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        幾種常見給水PVC工程管道的對(duì)比分析

        2021-04-20 02:18:54朱瑞霞武芷萱
        中國(guó)塑料 2021年3期
        關(guān)鍵詞:給水管密封圈配料

        朱瑞霞,甘 露,武芷萱

        (河北泉恩高科技管業(yè)有限公司,河北廊坊065000)

        0 前言

        在我國(guó),塑料管道以其無(wú)以比擬的優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展,2019 年中國(guó)塑料管道整體產(chǎn)能超過(guò)30 000 kt,總產(chǎn)量16 000 kt,較2018 年同比增長(zhǎng)2.1 %[1]。PVC 管道具有耐腐蝕、流動(dòng)阻力小、使用壽命長(zhǎng)、安裝方便、生產(chǎn)能耗低、可回收利用等優(yōu)異的性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì),優(yōu)質(zhì)PVC 管道在我國(guó)的推廣應(yīng)用符合我國(guó)國(guó)情,有利于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

        前幾年,我國(guó)PVC-U 給水管材主要以小口徑為主,且存在設(shè)計(jì)和施工不規(guī)范等問題,在市政管道領(lǐng)域應(yīng)用較少;而以美國(guó)為例,PVC管材近幾十年來(lái)一直是市政給水管材用量最大的管材品種,而其產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性得益于其既注重原材料和配方控制,又注重生產(chǎn)過(guò)程控制,具有完善的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制體系[2]。近幾年,我國(guó)PVC 管材產(chǎn)品設(shè)計(jì)及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不斷改進(jìn)提升,出現(xiàn)了幾種新型PVC 管材,進(jìn)一步提升了產(chǎn)品要求和產(chǎn)品質(zhì)量,促進(jìn)了PVC 給水管材在我國(guó)市政給水工程中的應(yīng)用。

        由于硬聚氯乙烯管材在制造過(guò)程不加入增塑劑,因而在ISO 標(biāo)準(zhǔn)中定義為unplasticized polyvinyl chloride,簡(jiǎn)稱PVC-U。PVC-U 管材主要有ISO 標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但性能指標(biāo)存在差異。PVC-UH 給水管材是一種從產(chǎn)品原料、結(jié)構(gòu)、性能及檢測(cè)等要求均得到提升的一種新型硬質(zhì)聚氯乙烯管材,該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是參考PVC-U 的ISO 標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)PVC 給水管標(biāo)準(zhǔn)編制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。PVC-M 給水管是一種通過(guò)增加改性劑使產(chǎn)品具有更好的抗沖擊性能和抗開裂性能,并保持高強(qiáng)度的改性聚氯乙烯管材;PVC-O 給水管是通過(guò)管材加工過(guò)程中的雙向拉伸,通過(guò)分子取向使管材強(qiáng)度大幅度提升并具有高韌性的聚氯乙烯管材。

        本文從原料、設(shè)備、性能及連接結(jié)構(gòu)等方面介紹并對(duì)比了PVC-U、PVC-UH、PVC-M 及PVC-O 4 種常見的PVC 給水管材,總結(jié)分析了PVC-UH 管道的選取優(yōu)勢(shì),并對(duì)PVC-UH管道的正確安裝和施工提出建議,為用戶正確選擇優(yōu)質(zhì)的PVC 給水管材及中大口徑PVC管材的設(shè)計(jì)施工提供參考,從而促進(jìn)PVC 管材在我國(guó)市政管網(wǎng)中的快速應(yīng)用和發(fā)展。

        1 產(chǎn)品概述

        PVC-U、PVC-UH、PVC-M 及PVC-O 給水管均為硬質(zhì)聚氯乙烯實(shí)壁管材,主要應(yīng)用于水溫不超過(guò)45 ℃的埋地承壓輸水系統(tǒng)的主干線和支線管道,也可用于室內(nèi)或管廊內(nèi)使用。4 種管材現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)情況及管材規(guī)格如表1所示。

        表1 4種PVC給水管執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)情況Tab.1 Standards for the four types of PVC water supply pipes

        2 混配料技術(shù)要求

        混配料即基礎(chǔ)樹脂PVC 與各種必要助劑的均勻混合物,是用于PVC 管材直接擠出的原材料[4]。對(duì)于壓力管材,PVC 混配料的配方設(shè)計(jì)及混配料的性能指標(biāo)非常關(guān)鍵,直接影響產(chǎn)品的性能及長(zhǎng)期使用壽命,PVC 樹脂及各種助劑對(duì)產(chǎn)品性能的影響可參考《聚氯乙烯配方設(shè)計(jì)與制品加工》[5]。本章節(jié)主要從混配料性能指標(biāo)、混配料定級(jí)要求及混配料配方設(shè)計(jì)要求三方面進(jìn)行介紹。

