韓洪軍 劉燦生 呂炳南

　　摘　要：本文首先從聚氯乙烯（UPVC）給水管的生產現狀、發展前景和工程試點應用入手，對影響UPVC給水管應用的因素，諸如：UPVC管的衛生性能、強、水力計算和安裝連接等因素進行了研究，為UPVC給水管的應用創造了條件。
　 關鍵詞：給水管道；UPVC管；開發；應用

The Research on the Developing and Applying of Polyvinyl
Chloride Pipe for Water Supply
Han Hongjun　 Liu Cansheng　 Lu Bingnan

　　Abstract This paper introduces a research on the operation,developing and applying project of polyvinyl chloride (UPVC) pipe for water supply,and studies the factors that effect this diflusion;such as sanitation property of UPVC pipe,hardness,hydraulic calculate and install linking which prepares conditions for applying of UPVC pipe for water supply.
　　Key words water supply lines;UPVC pipe;developing;applying

0. 前言

　 給水管道工程是城鎮給水工程的重要組成部分，其基建投資占給水工程總投資的50%左右。近年來，我國化工工業迅速發展，一種新型的聚氯乙烯（UPVC）給水管已經得到應用。UPVC管與金屬給水管相比，具有重量輕、耐腐蝕、水力條件好、外表美觀、不生銹、施工安裝方便、造價低等優點。而且具有足夠的強度，在正常情況下可以使用50年以上。UPVC管與聚乙烯、聚丙烯給水管相比，在強度、耐燃性、耐老化、連接方法及價格方面也占有優勢。因此，自40年代初德國研制成功后，50年代以來，在世界各國的給排水工程中廣泛應用。
　　UPVC管在國外已大量用作給水管道，在西歐、美國、日本等國家的給水管道中UPVC管占20%-50%。我國UPVC管的應用起步較晚，作為給水管道的用量很小。因此，開發應用UPVC管代替金屬給水管材，以塑代鋼、節約金屬材料，降低成本意義重大。

1. UPVC管的發展前景

　 目前我國UPVC工業還落后于世界先進水平，但經過“七五”的技術引進以及消化吸收，UPVC生產工業已初具規模，UPVC產品已應用于許多領域。根據國家“七五”科技攻關項目的要求，我們對UPVC給水管開發和應用進行了工程試點研究。
　　我們充分考慮了我國幅源遼闊，地形及土質復雜的特點，選擇了青島、內蒙、青海、成都、天津等具有代表性工程試點單位，鋪設了49公里的UPVC給水管道工程。根據對ф350mm以下管材的統計，UPVC管與鑄鐵管在相同管徑和相同長度時，UPVC管的重量僅為鑄鐵管的20%～30%，價格比鑄鐵管低6%～12%，運輸費用可降低20%～60%。施工費用可比鑄鐵管降低50%～70%，安裝工時節省60%～75%。由于UPVC管內壁光滑不結垢，水力摩阻小，輸送能耗相同時，輸水能力可較鑄鐵管提高30%～50%，若輸送流量相同時，可節約輸水能耗40%～50%。
　　總的工程投資的降低幅度，因各地的工程試點具體條件而不同，但是平均可降低工程投資15%～25%，同時大大降低工人的勞動強度，簡化施工設備，節省鋼材，使UPVC管的應用產生巨大的經濟效益和社會效益。

2. UPVC管的衛生性能

　　UPVC管在制造過程中為了防止樹脂受熱分解，提高UPVC管的性能，需要加入一些鉛穩定劑。鉛穩定劑本身并不與聚氯乙烯大分子化合，但它具有防熱、防光、以及抗老化的性能。當鉛穩定劑與聚氯乙烯樹脂充分混合并停留在分子結構中時，可以改善UPVC管的性能。
　　UPVC管中停留的鉛穩定劑是不斷地運動，在濃度差推動下，從高濃度處遷移至低濃度處，當UPVC管內充滿水時，首先管壁表面的鉛穩定劑擴散入水中，濃度降低。管內部的鉛穩定劑就會向表面遷移，達到平衡。實驗證明其擴散入水中的鉛濃度和UPVC管與水接觸時間有關。
　　即

　　Mt=Kmf（M_∞.t）　　 （1）

　　式中：M_t——日擴散入水中鉛濃度，mg/1d；
　　 　　 K_m ——鉛擴散速率的特征常數；
　　　　　M_∞ ——無窮長時間后擴散入水中的鉛濃度總量，mg/l；
　　　　　t ——UPVC管與水接觸的時間，d。
　　為了探討UPVC管擴散入水中鉛濃度的規律，試驗中取一段UPVC管在室溫條件下，用自來水浸泡，每隔24小時將水倒出測定水中鉛濃度。然后換新鮮自來水繼續浸泡，24小時后再倒出測定，如此類推，測定結果如圖1。

