【摘要】文章圍繞嚴(yán)寒地區(qū)給水管線的外保溫問題展開研究。通過分析項目背景、目標(biāo)及意義，明確了研究的重要性?；趯鴥?nèi)外相關(guān)文獻的綜合評述，指出了當(dāng)前研究中的空白與不足。詳細(xì)探討了嚴(yán)寒地區(qū)的環(huán)境特征以及給水管線材料的性能，并評估了現(xiàn)有的保溫措施及其效果。在此基礎(chǔ)上，對外保溫材料的選擇、施工工藝及系統(tǒng)設(shè)計進行了深入探討，提出了適用于嚴(yán)寒環(huán)境下的優(yōu)化方案。通過對具體試驗的研究和實際項目的分析，驗證了所提方案的有效性。針對發(fā)現(xiàn)的問題，從技術(shù)改進、管理和維護等方面提出了具體的建議，為未來的研究指明了方向，同時為提高嚴(yán)寒地區(qū)給水管線的安全性和經(jīng)濟性提供了理論支持和技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】嚴(yán)寒地區(qū)；給水管線；外保溫；材料性能；優(yōu)化方案

【中圖分類號】TU991 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2025）02-0064-03

0 引言

在嚴(yán)寒地區(qū)，給水管線受到環(huán)境溫度的直接影響，冬季低溫常常導(dǎo)致管道凍結(jié)或破裂，進而影響居民的生活用水。特別是在一些極寒地區(qū)，由于凍土層的存在，傳統(tǒng)的埋地給水管道容易因反復(fù)凍融而損壞，增加了維修成本和水資源浪費。嚴(yán)寒條件下，常規(guī)的保溫材料可能無法有效抵御低溫侵襲，使得供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性大打折扣。因此，研究適用于嚴(yán)寒地區(qū)的外保溫技術(shù)對于保障正常供水、提高能源效率以及減少運營成本具有重要意義。目前，許多嚴(yán)寒地區(qū)城市和地區(qū)正在尋求更加有效的解決方案來減輕嚴(yán)寒天氣對給水管線的影響，這也促進了相關(guān)技術(shù)和管理措施的發(fā)展與革新。

改進目標(biāo)主要集中在提升嚴(yán)寒環(huán)境下給水管線的運行效率與安全性。通過采用有效的外保溫措施，顯著減少熱量損失，防止管道因低溫而產(chǎn)生凍裂等問題。此外，本項目還旨在優(yōu)化現(xiàn)有施工工藝和技術(shù)方案，提高外保溫層的穩(wěn)定性和耐久性。最終目標(biāo)是建立一套適用于嚴(yán)寒地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化外保溫系統(tǒng)，為寒冷區(qū)域提供持久可靠、經(jīng)濟高效的基礎(chǔ)設(shè)施保障。這不僅有助于降低維護成本，還能促進區(qū)域內(nèi)供水系統(tǒng)的健康發(fā)展。

1 嚴(yán)寒地區(qū)給水環(huán)境特征以及外保溫材料的應(yīng)用情況

現(xiàn)今嚴(yán)寒地區(qū)的室外給水管材通常為PE給水管，小區(qū)內(nèi)和市政二級管網(wǎng)管徑通常為De50～De200，敷設(shè)深度為凍土線以下0.2 m，敷設(shè)方式為直埋、熱熔或法蘭連接，通常管底0.3 m～管頂0.5 m處回填水撼砂，其上部回填素土，如果預(yù)算允許可以水撼砂回填至路面結(jié)構(gòu)層。

嚴(yán)寒地區(qū)冬季漫長且寒冷，氣溫可低至-40 ℃ ，并伴有強風(fēng)和降雪。在這種環(huán)境下，低溫不僅會導(dǎo)致土壤結(jié)冰層加深，增加凍土帶來的應(yīng)力，還可能直接導(dǎo)致管道內(nèi)水體凍結(jié)，從而引發(fā)管道破裂或損壞。此外，寒冷氣候還會加劇管線內(nèi)部和外部防腐涂層的老化過程，降低其防護效果。因此，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮上述條件所帶來的影響，采取科學(xué)有效的保溫措施。

