非金属管材在供水管网中的应用

何维华

(成都市自来水有限责任公司，成都，610072)

　　提要：本文回顾半个世纪以来，非金属管材在城市供水管网中应用的经验与教训，对当前应用新型非金属管材，提出了相应的关注点，供用管单位的参考。

　　关键词：非金属管材  供水管网  供水管材

　　1. 半个世纪的回顾

　　自从上世纪六十年代初开始，非金属管材就开始在城市供水管网中试用、推广。在城市供水管网中应用非金属管材的过程却非一帆风顺，非金属管道故障率高、爆管率高，又不断促进非金属管材本身品种的更新、材质的提高。六十年代应用的石棉水泥管、钢筋混凝土管，在七十年代就淡出了；七十年代推广应用的自应力管、预应力钢筋混凝土管及小口径塑料管材，在九十年代末亦退出大中城市的供水管网；九十年代推广应用的预应力钢筒混凝土管、聚氯乙烯管、聚乙烯管、无规共聚聚丙烯管、铝塑复合管、钢塑复合管、玻璃钢管等，至今仍在城市供水管网中有所应用，但应用中亦暴露出若干问题有待认真探讨与改进。

　　2. 非金属管材应用的经验与教训

　　2.1非金属管材的优点

　　 非金属管材尽管应用中出现了诸多问题，但城市管网中仍有它的市场，这是因为它的优点亦很明显。非金属管材的防腐性能优于金属管材；内壁光滑，能长期保持输水能力；节省金属消耗；通常工程造价低于金属管材；其中化学管材重量轻，有利于运输与安装等。

　　2.2非金属管材的弱点

　　 非金属管材运输与安装中碰撞，容易受损；水泥制品的管材重量比较重，运输、安装难度较大；化学管材受日光照射，容易老化；大中口径非金属管材往往配套的是金属管件或制造质量难以控制的非金属管件，从而影响了非金属管材的优越性。

　　2.3柔性接口是改善管道安全性的重要环节

　　 六十年代敷设的石棉水泥管、钢筋混凝土管，除了管材本身的问题外，管道连接的接口通常采用刚性的石棉水泥接口，因而容易爆管。但改用橡胶圈柔性接口后，不易发生爆管。如以下几件事例：

　　（1）1966年3月8日我国河北省沧州地区发生数次地震，震级7.2级，烈度10.2度，部分墙头倒塌，而石棉水泥管道却正常运行。1967年3月27日沧州地区又发生地震，震级6.7级，烈度9.8度，但石棉水泥管仍未出问题。日本十胜冲地震刚性连接的石棉水泥管材折断161处，占各种管材折断总数的80%。

　　沧州地区石棉水泥管未受地震影响的主要原因是石棉水泥管道接口做法一般采用“三刚一柔”，也就是三个刚性接口，一个柔性接口，基础松软地区采用一刚一柔，甚至全部采用柔性接口。为此，沧州地区石棉水泥管道未受到震害破坏，其主要原因应该说是由于设置了橡胶圈柔性接口的缘故。这也说明了橡胶圈柔性接口有较好的抗震性能。

　　（2）1976年唐山大地震（烈度为10度）时，一条35km的输水干管（DN500～600mm）采用了承插式预应力钢筋混凝土管（橡胶圈柔性接口），地震中未出现一处漏水，震后仍能正常运行。

　　（3）1975年营口地区地震时，一条DN600mm预应力钢筋混凝土管（柔性接口）铺设在地下水位高、土质松软的盐田地区，在8度地震后未发现震损。

　　2.4解剖上世纪六、七十年代部分非金属管材淡出的原因

　　（1）石棉水泥管

   石棉水泥管是不含金属的非金属管材，比其它水泥管材质轻，长期输水后内壁光滑、输水能力不减。但是管材容易折断；通常管接口使用刚性的石棉水泥填料，爆管率高；加之石棉纤维游离于水中，被人饮用后蓄积于肠内壁，容易诱发癌症，故逐渐淡出在供水管网中的应用。

　　（2）自应力管

   承插式自应力钢筋混凝土管及承插式自应力钢丝网水泥砂浆管，简称‘自应力管’。它应用橡胶圈柔性接口，克服了刚性接口的缺陷，比预应力管制造简易，价格较低。但是自应力水泥的二次膨胀问题，往往在水管输水后发生承口破裂等爆管事故；管内壁浮浆影响输水水质及输水能力；较小口径自应力管折断事故频繁。因此，上世纪九十年代已不再用于大中城市的供水管网。

