聚氯乙烯给水管的开发与应用技术研究.docx

聚氯乙烯给水管的开发与应用技术研究一论文类型其他发表日期2001-07-01贺李圭白院士七十寿辰学术论文集韩洪军,刘灿生，吕炳南给水管道UPVC管开发应用本文首先从聚氯乙烯(UPVC)给水管的生产现状、发展前景和工程试点应用入手，对影响UPVC给水管应用的因素，诸如：UPVC管的卫生性能、强、水力计算和安装连接等因素进行了研究，为UPVC给水管的应用创造了条件。分享韩洪军刘灿生吕炳南摘要：本文首先从聚氯乙烯(UPVC)给水管的生产现状、发展前景和工程试点应用入手，对影响UPVC给水管应用的因素，诸如：UPVC管的卫生性能、强、水力计算和安装连接等因素进行了研究,为UPVC给水管的应用创造了条件。关键词：给水管道；UPVC管；开发；应用TheResearchontheDevelopingandApplyingofPolyvinylChloridePipeforWaterSupplyHanHongjunLiuCanshengLuBingnanAbstractThispaperintroducesaresearchontheoperation,developingandapplyingprojectofpolyvinylchloride(UPVC)pipeforwatersupply,andstudiesthefactorsthateffectthisdifIusion;suchassanitationpropertyofUPVCpipe,hardness>hydrauliccalculateandinstal11inkingwhichpreparesconditionsforapplyingofUPVCpipeforwatersupply.KeywordswatersupplyIines;UPVCpipe!developing!applying0.前言给水管道工程是城镇给水工程的重要组成部分，其基建投资占给水工程总投资的50%左右。近年来，我国化工工业迅速发展，一种新型的聚氯乙烯(UPVC)给水管已经得到应用。UPVC管与金属给水管相比，具有重量轻、耐腐蚀、水力条件好、外表美观、不生锈、施工安装方便、造价低等优点。而且具有足够的强度，在正常情况下可以使用50年以上。UPVC管与聚乙烯、聚丙烯给水管相比，在强度、耐燃性、耐老化、连接方法及价格方面也占有优势。因此，自40年代初德国研制成功后，50年代以来，在世界各国的给排水工程中广泛应用。UPVC管在国外已大量用作给水管道,在西欧、美国、日本等国家的给水管道中UPVC管占20%-50舟。我国UPVC管的应用起步较晚，作为给水管道的用量很小。因此,开发应用UPvC管代替金属给水管材，以塑代钢、节约金属材料，降低成本意义重大。1. UPVC管的发展前景目前我国UPVC工业还落后于世界先进水平，但经过“七五”的技术引进以及消化吸收，UPVC生产工业已初具规模，UPYC产品已应用于许多领域。根据国家“七五”科技攻关项目的要求，我们对UPVC给水管开发和应用进行了工程试点研究。我们充分考虑了我国幅源辽阔，地形及土质复杂的特点，选择了青岛、内蒙、青海、成都、天津等具有代表性工程试点单位,铺设了49公里的UPVC给水管道工程。根据对e35Omm以下管材的统计，UPVC管与铸铁管在相同管径和相同长度时，UPVC管的重量仅为铸铁管的20%30%,价格比铸铁管低6%-12%,运输费用可降低20%60%。施工费用可比铸铁管降低50%70乐安装工时节省60%75%。由于UPVC管内壁光滑不结垢，水力摩阻小，输送能耗相同时，输水能力可较铸铁管提高30$50乐若输送流量相同时，可节约输水能耗40%50机总的工程投资的降低幅度，因各地的工程试点具体条件而不同，但是平均可降低工程投资15%25%,同时大大降低工人的劳动强度，简化施工设备，节省钢材，使UPVC管的应用产生巨大的经济效益和社会效益。