通常來說，嚴(yán)寒地區(qū)只要室外給水管線敷設(shè)在凍土層以下即可保證供水要求，而實際情況卻很少能達(dá)到。以佳木斯老舊小區(qū)改造為例，給水單位希望所有給水主管線和立管都要外移至公共空間，方便檢修和維護，同時住戶也不希望公共管線在自己的戶套內(nèi)敷設(shè)，否則檢修和維護時必然對住戶內(nèi)裝修和格局造成破壞，這就導(dǎo)致室外給水管線入戶時必然爬升至凍土層以上。特別是商住樓，底部沒有公共空間，有的主管線甚至要在2、3層緩臺上明敷，這些給水管線就是凍點，若采用常規(guī)的給水管在嚴(yán)寒地區(qū)靜水一晚就必然凍脹或直接凍裂。因此，嚴(yán)寒地區(qū)給水管線的材料選擇至關(guān)重要。為保證給水系統(tǒng)的可靠性和耐久性，在極端低溫條件下通常會選用具有較高機械強度和良好抗凍融性能的材料。PE管材因其出色的韌性、較低的脆化溫度以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性而被廣泛采用。此外，樓梯間采用襯塑復(fù)合鋼管，結(jié)合鋼管的高強度與塑料的耐腐蝕特性，能夠在一定程度上克服使用單一材料時可能遇到的問題。

在嚴(yán)寒地區(qū)，給水管線通常采用多種保溫措施來延緩管內(nèi)水流結(jié)冰的時間并減少熱量損失。目前常見的保溫方式包括橡塑殼保護層、巖棉管殼包裹以及聚氨酯發(fā)泡管道等。這些保溫材料因其良好的隔熱性能和耐低溫特性，在實際應(yīng)用中顯示出較好的效果。然而，不同材料在成本、施工難度和長期穩(wěn)定性方面存在顯著差異。每種保溫措施都需要結(jié)合具體環(huán)境條件進行選用，并且定期檢查以確保其有效性。此外，為了提升整體系統(tǒng)的可靠性，一些先進的工程還采用了集成式保溫設(shè)計，將保溫層與管道緊密結(jié)合，從而進一步提高保溫效率?？偟膩碚f，選擇合適的保溫材料和施工技術(shù)對于保證給水管線在嚴(yán)寒地區(qū)的正常運行至關(guān)重要。

2 給水管線保溫材料國內(nèi)外研究進展

近年來，關(guān)于嚴(yán)寒地區(qū)給水管線外保溫的研究備受關(guān)注。國外研究主要集中在美國和加拿大，這些國家由于氣候條件惡劣，積累了豐富的實際應(yīng)用經(jīng)驗，并開發(fā)了一系列新型保溫材料和技術(shù)。美國采用聚氨酯泡沫作為主要保溫材料，而加拿大則更傾向于使用巖棉板結(jié)合防潮層的復(fù)合結(jié)構(gòu)來提高保溫效果。

國內(nèi)相關(guān)研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。中國學(xué)者通過大量試驗和工程實踐，提出了一些適應(yīng)本土條件的保溫方案。例如，在東北地區(qū)廣泛使用的聚氨酯保溫管和橡塑殼保溫管系統(tǒng)均表現(xiàn)出良好的保溫性能和耐久性。同時，隨著綠色建筑理念的推廣，人們越來越重視環(huán)保型保溫材料的研發(fā)和應(yīng)用，力求減少環(huán)境負(fù)擔(dān)。

在給水管線外保溫的研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法。理論分析側(cè)重于探索不同保溫材料的熱導(dǎo)率及其在極端低溫環(huán)境下的性能變化規(guī)律，數(shù)值模擬則利用計算機軟件對管道周圍的溫度場進行模擬，以評估不同設(shè)計方案的效果，而現(xiàn)場試驗主要用于驗證理論模型與數(shù)值方法的有效性，并考察長期運行條件下保溫層的實際性能以及其在實際應(yīng)用中的適應(yīng)性。

