建筑供水管道的应用与发展探讨

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  摘要 21世纪建筑水管,需要卫生、轻便、安全、不漏水、耐久、经济、节水、节能。通过对
  目前水管的讨论评价,给出了标准系列的综合经济技术性能评价方法、判别式,对现行常用管材的安
  全度综合评价,提出了选择高级管材标准,阐述了21世纪水管发展方向。
  关键词 21世纪建筑水管 卫生 不漏水 判别式 高级管材 特点 水管发展方向
  21世纪人类社会,科技文明带来的繁荣,使人们的生活,社会结构发生了巨大的变化,建筑给水管道系统采用薄壁不锈钢管材已逐步成为国际社会的主流。薄壁不锈钢管道由于其高精度的制造技术,精湛的高科技工艺技术,体现了不锈钢管件的生产制造业进入了一个新的高级阶段。管道接口不仅高度安全好用,而且内外表面光滑,外观豪华美观具有国际先进水平。具有高安全度、节能、节水、健康、环保、经济、耐久、免维修、施工方便、安装快速、资源可循环使用的良好特点。
  1 目前建筑水管现状与21世纪的目标
  迄今为止,我国建筑供水管道系统中,半个世纪以来存在的大家公认的四大难题。在一年四季正常使用状态下,水质二次污染,管道漏水,水管寿命短,管道施工麻烦的问题还比较普遍。
  漏水原因——管材运动过程变异行为,引起应力转移,导致局部受力过大产生破坏,引发漏水,因素是多样而复杂的。
  水质被污染,管材寿命短。污染造成对人体健康之忧,排放水量增大的浪费。水质浊度增加或臭味增大。
  进入21世纪后,国家于2000年下达了废除用镀锌管作水管的规定,大胆的采用了国际先进的管材及标准。由于我国市场发展的还不够规范,及一次性投资的经济因素,绝大部分的建筑供水管道,多为低参数的管材。更有替代材料制品的管材充满市场。管子最重要的接口标准化太低,随意性较大。因此,管道系统的四大问题并没有明显的改观。
  2 高级优秀水管的评价及判别准则
  2.1 薄壁不锈钢管标准及T/D值計算。
  在21世纪将要来临之际,英国首推出BS4127:1994薄壁不锈钢水管标准。2002年欧共体又推出了EN10312水管标准具体规格。
  2.2 薄壁不锈钢管定义:
  薄壁不锈钢水管的定义管子直径D与管壁厚度T的比值,符合以下范围的T/D比值称为薄壁不锈钢管。管子外径Dmm ;T/D比值D≤20 0.020-0.055; D≤30 0.020-0.045;D≤60 0.015-0.035;D≤100 0.010-0.030;D≤200 0.008-0.017;D≤300 0.007-0.015;当小于本T/D值的范围的数据,称为超薄壁管。当大于本T/D值范围的数据,称为厚壁管。
  2.3 薄壁管系列经济技术性能的判别式
  薄壁管系统,规格系列设计,其尺寸、力学性能、安全性能、经济性能、使用性能等综合指标是不是最佳设计,本文提出一个简便的评价方法。
  必要条件
  1、 满足定义域。管子直径与壁厚确定,应满足应用系统介质、压力参数、各种载荷、工艺条件要求。
  2、 符合一个系统一致性、等效性原则。
  判别条件
  T1 Tn
  △T/D = (1)
  D1 Dn
  T1Dn
  即: △T/D = (2)
  TnD1
  式中: △T/D:系统控制性平衡差值;T/D:厚度与直径比值;T1/D1:厚度与直径初始条件比值。Tn/Dn:任意的比值厚度与直径。
  T1Dn
  当 △T/D = , △T/D为系统判别条件。
  TnD1
  当△T/D=1.0时,为最经济等效系列。当△T/D< 1.0时,说明小口径的厚度T偏薄或大口径偏厚。当△T/D>1.0时,说明小口径的厚度T偏厚或大口径偏薄。
  充分条件:
  要求管子必须在稳定态工作,不允许薄壁失稳现象,实际的不平衡因素条件:
  (1)材料性能引起的产品加工成品率,生产技术水平,经济因素;(2)使用场所的复杂度、安全等因素;(3)施工条件因素一般取综合因素:
  C。=0.1~1.2 故[△T/D] ≤2.2;当[△T/D] >2.2 为不经济不合理型。解决办法当一个系列大于[△T/D] 值时,说明应分段分区或另设系统。或调整数据。T/D是定义薄壁管与厚壁管或超薄壁管的分界值。△T/D是评价设计系统规格系列的经济技术合理性判别条件。
  2.4 对现有薄壁不锈钢水管进行经济技术综合判别分析。
  (1)BS4127:1994 和 EN10312:2002水管分析
  系统系列D15-D108计算:△T/D=T/D15 / T/D108 =0.04 / 0.014 = 2.86
  (2)Q/AT001-2003水管分析