2. UPVC管的卫生性能UPVC管在制造过程中为了防止树脂受热分解，提高UPVC管的性能，需要加入一些铅稳定剂。铅稳定剂本身并不与聚氯乙烯大分子化合，但它具有防热、防光、以及抗老化的性能。当铅稳定剂与聚氯乙烯树脂充分混合并停留在分子结构中时，可以改善UPVC管的性能。UPVC管中停留的铅稳定剂是不断地运动，在浓度差推动下，从高浓度处迁移至低浓度处，当UPVC管内充满水时，首先管壁表面的铅稳定剂扩散入水中，浓度降低。管内部的铅稳定剂就会向表面迁移,达到平衡。实验证明其扩散入水中的铅浓度和UPVC管与水接触时间有关。即Mt=Kmf(Met)(1)式中：Mt日扩散入水中铅浓度，mg/ld；Kn铅扩散速率的特征常数；M-无穷长时间后扩散入水中的铅浓度总量，mg/1；tUPVC管与水接触的时间，do为了探讨UPVC管扩散入水中铅浓度的规律，试验中取一段UPVC管在室温条件下,用自来水浸泡，每隔24小时将水倒出测定水中铅浓度。然后换新鲜自来水继续浸泡，24小时后再倒出测定，如此类推，测定结果如图1。图1UPVC管扩散入水中的浓度的规律我们将试验中的大量数据输入计算机，通过整理得到一组UPYC管每日扩散入水中铅浓度的经验方程：(2)Mt=9012.5.一。叫手81.53-727(4-1.95).霭30式中：DUPVC管直径，mm；t1UPVC管与水接触的时间，d；MtsKm>t同前。由于UPVC管中残留一定数量未反应的氯乙烯单体(VCM),当常温、常压下，管中的VCM与水中的VCM浓度不同时，在浓度差的推动下将会扩散入水中。试验证明其扩散速率G与VCM浓度成正比。式中：GVCM的扩散速率，,mg/ld：K1VCM扩散速率常数，1/d；Cs固相中VCM含量，mg/kg；Ct.一一液相中YCM浓度，mg/lo考虑到UPVC管扩散入水中VCM是一极缓慢的过程，UPVC管中的水又是连续流动的，扩散到水中VCM浓度与固相中VCM含量相比极小(CS»C.),可以忽力学C,则式(3)可化简为：G=K1Cs=K1C式中：CUPVC管中残留的VCM含量，mg/kg。将扩散速率G=-dcdt代入上式得：-<Kdt=KlC(4)式(4)积分：考虑外界因素的影响，引入系数K值得：Ct=K.CO.oki，(5)式中：Ct日扩散入水中VCM浓度，mg/1；tUPVC管与水接触的时间，d；COUPVC管中残留VeM含量，mg/kg；K系数，受外界因素的影响。试验中取一段UPVC管在室温条件下用自来水浸泡，每隔24小时将水倒出测定水中VCM浓度。然后换新鲜自来水继续浸泡，24小时后再倒出测定，如此类推，测定结果如图2。将试验中得到的数据输入计算机，通过整理得到与前理论推导的扩散方程基本一致的经验方程:Ct=120. 52(KcO/D)e-QMS(6)式中：DUPVC管直径，mm；tUPVC管与水接触的时间，d；Ct>K、a、同前。经验方程（2）和经验方程（6）表明，由于UPVC管内残留一定数量的铅稳定剂和VeM,在使用时将扩用到水中，但其数值很小，不会对水质产生污染。3. UPVC管的强度UPVC管的强度受到各种因素的影响，如生产设备性能、配方、生产工艺、模具设计和使用年限等。目前我国UPVC管生产的主要设备是引进的双螺杆挤出机，它可大大减少物料热历程，输送效率高。排气系统使加工过程中的一些低分子化合物（如VCM）排除，避免残留管材中。双螺杆挤出机弥补了以往使用的单螺杆挤出机的许多不足之处，生产UPVC管的机械性能指标优于单螺杆挤出机（表1）。通过对双螺杆挤出机生产的UPVC管进行电镜扫描，管材中看不到初级粒子，粒子间的边界消失，看不到空间，这种高度凝胶化的结构大大提高了管材的强度。由于UPVC管的生产温度和分解温度接近，且流动性又差，因此配方中的稳定剂、润滑剂的含量多少很南要，既要考虑到加热稳定性，又要考虑加工的顺利。