        2.1 混配料性能要求

        在我國(guó)PVC 給水管材中,PVC-UH 管材參考美國(guó)PVC 給水管標(biāo)準(zhǔn)AWWA C900 規(guī)定了混配料的物理力學(xué)性能要求,如表2所示,目前其他幾種PVC 給水管中暫未有關(guān)于混配料性能指標(biāo)的規(guī)定。該指標(biāo)的要求更好地控制了管材原料和配方的選取及質(zhì)量控制。

        表2 PVC-UH給水管規(guī)定的PVC混配料的物理力學(xué)性能要求Tab.2 Physical and mechanical properties of PVC compound for PVC-UH pipes

        2.2 混配料定級(jí)要求

        PVC壓力管道設(shè)計(jì)使用壽命50年,管材的混配料應(yīng)按照ISO 9080或GB/T 18252的規(guī)定進(jìn)行混配料定級(jí)試驗(yàn),即混配料以管材形式進(jìn)行的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn),以20 ℃、50年對(duì)應(yīng)的分級(jí)強(qiáng)度即最小要求強(qiáng)度(MRS)進(jìn)行表征。PVC-U給水管、PVC-UH給水管、PVC-M給水管及PVC-O給水管混配料定級(jí)要求情況如表3所示。

        在ISO 1452-1:2009 中對(duì)材料進(jìn)行了級(jí)別劃分,根據(jù)材料的最小要求靜液壓強(qiáng)度值,規(guī)定了管材用PVC材料MRS 為25 MPa,即材料等級(jí)為PVC-U 250。PVC-U 管材國(guó)標(biāo)GB/T 10002.1—2006 對(duì)管材混配料的壓力等級(jí)沒有進(jìn)行規(guī)定。PVC-UH 給水管材對(duì)混配料規(guī)定了MRS≥25 MPa的定級(jí)要求。PVC-M 管材的MRS≥24.5 MPa。

        表3 PVC給水管混配料定級(jí)要求情況Tab.3 Requirements for the classification of PVC compound for water supply pipes

        ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PVC-O 管材的MRS 分為5 種:31.5、35.5、40、45、50 MPa,對(duì)應(yīng)的管材原材料等級(jí)代碼分別為315、355、400、450、500,其中400 和450 等級(jí)一般生產(chǎn)較多,其他幾種不常用。

        2.3 混配料關(guān)鍵物料的選擇要求

        PVC 給水管材配方主要由PVC 樹脂、穩(wěn)定劑、內(nèi)外潤(rùn)滑劑、填料、著色劑、抗沖改性劑及加工助劑等按一定比例組成,各種原料的選取及配比對(duì)管材的性能及使用都起到至關(guān)重要的作用。

        PVC管材的加工對(duì)PVC樹脂的熔體流動(dòng)性能有較高要求,實(shí)際生產(chǎn)中,一般選用SG-5 型懸浮法PVC 樹脂。PVC制備方法分為乙烯法和電石法。乙烯法是從石油中提取乙烯,讓氯氣與乙烯發(fā)生取代反應(yīng),制得氯乙烯單體,經(jīng)聚合反應(yīng)生成聚氯乙烯樹脂。代表廠家有美國(guó)Oxy Vinyl LP 公司,中國(guó)石化齊魯石化公司、天津樂金大沽化學(xué)有限公司等。電石法一般在國(guó)內(nèi)比較通用,是利用電石(碳化鈣),遇水生成乙炔,將乙炔與氯化氫合成制出氯乙烯單體,再經(jīng)聚合反應(yīng)生成聚氯乙烯樹脂,代表廠家有茌平信發(fā)華興化工有限公司、新疆天業(yè)(集團(tuán))有限公司、新疆中泰化學(xué)股份有限公司等。