　　我們將試驗中的大量數據輸入計算機，通過整理得到一組UPVC管每日擴散入水中鉛濃度的經驗方程：

 　　　 （2）

　　式中：D——UPVC管直徑，mm；
　　　　　t₁——UPVC管與水接觸的時間，d；
　　　　　Mt、Km、t——同前。

　　由于UPVC管中殘留一定數量未反應的氯乙烯單體（VCM），當常溫、常壓下，管中的VCM與水中的VCM濃度不同時，在濃度差的推動下將會擴散入水中。試驗證明其擴散速率G與VCM濃度成正比。
　　即

_G=K1(Cs-CL)　　　　　　　　　　 （3）

　　式中：G——VCM的擴散速率， _G=-dc/dt ，mg/1d；
　　　　　K₁——VCM擴散速率常數，1/d；
　　　　　C_S——固相中VCM含量，mg/kg；
　　　　　C_L——液相中VCM濃度，mg/l。
　　考慮到UPVC管擴散入水中VCM是一極緩慢的過程，UPVC管中的水又是連續流動的，擴散到水中VCM濃度與固相中VCM含量相比極小（C_S >> C_L），可以忽力學C_L，則式（3）可化簡為：
　　　　　　　　G=K₁Cs=K₁C
　　式中：C——UPVC管中殘留的VCM含量，mg/kg。
　　將擴散速率G=-dc/dt代入上式得：

_-dC/dt=K1C 　　　　　　　　　　　　　 （4）

　　式（4）積分：



　　考慮外界因素的影響，引入系數K值得：

_{Ct=K.C0.e^kit} 　　　　　　　　　　　　 （5）

　　式中：C_t——日擴散入水中VCM濃度，mg/l；
　　　　　 t——UPVC管與水接觸的時間，d；
　　　　　C₀——UPVC管中殘留VCM含量，mg/kg；
　　　　　K——系數，受外界因素的影響。

　 試驗中取一段UPVC管在室溫條件下用自來水浸泡，每隔24小時將水倒出測定水中VCM濃度。然后換新鮮自來水繼續浸泡，24小時后再倒出測定，如此類推，測定結果如圖2。

　 將試驗中得到的數據輸入計算機，通過整理得到與前理論推導的擴散方程基本一致的經驗方程：

 　Ct=120.52(KC₀/D)e^{-7.1783k1(t+27.3)0.0415}　　　　　　　　 （6）

　　式中：D——UPVC管直徑，mm；
　　　　　t——UPVC管與水接觸的時間，d；
　　　　　C_t、K、C₀、K₁——同前。
　　經驗方程（2）和經驗方程（6）表明，由于UPVC管內殘留一定數量的鉛穩定劑和VCM，在使用時將擴用到水中，但其數值很小，不會對水質產生污染。

3. UPVC管的強度

　　UPVC管的強度受到各種因素的影響，如生產設備性能、配方、生產工藝、模具設計和使用年限等。
　　目前我國UPVC管生產的主要設備是引進的雙螺桿擠出機，它可大大減少物料熱歷程，輸送效率高。排氣系統使加工過程中的一些低分子化合物（如VCM）排除，避免殘留管材中。雙螺桿擠出機彌補了以往使用的單螺桿擠出機的許多不足之處，生產UPVC管的機械性能指標優于單螺桿擠出機（表1）。
　　通過對雙螺桿擠出機生產的UPVC管進行電鏡掃描，管材中看不到初級粒子，粒子間的邊界消失，看不到空間，這種高度凝膠化的結構大大提高了管材的強度。
　　由于UPVC管的生產溫度和分解溫度接近，且流動性又差，因此配方中的穩定劑、潤滑劑的含量多少很重要，既要考慮到加熱穩定性，又要考慮加工的順利。

表1 不同擠出機的管材機械性能對比

　　　　 項 目

類 別

拉伸強度kg/cm²

伸長率%

沖擊強度kg cm/cm²

彎曲強度kg/cm²

單螺桿擠出機

439

58

38

814

雙螺桿擠出機

543

63

57

922

　　加工模具是管材成型的重要部件，其各部分的參數合理與否都會影響管材的強度。特別是分流筋的長度、數量在保證足夠強度前提下應盡量減少。要有適當的壓縮比，平直部分長一些，有利于提高管材強度。
　　UPVC管使用的年限和環境溫度也影響管材的強度，環境溫度過高和使用時間的延長，UPVC管的強度隨之降低（表2，表3）