　　（3）预应力钢筋混凝土管(一阶段管、三阶段管)

　　 预应力钢筋混凝土管于1965年在辽宁省试用，1972年后在全国推广应用，在金属管材紧缺的年代受到用管单位的欢迎，当时不少大中城市供水管网中得到较快的应用。由于采用橡胶圈柔性接口，爆管情况较少。但是管材运输、铺设过程中损伤较多；一阶段管承口失圆严重，虽增添磨削工序修复，需不同直径胶圈配套，繁琐；一阶段管钢模接合缝处漏浆、串水较多；三阶段管潮片、渗漏较多；承插接口容易渗滴；局部沉降时胶圈容易冲脱等问题。从上世纪九十年代后期开始，供水管网中逐渐不用此种管材。

　　3. 当前新型非金属管材应用中的关注点

　　3.1输送饮用水的管材应符合卫生要求

　　无论金属管材还是非金属管材，若要输送饮用水，它应符合卫生要求。比如：

　　（1）曾经在聚氯乙烯管材和管件安全性抽验时，有四次浸泡液中铅含量严重超标，有一次出现氯仿、四氯化炭超标。监测站技术人员指出，铅是严重的蓄积性毒剂，是一种致癌变物质，无论是由于短期还是长期摄入人体的铅，都会严重损害健康；氯仿、四氯化炭也均为高致癌风险的有机毒物。由于生产成本等因素，有不少厂家采用低价的三盐基性硫酸铅或二盐基性亚磷酸铅作为产品的热稳定剂，因此产品中含有铅，产品经高氯水的浸泡后，水中自然会出现大量的铅。而氯仿、四氯化炭超标则是由于管件与管材粘接时所使用的粘合剂的溶剂引起的。

　　（2）玻璃钢管的离心制管工艺来源于奥地利；缠绕制管工艺来源于意大利；可是维也纳、罗马以及经济发达国家的大都市的自来水管网中，没有或很少采用此类管材。这些国家的一些厂商却不断向发展中国家倾销此类制管设备，大量用于城市供水管网中，应该三思。

　　（3）玻璃钢管对内防渗层树脂有明确的要求，要无毒、防渗、耐磨，厚度宜2mm。这样防渗层应采用价格较贵的间苯性不饱和聚酯树脂，但有的厂家采用价格较低的邻苯性不饱和聚酯树脂，厚度也相当薄，倘若此层出现裂纹，纤维容易浸入水中。

　　（4）对于水泥压力管、内衬水泥砂浆的金属管，在卫生状况上乃有三点应该注意：

　　A.所用的水泥应有具体要求，因硅酸盐水泥制造过程中掺和了高炉矿渣，这类掺和料成份不稳定，有时带有钡、鎘等有害人体的金属成份，有时存在放射性问题，故应提供水泥相关的检测报告；

　　B.上述管材内表面不应存在浮浆，就是管道清洗后灰粉层也往往会使输水过程中悬浮物增多；

　　C.对于输送水质偏酸性的不稳定水，应在内表面喷涂一定厚度的卫生级的环氧树脂或不饱和聚酯树脂防渗层，但要注重喷涂的工艺要求，若涂层浸泡水后剥离，则又出现剝离的涂层引起水嘴堵塞及水中存在异物的问题。

　　（5）各类塑料管材制造过程中的添加剂对人体内分泌干扰素的影响不容忽视，上世纪九十年代日本研究者提出“环境激素”问题，研究指出有些化学物质会经过食品、空气、管道等进入生物体内，产生“假性激素”，影响其本身的激素分泌，干扰身体平衡机制，特别是在生殖方面，只要摄入约一兆分之一微量，即可干扰生物体的功能，导致男性精子量减少，免疫系统功能降低，悪性肿瘤的易发性等。在67种干扰内分泌的化学物质中，有7种用来制造涂料、树脂、可塑剂的化学物质是最危险的，它们是丁蝎锡（丁基锡）、辛基苯酚、壬基苯酚、邻苯二甲酸二丁酯、八氯苯乙烯、苯酰苯、邻苯二甲酸环已基。研究指出环境激素物质双酚A（英语词汇‘Bisphenol’，它是2，2-双丙烷、2，2-双酚基丙烷的俗称），在合成聚氯乙烯的工艺中作为稳定剂添加于原料中，它还在环氧树脂、不饱和聚酯树脂等涂料中使用，应引起高度关注。相反，聚乙烯在合成时不需要双酚A作添加剂的，更增强了推广使用聚乙烯给水管的信心。