        PVC 是工業(yè)上最具熱敏性、極易產(chǎn)生熱降解的聚合物之一,熱穩(wěn)定劑是PVC管材加工不可缺少的助劑。在PVC 管材生產(chǎn)過(guò)程中,目前常用的熱穩(wěn)定劑有鈣鋅穩(wěn)定劑和有機(jī)錫穩(wěn)定劑,歐洲主要使用鈣鋅穩(wěn)定劑,美國(guó)廣泛使用有機(jī)錫穩(wěn)定劑,在我國(guó)目這2 種都有使用。鈣鋅穩(wěn)定劑一般為復(fù)合穩(wěn)定劑,添加量相對(duì)較高;有機(jī)錫穩(wěn)定劑一般添加量較低,對(duì)于中大口徑管材的生產(chǎn)穩(wěn)定效果較好。鈣鋅穩(wěn)定劑的代表廠家有德國(guó)熊牌、大連開米森化工產(chǎn)品有限公司、山東金昌樹新材料科技有限公司等;有機(jī)錫穩(wěn)定劑的代表廠家有美國(guó)Galata Chemicals 公司、美國(guó)PMC 公司等。若對(duì)管材具有高的耐候性要求,也可以加入適量抗氧劑和光穩(wěn)定劑。

        PVC管材加工中,內(nèi)外潤(rùn)滑劑也必不可少,主要使用的潤(rùn)滑劑有硬脂酸、石蠟、聚乙烯蠟及兼具穩(wěn)定作用的硬脂酸鈣等,潤(rùn)滑體系的用量應(yīng)根據(jù)設(shè)備及產(chǎn)品配方設(shè)計(jì)要求確定,關(guān)鍵是要能夠保證混配料具有良好的塑化效果,使管材的熱變形溫度和力學(xué)性能不受到明顯影響。潤(rùn)滑劑的代表廠家有美國(guó)Honeywell公司、美國(guó)Sasol Wax公司等。

        PVC 管材中根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)也會(huì)添加碳酸鈣填料,碳酸鈣的作用主要是提高管材剛性、減少收縮率,同時(shí)也降低成本。碳酸鈣的加入,會(huì)降低管材產(chǎn)品的強(qiáng)度,增加脆性,因此,PVC管材生產(chǎn)中碳酸鈣填料應(yīng)控制適當(dāng)用量。碳酸鈣一般分為重鈣和輕鈣,重鈣配方的混配料流動(dòng)性較好,適合集中供料輸送系統(tǒng),尤其是風(fēng)輸送系統(tǒng);輕鈣配方的混配料流動(dòng)性相對(duì)較差,密度偏小,但對(duì)于添加量很少的給水管配方影響不大。重鈣的代表廠家有歐米亞集團(tuán),江西廣源化工有限責(zé)任公司等;輕鈣的代表廠家一般比較區(qū)域化,如河北區(qū)域主要有石家莊市三興鈣業(yè)有限公司、河北陸德化工有限公司等。

        PVC 管材的顏色一般為灰色或藍(lán)色,著色劑常用的主要有鈦白粉、炭黑及酞青藍(lán)等。一般著色劑的添加量較少,需要具有很好的著色力及耐候性。代表廠家有杜邦中國(guó)集團(tuán)有限公司、卡博特化工(天津)有限公司、巴斯夫化工有限公司等。

        抗沖改性劑及加工助劑在PVC 管材加工中有利于改善管材的抗沖擊性能及加工性能。生產(chǎn)代表廠家有日本鐘淵化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社、美國(guó)羅門哈斯公司、蘇州安利化工有限公司、山東日科化學(xué)股份有限公司等。

        2.4 混配料配方設(shè)計(jì)要求

        根據(jù)2.1 混配料性能要求和2.2 混配料定級(jí)要求可以看出,4 種管材的混配料要求不同,因此4 種管材產(chǎn)品的配方設(shè)計(jì)及成本也有一定差異,具體配方設(shè)計(jì)要求參考表4。因產(chǎn)品設(shè)計(jì)不同,產(chǎn)品性能指標(biāo)也存在差異,本文第5節(jié)將詳細(xì)闡述。

        3 允許內(nèi)壓及抗外壓能力

        3.1 管材的允許內(nèi)壓

        壓力管道設(shè)計(jì)應(yīng)力:

        式中 P——管材的公稱壓力(設(shè)計(jì)壓力),MPa

        σs——壓力管道設(shè)計(jì)應(yīng)力,MPa

        dn——公稱外徑,mm

        en——公稱壁厚,mm

        表4 4種PVC給水管的配方設(shè)計(jì)要求Tab.4 Formula design requirements for the four types of PVC water supply pipes

        表5 國(guó)內(nèi)各種PVC壓力管材設(shè)計(jì)應(yīng)力的最大允許值Tab.5 Maximum allowable value of design stress of various PVC pressure pipes in China

