系中填充劑數(shù)量需控制在5%～8%。PVC-U管材維卡軟化溫度需≥80℃。維卡軟化溫度是評價材料耐熱性能，反映管道制品在受熱條件下物理力學性能的指標之一，雖不能直接用于評價材料的實際使用溫度，但可用來指導材料的質量控制。要保證管材滿足此技術指標要求，配方體系中潤滑劑、增韌劑的數(shù)量需控制在0.5%～1.5%。

③配方需滿足管材落錘沖擊試驗、液壓試驗的力學性能要求。

落錘沖擊試驗(0℃)TIR技術指標需≤5%，TIR是真實沖擊率，即整批產(chǎn)品進行試驗時，其沖擊破壞總數(shù)除以沖擊總數(shù)后的數(shù)值，以百分數(shù)表示。落錘沖擊試驗是對管材耐外沖擊性能的測定。試驗應按GB/T 14152—2001，在0℃條件下進行。落錘沖擊試驗的沖擊錘頭半徑為12.5mm，沖錘質量和沖擊高度見表1，落錘沖擊試驗機見圖2，落錘沖擊破壞樣品見圖3。S4至S10的管材應按M級試驗；S12.5至S20的管材應按H級試驗。要保證落錘沖擊試驗技術指標≤5%，配方體系中填充劑、潤滑劑的數(shù)量需控制在6%～9%。

液壓試驗技術指標要求試驗中管材無破裂、無滲漏。液壓試驗按GB/T 6111—2003測定，試驗條件見表2，液壓試驗設備見圖4。若試樣在距離密封接頭小于試樣自由長度0.1倍處出現(xiàn)破裂，則試驗結果無效。要保證液壓試驗中管材無破裂、無滲漏，配方體系中填充劑、潤滑劑、加工助劑的數(shù)量需控制在7%～10%，且加工生產(chǎn)過程要合理控制溫度。

2.硬聚氯乙烯（PVC-U）低壓輸水灌溉管材配方要求

GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》未對原材料提出具體要求條款，但對管材物理力學性能中的密度（1.35～1.55g/cm3）、落錘沖擊試驗和靜液壓試驗的技術指標進行了要求，配方作出了部分調整。

表1 沖錘質量和下落高度

表2 液壓試驗

圖2 落錘沖擊試驗機（來自網(wǎng)絡圖片）

圖3 落錘沖擊破壞樣品

圖4 液壓試驗設備（來自網(wǎng)絡圖片）

三、混料過程監(jiān)控

混料過程，是按照規(guī)定的不同原材料的比例、順序將其投入到混料機中（見圖5），再依次進行高溫混合、低溫混合，以得到組成均勻的混合物。混料過程的關鍵在于要合理控制物料投放順序、混料溫度、混料時間，最終實現(xiàn)物料的充分均勻分散。

混料過程中，當高速混合溫度達到適合的溫度時，一般在120℃～135℃，混配料中的水分等揮發(fā)分會變成水蒸氣揮發(fā)掉，混配料重量將減輕。再進行低溫混合（溫度一般在40℃以下），將原料性能發(fā)揮到最佳，均勻分散后生產(chǎn)備用?；炫淞现兴值葥]發(fā)分含量越大，后期生產(chǎn)的管材成品性能就越不穩(wěn)定，而且會導致管材出現(xiàn)缺陷，甚至產(chǎn)生廢品。因此，各混配料選用時，其揮發(fā)分指標最好控制在0.03%以下，以更好地控制生產(chǎn)過程。

圖5 立式混料機

四、生產(chǎn)工藝控制

圖6 PVC管材生產(chǎn)線

管材生產(chǎn)過程中，要根據(jù)生產(chǎn)設備（見圖6）、管材規(guī)格、生產(chǎn)速度，并結合管材的外觀、尺寸及物理化學性能的結果，及時合理地調整生產(chǎn)工藝溫度，以制造出符合國家標準的給水用PVC-U管材和低壓輸水灌溉用PVC-U管材。

五、成品檢驗控制

GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》規(guī)定，管材出廠需檢驗外觀、顏色、不透光性、管材尺寸（長度、彎曲度、平均外徑及偏差、不圓度、壁厚、承口、插口）、縱向回縮率，以及進行落錘沖擊試驗和20℃、1h試驗條件下的液壓試驗。GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》規(guī)定，管材出廠需檢驗顏色、外觀、規(guī)格尺寸及偏差（長度、平均外徑、壁厚）、彎曲度、環(huán)剛度，以及進行靜液壓試驗和扁平試驗。