　　3.2非金属管材及配件的结构设计

　　（1）设计资质问题

   非金属管材及配件的结构设计，主要系指大中口径非金属管材及配件的结构设计。通常此项设计是由没有设计资质的制管厂技术人员完成的，就是大型输配水工程由甲级设计单位参与设计，配件设计仍由厂家进行。

　　（2）管道粗糙系数的设定

　　 管道粗糙系数的设定，关系到管道的输水能力与管道的工程造价，国内近期的大型输水工程，为了降低工程造价，采用新铺设试验管段，实测管道的粗糙系数作为设计依据，忽略了管道长期输水过程中的积气、配件阻力等的影响因素，将预应力钢筒混凝土管的粗糙系数值由原设计手册推荐的0.013改为0.0115，这将引起人们对管道输水后达不到设计输水能力的疑虑；大、中口径的聚乙烯给水管的粗糙系数值，通常取用0.009，但管道内壁并不平整，如管段热熔对接引起的缩径、内翻边及管件的内翻边，造成的内径变化是不应该忽视的，当dn315mm～dn1600mm时，管两端内径要缩小20～60mm，两管热熔对接后，加之内翻边的存在，管材接口处，缩径达40～80mm，从而输水过程中积气是可能的，增大的阻力是存在的，因此粗糙系数不应取值过小；玻璃钢管亦存在同样的问题。

　　（3）管配件的设计

　　 管配件由于形状、承压条件及制造难度均大于管材，如球墨铸铁管的管件壁厚大于管材，当管材用K9级时，管件用K12级，有标准图集。非金属管道设计、制造时，往往没有重视这一规则，如华南某开发区敷设的玻璃钢管道，管材刚度取N=5000，管件亦取相同值（违规），管件没有完备的设计图集，甚至现场任意拼凑制造，极不规范，导致管道运行后，管件部位爆损严重；在预应力钢筒混凝土管道的管件制造上亦存在类同问题，与预应力钢筒混凝土管材配套的是钢板复合管件，它的结构设计应符合钢管配件的设计方法，它的内衬、外防腐应符合复合管的特点。

　　3.3原材料是塑料管制造质量的关键

   回顾各类塑料管在应用中出现的诸多问题，关键的一点是原材料选用不严。比如：聚氯乙烯管在国外保持了较高的应用率，但国内近些年应用率下降，其中重要的原因之一是国外管厂通常应用专用混配料制造，在管厂不应添加过多的添加剂，国内管厂则一律应用自配料方式制造，适应市场价格的变化，添加不同质与量的添加剂，这样的管材难以保证质量的稳定；对于聚乙烯管材，“给水用聚乙烯管材”产品标准及“埋地聚乙烯给水管道工程技术规程”中，选用专用混配料作为强制性标准，但国内多数管厂并不遵守这一规则，仍以自配料方式制管，选用添加料的品质不一，碳黑添加难以均匀等原因，它严重影响管材的质量及应用效果；玻璃钢管可以根据不同的使用条件进行结构设计与制造，选用不同的树脂与玻璃纤维等，从而影响它的质量与价格。一般结构层所用树脂为邻苯性不饱和聚酯树脂或改性邻苯性不饱和聚酯树脂；内表防渗层，一般使用间苯性不饱和聚酯树脂或卫生级邻苯性不饱和聚酯树脂，产品质量要求较高时，内防渗层也有用乙烯基酯树脂，而这些树脂的价差是很大的，效果也是不一的。

　　3.4推广预应力钢筒混凝土管的几个问题

　　（1）适用的范围

   球墨铸铁管是城市供水管网的主导管材，但是DN≥1400mm时目前球墨铸铁管的配套管件难以使用相同材质铸造，因此是当前预应力钢筒混凝土管应用的空间，近期北京地区南水北调中线工程使用了DN4000mm预应力钢筒混凝土管达100km。当然在复杂地段，配套管件较多，仍然钢制管道是首选品种。