        根據(jù)CJJ 101—2016《埋地塑料給水管道工程技術(shù)規(guī)程》4.1.7 可知,管材的設(shè)計(jì)壓力標(biāo)準(zhǔn)值等于1.5 倍的工作壓力標(biāo)準(zhǔn)值,即:

        式中 Pwk——管材的工作壓力,MPa

        可以看出,PVC-UH 管材的總體使用(設(shè)計(jì))系數(shù)較PVC-M 管材和PVC-O 管材均高,即在長(zhǎng)期使用過(guò)程中具有更高的安全性保障。

        3.2 管材的抗外壓能力

        根據(jù)GB/T 19278—2018 中2.4.2 環(huán)剛度的定義可知環(huán)剛度與管材壁厚成3 次方的關(guān)系,環(huán)剛度(S)核算公式簡(jiǎn)化為:

        式中 S——環(huán)剛度,kN/m2

        E——管壁材料的彈性模量,對(duì)于PVC 管材規(guī)范規(guī)定選取3 000 MPa

        dn——公稱外徑,mm

        en——公稱壁厚,mm

        可以看出,同種外徑的管材,壁厚越大、環(huán)剛度越大、抗外壓變形的能力越大。4種管材環(huán)剛度比較如表6所示(以公稱壓力1.0 MPa 管材為例)。從表6 可以看出,PVC-M 和PVC-O 管材從設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)看,達(dá)到使用壓力要求的管材可選擇壁厚更薄的,但壁厚太薄也會(huì)使得管材的抗外壓變形能力較差。

        表6 4種管材環(huán)剛度比較Tab.6 Comparison of ring stiffness for four kinds of PVC pipes

        若按照同等環(huán)剛度比較,對(duì)于PVC-M 和PVC-O管材的公稱壓力等級(jí)較高,因材料配方成本和加工成本更高,其管材成本也高于PVC-U及PVC-UH管材。

        4 設(shè)備要求

        PVC-U、PVC-UH及PVC-M給水管具有相同的設(shè)備要求,即管材生產(chǎn)必須的物料完成混料后,混配料的擠出成型都是通過(guò)擠出機(jī)、成型口模、定型模、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置形成的整條產(chǎn)線及擴(kuò)口設(shè)備來(lái)完成的。擠出機(jī)是PVC 管材生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,可以完成對(duì)PVC混配料的加熱、熔融混煉和塑化,并使熔體壓緊壓實(shí),以均勻的流速進(jìn)入機(jī)頭口模中。PVC管材生產(chǎn)常用的擠出機(jī)目前主要為異徑錐雙螺桿或異徑平雙螺桿擠出機(jī)。一般錐雙螺桿擠出機(jī)產(chǎn)生的剪切熱量大于平雙擠出機(jī),使預(yù)塑效果更好,錐雙螺桿擠出機(jī)目前在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速;而對(duì)于大口徑PVC管材的生產(chǎn),能夠滿足塑化要求的情況下,平雙螺桿能夠具有更好的產(chǎn)出量及加工穩(wěn)定性,一般平雙螺桿的擠出機(jī)設(shè)備在大口徑PVC管材的生產(chǎn)中使用較多。PVC管材擠出機(jī)設(shè)備代表廠家有德國(guó)Bottenfeld、德國(guó)KraussMaffei、上海金緯擠出機(jī)械制造有限公司、寧波方力機(jī)械有限公司等。

        對(duì)于PVC-O給水管,與其他3種管材的生產(chǎn)設(shè)備不同,擠出成型的管材經(jīng)過(guò)二次預(yù)熱后進(jìn)行軸向拉伸和環(huán)向擴(kuò)張,制備形成規(guī)定尺寸的PVC-O管材,該產(chǎn)品在設(shè)備和工藝要求上更高,產(chǎn)品加工成品率較其他3種管材偏低,生產(chǎn)加工成本較高。PVC-O管材的生產(chǎn)設(shè)備目前有一步法和兩步法兩種類型,也稱為“在線”和“離線”加工法。一步法是管材擠出成型的生產(chǎn)線上建立取向加工系統(tǒng),擠出成型的管材進(jìn)行環(huán)向的擴(kuò)張以及牽引產(chǎn)生軸向的拉伸,最后經(jīng)過(guò)冷卻制備PVC-O 管材。與二步法相比,該方法生產(chǎn)效率高,尺寸控制精度高,目前在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已應(yīng)用多年,在國(guó)內(nèi)也逐步得到發(fā)展,代表設(shè)備廠家有荷蘭Wavin公司、荷蘭Rollepaal公司。