  系统系列D15.88-D102计算:△T/D=T/D15.88 / T/D102 = 0.038 / 0.0196 =1.94
  系统系列D15-D108计算:△T/D=T/D15 / T/D108 = 0.04 / 0.019 = 2.1
  2.5 综合分析评价
  1、 BS、EN水管标准通过T/D值和△T/D=2.86值计算可见,大口径管厚度有点偏薄,
  2、 Q/AT标准基本满足实用型。△T/D=1.94~2.1。但离最经济型有差距,也就是小规格厚度尚偏厚。
  3、 通过大量工程使用和试验测试数据,也充分说明了通过理论计算,水管口径偏厚的结果与实际试验值相一致。试验情况如下:D15.88管道连接系统试件,水压20Mpa尚没拔脱、无爆管现象,也没有引起明显永久变形。D102管道连接系统试件水压7.0~9.0Mpa,开始出现拔动现象。管材尚无明显永久变形。这些数据已清楚说明系统的不一致性。说明小口径管偏厚。   4、作为一个系统,同一个压力运行系统的配管,只有等效的全管网整体厚度增加,耐
  压值提高,才有意义。局部的增厚,对一系统而言,毫无价值。评价安全度,经济性是通过对重要的薄弱环节的评估与改进,作为系统的综合评价来判别。当通过改进系统薄弱环节的方法提高全系统安全度,才是最明智的作法。
  3 对现在不同材质管材执行标准的耐久性安全度综合评价
  根据我国现行工程实际使用的主要性管材,采用“等效对照法”进行对现行水管的安全度评价。
  3.1 采用标准:
  BS EN10312:2002 流体、水输送用不锈钢管;BS 4127:1994 薄壁不锈钢水管;
  Q/AT001-2003 双挤压连接薄壁不锈钢水管、流体管;GB/T3091-1993 低压流体输送用镀锌焊接钢管;EN1057:1996 供水半硬紫铜管;Q/JYG01-2000 建筑给水用超薄壁不锈钢塑料复合管;DIN8077.8078 (ISO/DISI15974) 冷热水用塑料管道,PP-R管材; GB13663-2000(1504427:1996)给水用聚乙烯(PE)管材。
  3.2 等效对照法原则:
  1、 所有参与对照组管材,都必须进行等条件量刚、数据换算。
  2、 采用主要数据项目
  (1)外径:所有管同一规格、统一外径。(或近似外径);(2)强度:采用应力计算,即单位力计算。(3)刚度:通过变形量计算获得。(4)求解换算后的厚度值。
  3.3 规定
  (1)为了便于计算,将所有规格直径系列,统一规定。OD为一定值常数。
  (2)强度值根据材料标准按不同材料的数值如下:
  不锈钢 抗拉强度:[σ]A = 520Mpa;低碳钢抗拉强度:[σ]B = 290Mpa;
  紫铜管抗拉强度:[σ]C= 210Mpa;PP-R管抗拉强度:[σ]D= 52.0Mpa
  PE63管抗拉强度:[σ]E=50.0Mpa
  (3)刚度1/f,f:变形量。
  刚度通过计算变形量获得,管材按环的径向压力变形计算。管子径向压力变形,主要和以下参数相关。① 管子外径OD;② 材质的硬度B;③ 管壁的厚度T;原则上OD为常量时,硬度越大,抗变形能力越强,刚度越大,反之弱。管壁越厚,抗变形能力越大,刚度越大,反之小。
  (4)硬度顺序
  不锈钢最硬→低碳钢较硬→紫铜低→塑料最低可见属于韧性材料的水管符合强度高,硬度也高的规律。
  3.4 应力换算:
  [σ]A / [σ]n = m (3)
  式中: [σ]A:不锈钢抗拉强度应力值。[σ]n:为任意材料抗拉强度应力值。m:应力关系数。T1 =Tm;式中:T1:换算到等效不锈钢强度时的厚度;T:原管材的厚度。计算各种管材材料的应力关系系数如下:不锈钢管 m=1.0;低碳钢管 m=0.56;紫铜管m=0.40;
  PP-R管m=0.1;PE63管m=0.096。
  3.5 讨论:
  (1) 通过等强度计算厚度结果,可看到不同管材的同一个规格、厚度值T1相差很大,
  (2) 在工程使用中,许多还是以价格来选择管材的。很少能有人去全面论证管材的安全度。
  (3) 厚度的差别直接反映价格的差别。通过计算不仅可评价安全度,也可评价价格体系。
  (4)还应分析接口的可靠性,施工安装性能。
  (5)从耐久性、节水、节能、卫生健康评价管材的经济、合理性,无疑薄壁不锈钢水管是目前水管中又厚又结实、又安全、又经济的管道系统。
  (6)当不锈钢管和塑料等其它管材一样强度条件下管壁大为减薄后的单价就会是管材中最低的管材。
  4 正确选择使用管材
  建筑给水系统已成为现代建筑物的重要组成部分,如何选择合符标准的好水管,本文提出以下标准。
  第一条 必须对水质不产生二次污染,不会影响人体健康,也不会对环境产生污染的系统。