　　（2）接口的相关问题

   DN≥1400mm预应力钢筒混凝土管系埋置式工艺制造，通常采用双胶圈密封。对于预应力钢筒混凝土管的安全使用，除了管材制造中严格控制质量外，接口的状况是极其重要的。

　　A.接口的橡胶圈应由专用定点厂家供货，橡胶圈整体硫化成型，橡胶圈的材质建议用聚异戊二烯合成橡胶，它的耐老化、耐磨性能高于其它品种。

　　B.承插接口的工作面应镀锌或喷涂卫生级环氧树脂，涂层约0.2mm以上，关键是硬度要好、附着力要强，管材组装时胶圈挤压，涂层不应挤掉。

　　C.管材现场组装后，可马上试压检验组装质量，建议用气压检验，因水压检验烦琐、余水排不掉对胶圈不利，长期水呆滞亦不卫生。

　　D. 胶圈内外间隙封堵措施的落实要认真，不倾向用稠密度水泥砂浆嵌缝作业，这样管底嵌入的水泥砂浆干缩后容易掉落，亦往往遗漏嵌满底缝。为了保护接口端部的承插钢环，需在接口的外侧进行灌浆，在接口处外侧应用灌浆带包裹，灌浆带由帆布或双层聚丙烯塑料编布组成，上面留出灌浆口，用绳带捆紧在管接头两侧。用1:2.5水泥砂浆制成流态灌注。为便于砂浆灌注密实，可事先在接缝内放入一根铁丝，在灌浆时来回牵动，以利砂浆密实，灌满后顶部用塑料布覆盖。对于管径偏大时，一次灌满可能造成灌浆带受压过大产生破坏，故可以在灌浆带中浇灌1/3的砂浆，让砂浆在下次灌浆前凝结，或在灌浆带底部1/3处回填土，以便在整个灌浆带中浇灌砂浆时，起支撑作用。

　　接口内部间隙可用1:2.5水泥砂浆勾缝，抹灰整平同管内面。试压孔用螺栓、垫片封闭后，同上处理。

　　E. 胶圈内外间隙封堵措施落实得不认真，接口钢板容易锈蚀，接口的渗漏将会引发灾难性后果。

　　（3）预应力钢筒混凝土管强化防腐的措施

　　A.腐蚀机理的简述

　　水泥制品管材具有一定的防腐蚀性能，但实践证明这种防腐性能是有限的。埋设在土壤里钢筋或钢套筒混凝土管道，尽管有外防护层的保护，但由于土壤的侵蚀性，使其最终不可避免的产生腐蚀。

　　对于长距离输水管线来说，所跨越的土壤自然条件差异较大。由于各种原因，最重要的腐蚀因素是PH值、氯离子、硫酸根离子、镁离子及混凝土的碳化等，管道将会遭到不同程度的腐蚀破坏,有时腐蚀速度相当惊人，有埋在强腐蚀性土壤的预应力混凝土管使用不到二年就完全破坏了。

　　再之，腐蚀起始于腐蚀性离子含量高的区域钢筋，最终导致钝化膜的破裂，引起钢筋或钢套筒的电化学腐蚀。混凝土的氯离子及其他有害离子分布一般是不均匀的，在其他区域，钢筋仍处于钝化状态，这种由离子不均匀分布形成的宏观电池的腐蚀，加速了原腐蚀区域的腐蚀速度。

　　另外，金属的晶间结构及应力的不同也会导致腐蚀，简称应力腐蚀。一旦钢筋出现局部腐蚀或断裂，应力就会重新分布在邻近的钢筋上，使之负载加大，随之会造成其他钢筋的腐蚀或断裂。这种情况下，若外界应力小于钢筒的断裂强度时，则钢筒发生了形变，若外界应力大于钢筒的断裂强度时，则钢筒就会断裂。管道的最终破裂也将不可避免。

　　B.防腐措施

　　为了确保地下管道的长期、安全地使用，有两种保护方法：一种是表面涂层法；另一种是阴极保护法。

　　（A）表面涂层法

　　表面涂层法是通过封闭管道来起作用的，防止土壤中的水、氧气和腐蚀性离子的渗透。常用的表面涂层有环氧煤沥青、静电喷涂环氧树脂、弹性聚氨脂橡胶和改性环氧树脂等。砂浆层外的环氧煤沥青防腐层制作分湿法与干法，湿法其指管材喷射水泥砂浆层后马上作防腐层；干法其指喷射水泥砂浆层后，待干燥固化后再作防腐层。通常湿法工艺，工艺流程单一，成本低，南水北调工程中，铺设于盐碱地的预应力钢筒混凝土管采用了该工艺的防腐措施。