        5 性能指標(biāo)要求

        5.1 PVC-U及PVC-UH給水管

        我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PVC-U 管材在性能指標(biāo)上與ISO1452-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PVC-U 管材有一定差異,耐壓性能要求降低,抗沖擊性能要求提高,即落錘沖擊試驗(yàn)(TIR)要求≤5%,較ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TIR≤10%在管材韌性方面提出了更高的要求。PVC-UH 管材參考PVC-U 給水管ISO 標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)PVC 給水管標(biāo)準(zhǔn)制定,管材的物理力學(xué)性能要求增加了壓扁試驗(yàn)和整管水壓性能,實(shí)現(xiàn)每根管材的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控且抗沖擊性能要求較ISO 標(biāo)準(zhǔn)提高,落錘沖擊試驗(yàn)要求較ISO 標(biāo)準(zhǔn)提升至TIR≤5 %。國(guó)內(nèi)PVC-U 給水管和PVC-UH 給水管的性能指標(biāo)對(duì)比如表7所示[6]。

        表7 PVC-U和PVC-UH給水管的性能指標(biāo)對(duì)比Tab.7 Performance comparison of PVC-U and PVC-UH water supply pipes

        根據(jù)ISO 1452-1:2009給出的PVC-U 250長(zhǎng)期靜液壓標(biāo)準(zhǔn)曲線(如圖1 所示[7]),可以看出,滿足MRS≥25 MPa混配料定級(jí)要求的管材進(jìn)行長(zhǎng)期靜液壓試驗(yàn)過(guò)程中,短期耐壓要求也可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線上看出。20 ℃、1 h對(duì)應(yīng)的環(huán)應(yīng)力要求為42 MPa、60 ℃、1 000 h對(duì)應(yīng)的環(huán)應(yīng)力要求為10 MPa。從表7可以看出,PVC-UH管材滿足PVC-U 250長(zhǎng)期靜液壓標(biāo)準(zhǔn)曲線耐壓要求,而國(guó)標(biāo)規(guī)定的PVC-U管材在短期耐壓指標(biāo)(20 ℃、1 h、38 MPa環(huán)應(yīng)力)上低于標(biāo)準(zhǔn)曲線要求,也無(wú)法滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PVC-U管材能夠滿足MRS≥25 MPa的設(shè)計(jì)要求。

        5.2 PVC-M給水管

        表8 為PVC-M 給水管標(biāo)準(zhǔn)性能要求,可以看出,PVC-M 產(chǎn)品在落錘沖擊、切口管材靜液壓試驗(yàn)及C-環(huán)韌度方面進(jìn)行了規(guī)定,對(duì)于dn≥110 mm 的管材規(guī)定了23 ℃、20 m高速?zèng)_擊試驗(yàn),對(duì)產(chǎn)品抗沖擊性能及韌性要求很高。按照PVC-M 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的管材產(chǎn)品,韌性和抗沖擊性能很好[8]。

        PVC-M 管材產(chǎn)品除對(duì)抗沖擊性能及韌性有很高的要求外,同樣對(duì)耐壓性能有要求。因此,按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的PVC-M 管材產(chǎn)品配方成本較常規(guī)PVC-U 或PVCUH 管材要高,且加工產(chǎn)量偏低;因其總體使用(設(shè)計(jì))系數(shù)降低,使得其公稱壓力較常規(guī)PVC-U 或PVC-UH管材高一個(gè)等級(jí),所以一般同等壓力等級(jí)的管材米價(jià)成本基本一致,或PVC-M 管材略高。而對(duì)于埋地工程管道而言,長(zhǎng)期耐壓性能是產(chǎn)品的主要指標(biāo),抗沖擊性能及韌性滿足正常使用要求即可。

        圖1 ISO 1452-1:2009 PVC-U 250定級(jí)曲線[7]Fig.1 Standard curves for PVC-U 250 of ISO 1452-1:2009[7]

        表8 PVC-M給水管性能要求Tab.8 Performance requirements of PVC-M water supply pipes

        5.3 PVC-O給水管

        6 接口形式

        PVC 管材最常用的接口是粘接、承插連接和法蘭連接。一般200 mm 以下口徑的管材可采用膠黏劑粘接,110 mm 及以上口徑管材大多都采用密封圈承插連接,與鋼管或閥門等連接采用機(jī)械法蘭連接。