3 給水管線外保溫材料的優(yōu)勢與分析

3.1 聚氨酯發(fā)泡預(yù)制直埋保溫復(fù)合塑料管

PE-RTⅡ預(yù)制直埋保溫復(fù)合管塑料管由高密度聚乙烯外護管、聚氨酯泡沫塑料保溫層和耐熱聚乙烯工作管通過設(shè)備緊密結(jié)合而成[1]。其外保護層材料采用HDPE高密度聚乙烯管。保溫層采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，絕熱工作溫度為-40～110 ℃ 。保溫層材料為密度60～80 kg/m3的硬質(zhì)聚氨酯泡沫，填充在工作管與套管之間的間隙，并具有一定的黏結(jié)強度，使工作管材、外套管及保溫層三者之間形成一個牢固的整體。聚氨酯直埋保溫管泡沫具有良好的機械性能和絕熱性能，基底分子為乙二醇和二苯基甲烷二異氰酸酯，由二者產(chǎn)生不同羥基化合物而成，屬于憎水性材料。原本在供熱外網(wǎng)管道中金屬管材使用較多，基本以抗壓輸送熱水為主，但由于GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》中要求傳統(tǒng)金屬管材經(jīng)過水站處理后不得過遠(yuǎn)，避免銹蝕和細(xì)菌超標(biāo)，且金屬工作管壽命較短，達(dá)不到PE-RT管線的50年標(biāo)準(zhǔn)。此外，在常規(guī)條件下，因鐵管的導(dǎo)熱系數(shù)為73.27～48.85 W/（m .K），而PE-RTⅡ管本身又為不良導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.42 W/（m .K），在長程復(fù)雜的路線敷設(shè)中，其輸送溫降遠(yuǎn)小于金屬管材。而且管道內(nèi)壁光滑，內(nèi)壁粗糙度僅為0.01 mm，不足金屬管材當(dāng)量粗糙度的1/10。安裝成本為金屬聚氨酯保溫管的1/3，基本沒有后期維護費用，是保溫給水方面的頂配材料[2]。

3.2 橡塑殼保溫管

橡塑殼保溫管采用優(yōu)質(zhì)的橡膠和聚氯乙烯（NBR/PVC），經(jīng)混煉、密煉、連續(xù)式擠出、加熱發(fā)泡、冷卻分切而成[3]。橡塑保溫管的優(yōu)點在于薄，當(dāng)平均溫度為0 ℃時，橡塑保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.033 W/（m .K），在相同外況下，橡塑殼保溫管可以減少1/2的厚度，特別適用于需要爬低標(biāo)高單元門的緩臺和樓梯間管線空間緊張的情況。橡塑保溫產(chǎn)品為B1級難燃材料，可以滿足建筑外置物的防火要求，橡塑的濕阻因子μ值大于3 500即構(gòu)成內(nèi)置防水氣層，保證內(nèi)部工作管隔氣阻濕，防止工作管溫差較大時老化過快，同時橡塑材料還能吸聲減震，壽命可以達(dá)到25年。安裝方式主要以黏合為主，施工方便快捷[4]。

3.3 巖棉保溫管

巖棉保溫管以玄武巖及其他天然礦石等為主要原料，經(jīng)高溫熔融成纖，加入適量黏結(jié)劑加工而成。常溫工況下，巖棉保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.026～0.035 W/（m .K），厚度抗?jié)裎暅p振的能效比也略差于橡塑殼保溫管。但該保溫管為A級不燃材料，防火等級最高，所以在一些重工業(yè)石油電力管線需要防火級別高的場所和工段，巖棉保溫管是唯一選擇[5]。

4 外保溫材料選擇

在外保溫系統(tǒng)中，理想的外保溫材料應(yīng)當(dāng)具備低導(dǎo)熱系數(shù)、良好的防水防潮性能以及足夠的機械強度。在嚴(yán)寒地區(qū)的給水管線應(yīng)用中，除了基本的隔熱效果外，還應(yīng)考慮材料對極端低溫的耐受性及其化學(xué)穩(wěn)定性。在具體選擇材料時，需要綜合考量工程的實際需求、預(yù)算限制以及預(yù)期使用壽命等因素，施工前應(yīng)確保所有材料均適合低溫作業(yè)，并檢查設(shè)備是否處于良好狀態(tài)。鋪設(shè)外保溫層時，要保證連續(xù)性和密閉性，防止空氣滲入造成結(jié)冰或冷橋效應(yīng)。