同時，管材存放場地應平整、堆放應整齊（見圖7），距離熱源不小于1m，工廠庫房內管材堆放高度不超過2m，不得露天暴曬。管材出廠檢驗項目全部合格后，才可出廠交給客戶。

圖7 PVC-U產(chǎn)品的存放

六、管道施工過程中應關注的問題

管道輸水工程具有工程隱蔽、投資較大等特點，在施工過程中必須嚴格把關各個環(huán)節(jié)，制定詳細的施工計劃，嚴格按照施工程序精心施工，以保證管道在工程投入使用后能正常運行、發(fā)揮效益。管道施工過程需注意：

1.管材和管件的檢驗

管材進入施工現(xiàn)場后，首先檢查管材尺寸誤差是否超標，管材壁厚是否均勻、有無變形，承口有無開裂，管材是否內含雜質，插口端部倒角是否合乎標準，插口有無插入深度標線，配件與管材的規(guī)格、材質、標準是否一致等。如發(fā)現(xiàn)管材有損壞、變形、變質跡象或存放超過規(guī)定期限時，應及時進行抽樣鑒定。

（1）管材的現(xiàn)場檢驗

①外觀上，管材內外壁應光滑、清潔，沒有劃傷和其他缺陷，不允許有氣泡、裂口及明顯的凹陷、雜質、顏色不均、分解變色線等。管端頭須切割平整，并與管的軸線垂直。管材與插口的工作面必須表面平整，尺寸準確，既要保證安裝時插入容易，又要保證接口的密封性能。

②管材同一截面的壁厚偏差不得超過14%。 PVC-U給水管材的彎曲度：管材公稱外徑40～200mm時，彎曲度≤1.0%；公稱外徑225mm以上（含225mm）時，彎曲度≤0.5%。PVC-U低壓輸水灌溉用管材彎曲度≤1.0%。

（2）管件的現(xiàn)場檢驗

管件壁厚不小于同規(guī)格管材壁厚；外觀表面光滑，無裂紋、氣泡、脫皮和嚴重的冷斑、明顯的雜質以及色澤不均分解變色等缺陷。

（3）管材、配件的運輸及堆放

①PVC管材及配件在運輸、裝卸及堆放過程中須輕拿輕放，嚴禁拋扔或激烈碰撞。

②PVC管材須避免陽光暴曬，短期堆放須遮蓋，若存放期較長，則須放置于室內或能防曬隔雨的棚庫內，以防變形和老化、強度及韌性下降。

③PVC管材、配件堆放時，須放平墊實，考慮安全要求，施工工地管材堆放高度不得超過1.5m；對于承插式管材、配件堆放時，相鄰兩層管子的承口相互倒置并讓出承口部位，以免承口承受集中荷載。

④PVC管材運輸和堆放時可以采用大管套小管的形式，但套裝的管子須呈自由狀態(tài)，避免使內外管處于過度擠撐狀態(tài)。

⑤管材堆放須擺放整齊，避免雜亂無序使管子受到擠壓產(chǎn)生永久變形。

⑥不同規(guī)格的管子須分別堆放，避免安裝時尺寸不配或互相用錯管子而發(fā)生爆管事故。

⑦嚴禁施工現(xiàn)場拖拉管子，以防止管身特別是插口端部密封接觸部位劃傷，造成接頭漏水 。

2.管溝開挖

管溝地面開挖放線范圍復核無誤后，采用小型挖掘機與人工配合開挖管溝。人工整修、機械開挖時沿底部預留10cm左右保護層，挖土直接堆放到溝邊。開挖施工前，首先檢驗管溝軸線和高程，然后每隔10m布設一軸線和高程樁，確定出管溝軸線和各點開挖高程；管溝粗挖成型后，在渠底每10m設一軸線樁，在軸線樁上標出渠底高程的準確位置，掛線人工整修。

管溝開挖應滿足：施工方便；不易塌方；凍土地區(qū)，管材應在凍土層以下；管材能承受上方載荷；管溝底部平整；管材周圍10cm內無堅硬物體。

3.管道安裝

管溝開挖分段完成驗收合格后，進行管道安裝。安裝前，需進行管道承口與插口的管徑量測，并編號記錄，進行公差配合，以便安裝時容易插入和保證接口的嚴密性。放入管溝內時，需采用可靠的軟帶吊具，平穩(wěn)下溝，避免與溝壁或溝底激烈碰撞。

管材連接方式主要有兩種:

①彈性密封圈連接，主要適用于直徑63mm以上的管材；

②膠合劑粘接，主要適用于直徑110mm以下的管材。

應當注意，當管道口徑大于100mm時，三通、四通、彎頭、異徑管和閘閥處均應根據(jù)管內壓力計算出軸向推力，據(jù)此設置止推墩、固定墩、防滑墩等。

彈性密封圈連接

連接流程為：清理工作面、安裝膠圈、涂潤滑劑、平直對口插入、塞尺檢查，見組圖8。在此過程中，應注意膠圈不要頂翻，潤滑劑可用肥皂水、洗潔精、凡士林等，不能用黃油、潤滑油等油類；要涂抹均勻無雜物；承口、插口要在一條直線上。

圖8 彈性密封圈連接流程

膠合劑粘接

硬質膠合劑是PVC原料溶解于特殊的溶劑制造而成的一種膠液，當PVC表面涂以膠合劑即呈膨潤狀，如與另一PVC緊密粘結時可使兩PVC表面上的分子變得很接近，待溶劑揮發(fā)后兩PVC接合面膠著成為一體。PVC管道粘接，則利用此原理實施。連接流程為：清理工作面、試插、涂抹膠合劑、粘接、凝結固化，見組圖9。在此過程中，注意粘接前將兩管試插一次，在插入端表面劃出插入承口深度的標線；涂刷膠合劑時，用毛刷將粘接劑迅速涂刷在插口外側及承口內側結合面上，先涂承口，后涂插口，軸向涂刷，涂刷均勻適量；粘接后，不得立即對接合部位強行加載，須靜置固化。

圖9 膠合劑粘接流程

安徽省郎溪縣飛里鎮(zhèn)農(nóng)村飲水工程PVC-U管材施工工地

山東省無棣縣月湖供水工程PVC-U管道回填現(xiàn)場

4.管道試壓與驗收

（1）分段試壓

PVC-U給水、低壓灌溉管道試壓段的長度視具體情況而定。對于無節(jié)點連接的管道，試壓管長度不宜大于1.5km；有節(jié)點的管道，試壓段長度不宜大于1km。

（2）管道充水

管道充水時應緩慢進行，充水同時應排出管道內的空氣。管道充滿水后，在無壓情況下至少保持12h。

（3）試壓方法

PVC-U管道水壓試驗有嚴密性試驗和強度試驗2項內容?？砂凑铡禖ECS17—2000埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術規(guī)程》的要求進行試壓。

①嚴密性試驗：管道充水12h后，將管內水壓加到0.35MPa，并保持2h，檢查各部位是否有滲漏或其他不正?，F(xiàn)象。試驗時為保持管內壓力可向管內補水。嚴密試驗時，若在2h中無滲漏現(xiàn)象為合格。

②強度試驗：嚴密性試驗合格后，進行強度試驗，管內試驗壓力為設計工作壓力的1.5倍，但不低于0.35MPa，保持試驗壓力2h，當壓力降至0.02MPa時，向管內補水，記錄為保持試驗壓力所增補水量的總值，若漏水量不超過規(guī)范允許漏水量時，則認為試驗管段承受住了強度試驗。

（4）管溝回填

①溝槽回填一般分2次進行。鋪設管道的同時，用符合要求的原土人工回填至管道兩肋，分層（每層0.1～0.15m）夯實，直至回填到管頂以上至少0.1m處。管道接口前后0.2m范圍內不得回填，以便觀察試壓時的滲漏情況。

②管道試壓合格后大面積回填，宜在管道內充滿水但無壓的情況下進行，回填時，要從管道兩側同時回填，不得有機械在管道上方地面行駛。

③管頂30cm以內回填土輕夯夯實，管頂30cm以上至地面回填土采用分層灌水法使其密實度達到要求。

課后思考

A和B生產(chǎn)商生產(chǎn)同一種性能的PVC原料，但其揮發(fā)分技術指標存在差異，即PVC原料烘干后含水量不一致。其中，A生產(chǎn)商供應的PVC原料:揮發(fā)分技術指標是1%，價格是10000元/t；B生產(chǎn)商供應的PVC原料:揮發(fā)分技術指標是4%，價格是9800元/t。

請問如果要購買100tPVC原料，你會選擇哪個生產(chǎn)商，才能把采購成本降到最低？

（答案見本期）

主講嘉賓：武新國

中國認證認可協(xié)會自愿性產(chǎn)品認證高級檢查員，精通聚氯乙烯系列管道、聚烯烴管道的原料、生產(chǎn)過程和成品檢驗控制及管道應用等，曾參與相關塑料管道國家標準的制定。

主講嘉賓：彭克奇

水利部農(nóng)村飲水安全中心原高級工程師，長期從事農(nóng)村飲水安全工程及農(nóng)田節(jié)水灌溉工程新技術、新產(chǎn)品、新材料及標準的推廣工作。