        表9 PVC-O給水管性能要求Tab.9 Performance requirements of PVC-O water supply pipes

        密封圈密封承插連接目前主要有R 口活套密封圈承口形式和鋼骨架一體成型密封圈承口形式,R 口活套密封圈一般在常規(guī)PVC-U 給水管,PVC-M 給水管及PVC-O 給水管中應(yīng)用較多;鋼骨架一體成型密封圈承口形式在PVC-UH 給水管中應(yīng)用較多,具體可參考CJ/T 493-2016標(biāo)準(zhǔn)。

        PVC-UH 給水管一體成型鋼骨架密封圈結(jié)構(gòu)是指鋼骨架密封圈在管材擴(kuò)口同時(shí)嵌入擴(kuò)口中,擴(kuò)口凹槽結(jié)構(gòu)由密封圈直接預(yù)制成型,擴(kuò)口完成后,形成一體成型的鋼骨架密封圈承口結(jié)構(gòu),非破壞情況下,承口中密封圈不可脫出,鋼骨架密封圈中鋼骨架主要起支撐作用,鋼骨架本身不承壓。 PVC-U 給水管與PVC-UH給水管承口結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

        圖2 PVC-U給水管與PVC-UH給水管承口結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of PVC-U and PVC-UH pipe bell structure

        7 PVC-UH管材的選取優(yōu)勢(shì)

        7.1 PVC-UH管材優(yōu)勢(shì)概述

        隨著產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量的提升,PVC 管材的性能優(yōu)勢(shì)也在實(shí)際的使用過(guò)程中凸顯。根據(jù)國(guó)家環(huán)保要求的發(fā)展,PVC管材的生產(chǎn)目前已基本要求無(wú)鉛,尤其是給水管材,標(biāo)準(zhǔn)中已明確規(guī)定不應(yīng)使用鉛鹽,產(chǎn)品具有良好的衛(wèi)生性能,能夠滿足國(guó)內(nèi)飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求及美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生基金會(huì)(NSF)衛(wèi)生要求;PVC 工程管道以密封圈連接為主,屬于柔性連接,每根管材自身的熱脹冷縮可以在承插口位置自行消耗,不需要單獨(dú)設(shè)置伸縮節(jié);PVC 密封圈連接管材,尤其是PVC-UH 鋼骨架一體成型的連接結(jié)構(gòu),使管材能夠承受至少1°左右的偏角,且極限可承受偏角達(dá)3.5°左右(正常施工情況下偏角不允許超過(guò)1°),在地基較軟或低頻次地震區(qū)域也具有很好地應(yīng)用,與球墨鑄鐵管材或水泥管材等相比,具有更好的承口密封性;PVC管材對(duì)于管材的長(zhǎng)期耐壓性能,柔韌性都具有明確的指標(biāo)要求,埋地使用過(guò)程中實(shí)際使用壽命可達(dá)100年以上。

        縱觀全文比對(duì)分析內(nèi)容可以看出,PVC-U 給水管未對(duì)混配料定級(jí)提出要求,且1 h 靜液壓試驗(yàn)的環(huán)應(yīng)力要求低于長(zhǎng)期使用壽命設(shè)計(jì)要求;PVC-M 管材具有很好的抗沖擊性能,但生產(chǎn)成本高,800 mm以上大口徑生產(chǎn)難度大,且目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)混亂,嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求生產(chǎn)的廠家非常少;PVC-O管材強(qiáng)度和韌性雖然都很好,但口徑偏小,一般在630 mm 以下,管材生產(chǎn)難度大,成品率低,且管材壁厚薄,承受外壓的能力很小;PVC-UH管材從壓力設(shè)計(jì)上要求混配料滿足MRS≥25 MPa 的定級(jí)要求,靜液壓和抗沖擊試驗(yàn)條件高,強(qiáng)度和韌性都具有很高的要求,管材承口為一體成型的鋼骨架密封圈結(jié)構(gòu),安裝快捷方便,且每根要求進(jìn)行整管水壓試驗(yàn),且目前國(guó)內(nèi)最大口徑已生產(chǎn)至1 200 mm,該產(chǎn)品是綜合性價(jià)比最好的一種市政給水管材。綜合而言,PVC-UH管材在標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求上對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度和韌性的各項(xiàng)性能指標(biāo)都做了嚴(yán)格規(guī)定,并能滿足50 年以上設(shè)計(jì)使用壽命要求,安裝快捷方便,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,在市政管輸水領(lǐng)域具有明顯的選取優(yōu)勢(shì)。