　　（B）阴极保护法

　　阴极保护技术就是向被保护的钢管或钢筋、钢套筒混凝土管道通以足够的直流电流（阴极电流），对管道外表面进行阴极极化，促使钢质管道或钢筋、钢套筒管道在土壤中的腐蚀原电池阴阳极间的电位差减少，使腐蚀电流趋于零，进而达到阻止管道腐蚀的目的。根据直流电流的来源不同，阴极保护技术分为牺牲阳极和外加电流两种保护方法。

　　营口市对60年代在穿越盐田铺设的DN600mm三阶段预应力钢筋混凝土管，发现环向预应力钢丝腐蚀严重，面临全线报废的危险，于1982年采用牺牲阳极的阴极保护措施来抢救，取得了良好的效果，至今管线仍在输水。

　　南水北调工程中，铺设于盐碱地的预应力钢筒混凝土管亦采用了牺牲阳极的阴极保护措施。

　　3.5制管工艺的可控性，强烈影响了管材、管件的质量

　　（1）在非金属管材及管件制造方面，缠绕式玻璃钢管及管件制造过程中操作者的严谨程度对制造质量关系密切，监控的手段相对脆弱；

　　（2）在非金属管件制造后，通常没有水压试验等检验工序来判别质量。

　　3.6粘接工艺不宜在埋地聚氯乙烯管中的应用

　　针对聚氯乙烯管而言，采用粘接是成本较低的连接方式。但应注意以下几点：

　　(1)管材与管件的配合间隙不大于0.2mm；

　　(2)胶合剂质量稳定，且对输送的水质没有影响；

　　(3)粘接操作过程规范、认真；

　　(4)管路粘接后应在24小时内不被振动；

　　(5)施工环境干燥，湿度较低；

　　(6)管路安装应考虑管材热胀冷缩的对应措施。

　　由于在埋地施工中，上述各点落实上有一定难度，粘接效果当时无法检查，往往导致试压或通水后渗漏或爆管，因此对于埋地聚氯乙烯管不倾向选用粘接工艺。就是DN≥100mm的管件制造亦不倾向选用粘接工艺，而采用整体塑造成型。在埋地安装聚氯乙烯管时，乐于使用胶圈柔性连接。

　　3.7聚乙烯给水管接口方式多样性，有利于不同环境的应用

　　 热熔连接、电熔连接、法兰连接、钢塑过渡连接以及承插式柔性连接。使聚乙烯给水管能适应不同规格、不同环境的应用。

　　3.8小口径复合管道内堵问题

　　 铝塑复合管、钢塑复合管、不锈钢复合管等种复合管材，由于外侧为金属管材，内侧为塑料管材，两种管材线膨胀系数不一，当管道明铺安装后，因空管受日光照射，内衬的塑料管材就会变形，堵塞管内空间，导致输水不畅，甚至高层用户水嘴放不出水。为此，提出以下措施：

　　（1）购置的复合管材，应先任选一段作曝晒或烘烤试验，两者材料间附着力不强的复合管材不应购置；

　　（2）对于用户水表内的管道通水前，一应作管道水压试验；二应实测内部管道流量、压差的相关数据进行核算，评估管路是否畅通，若有问题，管路改造后才可验收。

　　3.9管道基础处理切莫忽视

   任何管道埋地铺设，基础的处理都得认真，对于非金属管道尤为重要。

　　（1）预应力钢筒混凝土管属半柔性接口的管材，它铺设在平基、弧基的基础上，管材钢筋的含量是不同的，因此在较硬的土基上应铺砂垫层，管材压上去就自然形成弧形基础；

　　（2）塑料管材（包括热熔性塑料管和热固性塑料管）铺设在非软性土基时，一定应铺砂垫层，并且管材四周亦应回填砂或松软土。

   当前，应用好非金属管材，需要我们关注的问题还多，以上所述，仅抛砖引玉，共同探讨。总之，为了我们从事的供水事业，建设好通向千家万户的供水管网，实事求是的把非金属管材当好供水管网中恰如其分的角色，是我们共同的心愿。

发表日期  2008年4月25日