  第二条 有良好的抗变异性。
  第三条 整个系统是等牢固度,等寿命,等安全度。
  第四条 水力学特性良好,流阻损失最小,是输供水硬件系统最节电能的系统。
  第五条 系统的配管投资必须是所有管材中,同安全度,同寿命价值中,最经济、综合成本最低。
  第六条 耐久性好与建筑物同寿命。
  第七条 施工方便。
  第八条 环保,可回收再使用。
  这八项标准在一个管道系统中,必须同时满足。目前薄壁不锈钢管道系统全部达到了这八项标准。
  5. 薄壁不锈钢水管系统的技术基本参数规定:
  1 选用材质:
  0Cr19Ni9; 00Cr19Ni11; 0Cr17Ni12M02; 00Cr17Ni14M02; 0Cr18Ni12M02Ti
  2 水压试验
  管件与管子出厂前逐根或逐个试水压.A级≥4.0Mpa, B级≥6.0Mpa, C级≥8.0Mpa。
  3、气密性试验 保压2分钟。
  用于液体,试验压力为0.75Mpa,用于气体2.4Mpa。保压2分钟。
  4、卫生检验
  用于净水、食品、符合GB/T17219-98规定。
  5、水压强度试验
  耐压等级
  额定工作
  压力Mpa
  系統(试样组)
  试验压力Mpa
  破坏试验压力 Mpa
  ≤DN 50规格   DN60- DN100
  A级配管系统
  1.6
  2.5
  8.0
  6.0
  B级配管系统
  2.5
  4.0
  10.0
  8.0
  C级配管系统
  4.0
  6.0
  15.0
  10.0
  6、耐真空負压
  20℃±5℃;压力–80kPa 保压1h ; 压降小于5kPa
  7、水压振动试验
  净长度500mm,内连接系统,注入常温清水20℃±10℃;
  A级2.5Mpa; B级4.0Mpa 振幅±5.0mm, 频率1400HZ/分, 持续500万次,无渗漏;C级6.0Mpa 无异常。
  8、水压冷热水循环试验
  回路:热水90℃±2℃ 每循环一次20分钟
  冷水20℃±10℃ 水压:A级4.0Mpa;
  B级5.0Mpa 反复2000次;
  C级6.0Mpa;
  往复试验完成注入0.6Mpa气压无渗漏、无异常。
  9、水压冲击试验
  取回路水温20℃±10℃, 20次/分钟, 往复2万次。脉冲水压:A级峰值4.0Mpa,谷值0.0Mpa;B级峰值5.0Mpa,谷值0.0Mpa;C级峰值6.0Mpa,谷值0.0Mpa;2万次后,注0.6Mpa气压,无渗漏。
  10、水压弯曲试验
  试件静距1000mm ,注入水压:2.5Mpa保压中间加载弯曲挠度:保压2分钟,f = 0.15L~0.3l 不漏水。
  11、水压扭动试验
  注入清水压力:A级2.5Mpa, 旋转180°保压2分钟不渗漏。B级4.0Mpa,C级6.0Mpa
  12、水压拉拔
  OD15-50: 注入清水12.0Mpa-40.0Mpa 单口拔出长度3mm。OD70-100: 注入清水10.0Mpa-20.0Mpa 单口拔出长度10mm。接口无渗漏。
  13、耐腐性
  烟雾试验符合DIN50021:98标准。
  1 盐雾试验 2 浸泡试验
  盐液浓度:5%NaCl, 蒸溜水:85%,
  箱体温度:35±1℃, HNO:10%~20%,
  盐液PH值:3.2, HF:1%-4%,
  盐雾沉降率:1.6ml / (80cm2.h), NaCl:1%,
  试验时间:24h, 试验温度:20℃±10℃,
  无任何变化。 PH:1.0,
  浸24h,肉眼观测无变化。
  6 结语
  1、21世纪建筑水管的发展方向。有以下几个方面的主流发展趋势。
  (1)薄壁轻型化的倾向。 (2)卫生健康环保的倾向。
  (3)高安全度发生一定变异松动也不会漏水能包容的良好系统。
  (4)配管分级别化,走向实用经济型。 (5)耐久稳定免除维护型。
  (6)水力学特性好,节能、节水。
  (7)耐久安全性接口,牢固稳定。消除不稳定接口。
  (8)施工简单、方便、快速,接口安装很少受人为影响。
  因而根据以上文中分析评价,薄壁不锈钢管会是21世纪建筑供水管道的主要发展方向。
  参考文献
  [1]CJ/T 151-2001 薄壁不锈钢水管;[2]GB/T 19228.1-2003 不锈钢卡压式管件;[3]GB/T 19228.2-2003 不锈钢卡压式管件连接用薄壁不锈钢管;[4]GB/T 19228.3-2003 不锈钢卡压式管件用橡胶O形密封圈;
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