        7.2 PVC-UH管材的應(yīng)用

        PVC-UH 管材近幾年在市政工程領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用,目前在南水北調(diào),崇禮冬奧會(huì)、青海引大濟(jì)煌、北京大興機(jī)場(chǎng)、成都天府機(jī)場(chǎng)、二連浩特供水管網(wǎng)改造、寧夏濱河新區(qū)產(chǎn)業(yè)園、上海迪斯尼樂園、新疆阿圖什配水工程等重點(diǎn)工程項(xiàng)目中都得到很好的應(yīng)用,應(yīng)用規(guī)格包含了160 mm≤dn≤1 200 mm 各中大口徑的PVC-UH 管材。圖3 為PVC-UH 管材的典型應(yīng)用案例。

        圖3(a)項(xiàng)目為南水北調(diào)衡水段,沿線穿越大廣高速、213省道,管材規(guī)格為dn800 SDR41(0.63 MPa),項(xiàng)目總長(zhǎng)17.2 公里。項(xiàng)目管件采用大口徑全塑承插彎頭,此項(xiàng)目PVC-UH 管材采用一體成型鋼骨架密封圈承插連接,密封性好不泄露,管材重量輕,安裝方便,一個(gè)工作面每天可至少安裝400 m。此項(xiàng)目于2016 年7月通水運(yùn)行,目前一直運(yùn)行良好,無(wú)任何泄漏問題。

        圖3 PVC-UH管材的典型應(yīng)用案例Fig.3 Typical application cases of PVC-UH pipes

        圖3(b)項(xiàng)目為雙遼市遼東給水廠及配套管網(wǎng)工程項(xiàng)目,管材規(guī)格315 mm≤dn≤800 mm,項(xiàng)目總長(zhǎng)111 km。此項(xiàng)目于2018 年底施工完成,目前運(yùn)行良好,無(wú)任何泄漏問題。

        圖3(c)項(xiàng)目為崇禮區(qū)冬奧核心區(qū)棋盤梁至云頂、北歐中心、冬季兩項(xiàng)中心和太舞公路沿線崇禮區(qū)輸配水管網(wǎng)項(xiàng)目——長(zhǎng)城嶺段輸、配水項(xiàng)目。管材規(guī)格160 mm≤dn≤450 mm,SDR17(1.6 MPa),項(xiàng)目總長(zhǎng)77 km。目前此項(xiàng)目即將施工完成,部分管段已打壓驗(yàn)收完成。

        7.3 PVC管材在美國(guó)的應(yīng)用情況

        美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PVC 管材與本文規(guī)定的PVCUH 管材性能要求及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本一致,PVC 管材在美國(guó)是發(fā)展最成熟的塑料管材,其應(yīng)用范圍囊括了所有給排水系統(tǒng),是美國(guó)給水管道的主流產(chǎn)品[2],JM Eagle集團(tuán)的PVC給水管材和排污、排水管材在美國(guó)已有幾十年的應(yīng)用,如Fort Leonardwood 項(xiàng)目、Inland water works項(xiàng)目、Rowlett污水管網(wǎng)改造項(xiàng)目等。

        8 PVC-UH管材的施工建議

        PVC-UH 管材安裝應(yīng)按照GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和CJJ 101-2016《埋地塑料給水管道工程技術(shù)規(guī)程》的要求執(zhí)行。管材的安裝及回填非常重要,合理規(guī)范的操作可保障管材百年以上的使用壽命,并成為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要成分。對(duì)于大口徑PVC-UH管材,安裝及施工應(yīng)注重細(xì)節(jié),此文結(jié)合實(shí)際施工出現(xiàn)的不規(guī)范操作給出幾條施工建議,以便客戶正確使用PVC-UH管材:

        (1)承口(含密封圈)安裝前要清潔,并涂抹潤(rùn)滑劑;

        (2)管材承插過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照安裝指導(dǎo)線進(jìn)行安裝,避免過(guò)度承插[9];承插應(yīng)水平,借轉(zhuǎn)角度控制在1°以內(nèi),軸向偏移過(guò)大在承插口位置有可能產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)[10],在外壓力作用下,對(duì)管材的長(zhǎng)期使用壽命可能存在隱患;