表2 環境溫度對管材強度的影響 　　單位：kg cm/cm²

環境溫度（℃）

20

30

40

50

60

沖擊強度

47.3

42.3

37.4

26.1

25.7

表3 使用年限對管材強度的影響　 單位：kg cm/cm²

使用年限（年）

10

20

30

40

50

沖擊強度

37.7

31.8

27.7

26.1

25.7

4. UPVC管的設計與施工

4.1 水力計算
　　UPVC管在輸水中節能，是因為管壁表面光滑，水力條件好，將UPVC管與鑄鐵管進行水力學方面比較，可知UPVC管優于鑄鐵管。從理論上計算，在管徑相同的情況下，輸送的流量相同時，UPVC管較鑄鐵管節省輸水能耗50%。
　　UPVC管的水力計算國內尚無統一的計算公式，我們參考有關資料認為，UPVC管的水力計算可采用其它管材的通用公式，但考慮到UPVC管具有的特性，對公式中的水力摩阻系數作一些修改。
　　UPVC管沿程水力坡降可按下式計算：

　　　　　　　　i=λ(1/D)(V²/2g)　　　　　　　　　　　　　 （7）

　　式中：i——沿程水力坡降；
　　　　　λ——水力摩阻系數；
　　　　　D——UPVC管直徑，m；
　　　　 V——平均流速，m/s；
　　　　 G——重力加速度，m/s²。
　　公式中的水力摩阻系數λ與管材材質和液體流態有關，當UPVC管作為給水管使用時，水力摩阻系數λ可按下式計算：

　　　　　　　　λ=(0.304/Re^0.229) 　　　　　　　　　　　　　 （8）

　　式中：Re——雷諾數。
　　可由下式計算：

　　　　　　　Re=VD/γ 　　　　　　　　 　　　　　　（9）

　　式中：γ——運動粘滯數，m²/s。
　　為防止管內水錘的發生而使管材破壞，管內的水流速度應限制在2.5m/s以內。當預計流速可能發生突然變化時，還應考慮水錘壓強，其計算可按水力學有關公式進行。
4.2 施工安裝
　　UPVC管的剛度和強度與鑄鐵管相比要低一些，所以施工安裝應根據UPVC管本身的特點合理操作，保證施工質量。
　　UPVC管是一種熱塑性材料，具有很高的熱膨脹系數是鑄鐵管的5-6倍，設計施工中需注意。
　　一般埋地敷設時，管材不直接暴露在大氣中，且覆蓋的土壤具有一定的絕熱性能，防止了溫度的迅速變化。如果相對溫度變化不大時，可不必設置伸縮節。如在地面敷設時，管材直接暴露在大氣中受氣溫變化的影響大，導致UPVC管伸縮。一般當直線管道長度超過30m，氣溫變化大于15℃時，就必須采取措施，設置伸縮節以消除膨脹，保證管材的正常使用。
　　根據UPVC管的性能，連接方式也與鑄鐵管有所不同，表4列出了UPVC管和鑄鐵管的不同連接方式。

表4 UPVC管和鑄鐵管的連接方式

管材

連接方式

UPVC管

溶劑粘接、橡膠圈連接、螺紋連接、法蘭連接

鑄鐵管

橡膠圈連接，剛性填料連接

　 UPVC管由于重量輕、安裝簡單，勞動強度低，尤其是溶劑粘接和橡膠圈連接，只要2～3人配合作業，就可完成整個連接過程，施工效率很高，因此倍受歡迎。

5. 結論

　 UPVC管是一種新型的給水管材，在我國給水工程中的應用還剛開始。我們通過對國內十幾家單位的工程試點，取得了一些具有代表性的經驗數據，證明UPVC管應用于給水工程是可行的。同時UPVC管還具有鑄鐵管無法比擬的優點，是緩和我國目前鋼材緊缺，能源緊張的一種非常理想的管材，值得大力推廣應用。

參考文獻

　　[1] 王揚祖.聚氯乙烯管在給水排水工程的應用.中國給水排水，1989（4）
　　[2] Ruchley,J A.Health Aspects Relating to the Use of UPVC Pipe for Community Water Supply,1973
　　[3] 韓洪軍，劉燦生.硬聚氯乙烯（UPVC）給水管的衛生性能探討.聚氯乙烯，1993（4）
　　[4] 劉燦生，韓洪軍.硬聚氯乙烯管擴散入水中氯乙烯單體的試驗研究.中國給水排水，1990（2）