表1不同挤出机的管材机械性能对比项目类别拉伸强度kgcm2伸长率先冲击强度kgcmcm2弯曲强度kgcm2单螺杆挤出机4395838814双螺杆挤出机5436357922加工模具是管材成型的重要部件，其各部分的参数合理与否都会影响管材的强度。特别是分流筋的长度、数量在保证足够强度前提下应尽量减少。要有适当的压缩比，平直部分长一些，有利于提高管材强度。UPVC管使用的年限和环境温度也影响管材的强度，环境温度过高和使用时间的延长，UPYC管的强度随之降低（表2,表3）表2环境温度对管材强度的影响单位：kgcmcm2环境温度（）2030405060冲击强度47.342.337.426.125.7表3使用年限对管材强度的影响单位：kgcmcm2使用年限（年）10203040冲击强度37.731.827.726.125.74. UPVC管的设计与施工4.1 水力计算UPVC管在输水中节能，是因为管壁表面光滑，水力条件好，将UPVC管与铸铁管进行水力学方面比较，可知UPVC管优于铸铁管。从理论上计算，在管径相同的情况下，输送的流量相同时，UPVC管较铸铁管节省输水能耗50%oUPVC管的水力计算国内尚无统一的计算公式，我们参考有关资料认为，UPYC管的水力计算可采用其它管材的通用公式，但考虑到UPVC管具有的特性，对公式中的水力摩阻系数作一些修改。UPVC管沿程水力坡降可按下式计算：i=(1D)(V22g)(7)式中：i沿程水力坡降；一一水力摩阻系数；D-UPVC管直径，m；V平均流速，m/s；G重力加速度，ms公式中的水力摩阻系数人与管材材质和液体流态有关，当UPYC管作为给水管使用时，水力摩阻系数人可按下式计算：=(0.3O4Re0229)(8)式中：Re雷诺数。可由下式计算：Re=VD/(9)式中：Y运动粘滞数，m2s<)为防止管内水锤的发生而使管材破坏，管内的水流速度应限制在2.5ms以内。当预计流速可能发生突然变化时，还应考虑水锤压强，其计算可按水力学有关公式进行。4.2 施工安装UPVC管的刚度和强度与铸铁管相比要低一些,所以施工安装应根据UPYC管本身的特点合理操作，保证施工质量。UPVC管是一种热塑性材料，具有很高的热膨胀系数是铸铁管的5-6倍，设计施工中需注意。一般埋地敷设时，管材不直接暴露在大气中，且覆盖的土壤具有一定的绝热性能，防止了温度的迅速变化。如果相对温度变化不大时，可不必设置伸缩节。如在地面敷设时，管材直接暴露在大气中受气温变化的影响大，导致UPVC管伸缩。一般当直线管道长度超过30m,气温变化大于15时，就必须采取措施，设置伸缩节以消除膨胀，保证管材的正常使用。根据UPVC管的性能，连接方式也与铸铁管有所不同，表4列出了UPYC管和铸铁管的不同连接方式。表4UPVC管和铸铁管的连接方式管材连接方式UPVC管溶剂粘接、橡胶圈连接、螺纹连接、法兰连接铸铁管橡胶圈连接，刚性填料连接UPVC管由于重量轻、安装简单，劳动强度低，尤其是溶剂粘接和橡胶圈连接，只要23人配合作业，就可完成整个连接过程，施工效率很高，因此倍受欢迎。5.结论UPVC管是一种新型的给水管材，在我国给水工程中的应用还刚开始。我们通过对国内十几家单位的工程试点，取得了一些具有代表性的经验数据，证明UPVC管应用于给水工程是可行的。同时UPVC管还具有铸铁管无法比拟的优点，是缓和我国目前钢材紧缺，能源紧张的一种非常理想的管材，值得大力推广应用。参考文献1王扬祖.聚氯乙烯管在给水排水工程的应用.中国给水排水，1989(4)2Ruchley,JA.HealthAspectsRelatingtotheUseofUPVCPipeforCommunityWaterSupply,19733韩洪军，刘灿生.硬聚氯乙烯(UPVC)给水管的卫生性能探讨.聚氯乙烯，1993(4)4刘灿生，韩洪军.硬聚氯乙烯管扩散入水中氯乙烯单体的试验研究.中国给水排水，1990(2)