        (3)管材不能直接敷設(shè)在原地基上,應(yīng)具有墊層,墊層敷設(shè)在管溝底部,為管材提供均勻支撐的材料,美國(guó)Howard《Pipeline Installation 2.0》[11]中表示在管底正下方位置的墊層不壓實(shí),不壓實(shí)的墊層為管道創(chuàng)造一種緩沖,并最大限度減少點(diǎn)載荷,不壓實(shí)墊層的寬度僅需要1 倍的管材外徑或1/3 管溝寬度,兩者取較小的數(shù)據(jù),其他位置的墊層需要按規(guī)范要求壓實(shí);而國(guó)內(nèi)塑料管道施工規(guī)范規(guī)定管底墊層壓實(shí)度應(yīng)≥90 %,管道有效支撐角范圍墊層壓實(shí)度應(yīng)≥95 %,結(jié)合目前國(guó)內(nèi)施工現(xiàn)狀及墊層材料情況,建議參考國(guó)內(nèi)施工規(guī)范的要求進(jìn)行墊層選擇及處理;美國(guó)《管道安裝2.0》規(guī)定墊層厚度至少10 cm[11],國(guó)內(nèi)規(guī)范一般要求不小于15 cm。墊層可采用滿足尺寸要求的砂礫,或中、粗砂。

        (4)回填應(yīng)采取中、粗砂填充壓實(shí),其壓實(shí)系數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求;溝槽回填時(shí),不得回填淤泥、有機(jī)物或凍土,回填土中不應(yīng)含有石塊、磚及其他雜物;

        (5)對(duì)于承插口連接位置,在管材敷設(shè)溝槽內(nèi)應(yīng)設(shè)置承口凹槽,避免承口位置受力,如圖4所示。

        圖4 承口凹槽示意圖Fig.4 Schematic diagram of the bell hole

        (6)冬季施工應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范管材的運(yùn)輸、裝卸、安裝及回填。

        9 結(jié)語(yǔ)

        本文對(duì)PVC-U、PVC-UH、PVC-M及PVC-O給水管的性能特點(diǎn)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面對(duì)比分析,可以看出,PVC-UH給水管在混配料性能要求及混配料定級(jí)方面要求更加全面;PVC-UH給水管設(shè)計(jì)安全系數(shù)高,更利于運(yùn)行的安全性,并具有很好的抗外壓能力;PVC-UH管材目前國(guó)內(nèi)最大口徑生產(chǎn)至1 200 mm口徑,PVC-M管材最大口徑為800 mm,PVC-O 管材最大口徑為630 mm;管材性能指標(biāo)方面,PVC-UH管在耐壓及抗沖擊性能上都具有嚴(yán)格的要求,對(duì)50年以上使用壽命具有充分保障;在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面,PVC-UH 給水管為鋼骨架密封圈一體成型擴(kuò)口結(jié)構(gòu),且對(duì)每根管材增加了整管水壓測(cè)試要求,在產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)程控制方面更有保障;在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面,PVC-U管材配方及加工成本最低,但其耐壓性能等技術(shù)指標(biāo)偏低,PVC-UH管材配方成本略低于PVC-M管材,且產(chǎn)量高于PVC-M管材,PVC-UH管材生產(chǎn)加工成本低于PVC-O 管材,且大口徑管材的生產(chǎn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。綜上所述,在PVC 給水管道領(lǐng)域,PVC-UH給水管在生產(chǎn)及應(yīng)用方面具有明顯優(yōu)勢(shì),有利于PVC 管道產(chǎn)品的推廣應(yīng)用,在正確安裝和施工情況下,有利于實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)管網(wǎng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。

        PVC 管道作為性價(jià)比優(yōu)異的一種管道類型,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求選材、生產(chǎn)、檢測(cè)及安裝,有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行質(zhì)量。以降低成本、以次充好、非標(biāo)生產(chǎn)等形式制作的管材,將無(wú)法經(jīng)受時(shí)間和客戶的考驗(yàn),最終也會(huì)影響行業(yè)的順利發(fā)展。鋼骨架密封圈一體成型擴(kuò)口結(jié)構(gòu)促使管道的施工效率及施工質(zhì)量大大提升,且此結(jié)構(gòu)形式在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已使用了幾十年,近幾年在我國(guó)也得到迅速發(fā)展,希望未來(lái)在我國(guó)的PVC管道生產(chǎn)領(lǐng)域得到普遍開發(fā)應(yīng)用。

        我國(guó)目前市政輸水管道中,塑料管道占比較小,尤其是630 mm 及以上中大口徑的應(yīng)用更少。雖然近幾年也得到迅速發(fā)展且應(yīng)用效果很好,但市場(chǎng)的拓展還需要加大提升,優(yōu)質(zhì)的PVC 管道產(chǎn)品需要能夠快速得到更多客戶的認(rèn)識(shí)和認(rèn)可。

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