外保溫系統(tǒng)的設(shè)計是保證給水管線在嚴(yán)寒地區(qū)正常運行的關(guān)鍵。設(shè)計時應(yīng)綜合考慮管道材質(zhì)、溫度變化范圍、凍土層深度以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件等因素。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性并延長其使用壽命，應(yīng)選擇具有良好導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和抗老化能力的材料。具體而言，在寒冷條件下，聚氨酯保溫管因其優(yōu)秀的隔熱性能而被廣泛采用。然后，還要合理規(guī)劃管道走向和支架布局，盡量減少裸露部分，并確保管線具有足夠的伸縮余地，以適應(yīng)外界環(huán)境溫度的變化。通過優(yōu)化這些細(xì)節(jié)，可以顯著提升整個外保溫系統(tǒng)的效能。室外給水管線3種保溫措施的各項性能對比見表1。

5 工程介紹

2020—2024年，在佳木斯市某老舊小區(qū)改造工程當(dāng)中，根據(jù)GB 50013—2018《室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定和當(dāng)?shù)刈詠硭镜囊?，將所有給水管線外移。原有的2000年之前的建筑都是室內(nèi)地溝起管，地溝內(nèi)敷設(shè)主管線。在設(shè)計中，所有公共管線外移和應(yīng)對冬季極端寒冷氣候的保溫本身是相互矛盾的，其間必須將很多公共管段外敷才能達(dá)到設(shè)計要求，因此設(shè)計單位設(shè)計并實施了以聚氨酯保溫管和橡塑殼保溫管為主的給水系統(tǒng)工程。該項目管長達(dá)35 km，覆蓋面積達(dá)40 km2，自項目實施以來，抵御了-30 ℃的極端天氣考驗，同時防止了極端天氣造成給水公司水表凍結(jié)的問題。

6 結(jié)語

為了提高現(xiàn)有給水系統(tǒng)的效能，可以從以下幾個方面入手進行技術(shù)改進。首先，采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的新型保溫材料，如高性能聚氨酯泡沫或納米絕熱材料，這些材料能在極端低溫下保持其隔熱性能。其次，增強外保溫層的抗壓和抗震能力，確保在復(fù)雜地形條件下，保溫層不會因為外部壓力而損壞。此外，優(yōu)化施工工藝是提升保溫效果的關(guān)鍵。通過精確控制保溫層厚度和均勻度，在保證質(zhì)量的同時降低能耗。最后，引入智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控管壁溫度及外部環(huán)境變化，及時調(diào)整給水系統(tǒng)運行參數(shù)以節(jié)約資源。

在管理和維護措施方面，首先定期巡檢是必要的，可以及時發(fā)現(xiàn)保溫層破損、滲水等問題并進行修復(fù)。其次，應(yīng)建立一套完整的保養(yǎng)計劃，包括冬季前的全面檢查和維修，以及夏季對管線的保護措施，以減少外部環(huán)境因素帶來的影響。此外，應(yīng)加強對操作人員的技術(shù)培訓(xùn)，增強其對管線保溫系統(tǒng)工作原理的理解和實際操作能力，從而提高日常的維護效率。通過這些綜合措施，可以顯著提升外保溫系統(tǒng)的整體性能和使用壽命。

在未來的研究中，應(yīng)進一步探索適應(yīng)不同嚴(yán)寒環(huán)境的新型保溫材料，同時建立一套完整的給水管線外保溫系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，這將為工程師提供更明確的技術(shù)指導(dǎo)，從而提高整個行業(yè)的技術(shù)水平與安全標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻

[1] 唐木正.保溫管用耐熱聚乙烯（PE-RTⅡ）管道技術(shù)與應(yīng)用[J].橡塑技術(shù)與裝備，2021，47（12）：38-43.

[2] 王曙銘，潘峰，張琳，等.PE-RTⅡ型保溫管與傳統(tǒng)保溫管經(jīng)濟性對比[J].煤氣與熱力，2024，44（10）：1-2.

[3] 尹祺澍.建筑給排水管道橡塑保溫材料防結(jié)露施工構(gòu)造設(shè)計與施工工藝要點分析[J].南方農(nóng)機，2019，50（5）：249.

[4] 趙波，袁建，周豫，等.建筑給排水管道橡塑材料防結(jié)露施工工藝[J].四川建筑，2012，32（5）：191-192.

[5] 樊三新，于德祥，田慶泉.巖棉保溫管的發(fā)展前景[J].石油工程建設(shè)，1989（3）：37-39.

[作者簡介]曹雪峰（1981—），男，黑龍江佳木斯人，本科，高級工程師，研究方向：建筑給排水暖通。