HDPE纏繞管性能分析
綜述
　　　中國是水資源嚴(yán)重短缺的國家,人均水量不足2400立方米,僅為世界人均水量的四分之一,在很多城市和地區(qū)能否保證居民的供水已經(jīng)成為面臨的首要難題。造成水危機的重要是水資源被沒有控制,沒有處理的排水所污染,水資源的污染已經(jīng)嚴(yán)重危害到人們經(jīng)濟(jì),生活和身體健康等各個方面。
　　　世界銀行和國家環(huán)�？偩值臄�(shù)據(jù)表明：到2005年,要使城鎮(zhèn)集中處理污水從目前的水平提高到45%,至少要投入1500億元�！拔鬯�資源化”對城市排水,雨水管網(wǎng)提出更高的要求。城市供水的80%轉(zhuǎn)化為污水,如果經(jīng)集中處理后,70%可以再次利用。再加上我國飲用水的生產(chǎn)能力提高20%至少又需投資2400億元。按國家的要求,到2010年所有城市的污水處理率不低于60%,直轄市,省會城市,計劃單列市,重點風(fēng)景旅游城市的污水處理率不低于70%,至少又要投資4000多億元。中國自建國以后50年的發(fā)展是重生產(chǎn)不重視環(huán)保,環(huán)保欠債太多,大多數(shù)城鎮(zhèn)污水管道和處理不健全,大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒有污水管網(wǎng),這個歷史重任就落在21世紀(jì)的前20年。而完成這個任務(wù)必須使大口徑塑料埋地管有一個大發(fā)展,對這個問題的認(rèn)識有一個過程。過去是不重視污水處理,后來各計劃部門重視污水處理廠但不重視污水管網(wǎng)的建設(shè),例如蘭州市,武漢市東湖建設(shè)好污水處理廠卻沒有同步建設(shè)管網(wǎng),致使污水處理廠無法使用。一個大中城市的污水處理廠,建設(shè)資金約為2億元而完善污水廠管網(wǎng)建設(shè)將要4億元。北京市為了迎2008年奧運,計劃建設(shè)15座污水處理廠需建設(shè)資金30億元而完善污水廠的管網(wǎng)建設(shè)卻要投資60億元。由此可見在21世紀(jì)前20年在中國大口徑排水管的建設(shè)是處于快速發(fā)展期。
性能特點
　　　塑料埋地管材在國外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,在國內(nèi)的應(yīng)用也發(fā)展迅速。原因就在于塑料埋地管比傳統(tǒng)埋地管材如鑄鐵管,鋼管,水泥管有太多的優(yōu)點,表現(xiàn)在以下方面：
1．在強度和剛性方面：從表面上看塑料埋地管不及水泥管,特別是鋼筋混凝土管,但從實際應(yīng)用看,塑料埋地管是屬于“柔性管”,當(dāng)“剛性管”受外壓負(fù)載時,負(fù)載完全經(jīng)過管材壁傳遞到底部的管床上。在管材壁內(nèi)產(chǎn)生彎矩,管材的上下兩點壁內(nèi)外側(cè)受壓拉；管材的左右兩點管壁上側(cè)受拉,內(nèi)側(cè)受壓。隨著直徑加大,管壁內(nèi)的彎矩和應(yīng)力急劇加大因此大直徑的混凝土排水管常常需要采用鋼筋加強。但“柔性管”受外壓負(fù)載時,“柔性管”首先橫向外擴(kuò)變形,如在“柔性管”周圍有密實的回填土壤當(dāng)中。所以,同樣外壓負(fù)載下,“柔性管”管壁承受應(yīng)力比較小,它和周圍的回填土壤共同承受負(fù)載,工程上被稱為“管----土共同作用”。因此,“柔性管”鋪設(shè)時回填土的設(shè)計和施工就顯得尤為重要。 所以塑料埋地管不需要達(dá)到“鋼性管”混凝土管一樣的強度和剛性就可以滿足埋地使用中的力學(xué)性能的要求。
2．在水力特性方面：由于塑料管內(nèi)壁光滑,阻力小,水流通量大,所以在同等口徑下塑料管的水流量要比混凝土管大,對于地形有坡度時,塑料管可減少管材口徑,即施工量可以減小。
3．在密封性方面：水泥管的泄漏造成環(huán)境污染是水泥管的主要缺點,據(jù)統(tǒng)計在城市污水管網(wǎng)中水泥管的泄漏量達(dá)30%以上。主要是因為水泥管在保證密封性方面很差,國內(nèi)平接口混凝土管在連接處就靠抹一圈混凝土,施工中不能保證不泄漏,又因為是剛性管稍有移動例如土壤的不均勻沉降就可造成連接處的破壞,再者水泥管使用的硫化橡膠密封圈其使用壽命也不如塑料管連用的熱塑性彈性體密封圈,加上塑料管的連接和密封有一系列嚴(yán)格要求,能夠最大限度地保證不會發(fā)生泄漏。
4．在使用壽命和耐腐蝕方面：在這方面塑料管的優(yōu)點更為突出。水泥管的壽命只有15年而塑料管的壽命可達(dá)50-100年。埋地排水管輸送的生活污水,雨水常帶有腐蝕性,工業(yè)污水腐蝕性更大,金屬管,水泥管耐腐蝕方面不如塑料管。室外的自然環(huán)境有的地區(qū)腐蝕性非常大,例如天津市塘沽新區(qū)圍海造地,鋪設(shè)的水泥排污管三年后找不到了都被海水中的鹽腐蝕了,只好二次再鋪設(shè)塑料管。
5．在鋪設(shè)施工方面：塑料管由于質(zhì)量輕,長度大,接頭少塑料管的優(yōu)越性更大,它對管溝的要求低,連接方便,施工快捷,施工費用少。在城市和惡劣自然條件下,優(yōu)點更加突出。
6．在綜合經(jīng)濟(jì)方面：在綜合經(jīng)濟(jì)方面,塑料管的優(yōu)勢正在被越來越多的用戶認(rèn)識。塑料管的單價比水泥管略高,但總的工程造價不比水泥管高。天津市政工程設(shè)計院從1998年起對PE雙壁管應(yīng)用于埋地排水管進(jìn)行了系統(tǒng)研究,他們的結(jié)論是：“雙壁管的工程造價可與混凝土平口管造價相當(dāng),比承插口混凝土管的造價降低30%。施工周期大大縮短,經(jīng)濟(jì)效益顯著”。
近十年來,PE管的發(fā)展速度十分迅速,PE管超過UPVC管的主要原因：
1．管材用聚乙烯（PE）材料不斷取得重大發(fā)展：在塑料管發(fā)展的初期,聚乙烯（PE）管的應(yīng)用最遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚氯乙烯（PVC）管,其主要原因是經(jīng)濟(jì)性。那時高性能聚乙烯管材料沒有被開發(fā)出來,只能使用相當(dāng)于PE63等級的聚乙烯材料,因為強度低,在同樣的條件下PE的管壁要比UPVC管厚一倍以上。不僅材料成本高而且只能應(yīng)用在壓力較低,直徑較小的管材上,否則壁厚太厚無法使用。例如在中國1992年制定的標(biāo)準(zhǔn)中,直徑200mm給水管的壁厚是18.2mm(壓力為1Mpa)而同等直徑的UPVC管的壁厚只有8.7mm,兩者相關(guān)的厚度比是2.09：1。換算成質(zhì)量比是1.42：1�？墒怯捎诰垡蚁┕懿膶Ｓ昧系拈_發(fā)研究,新一代高強度的材料不斷涌現(xiàn)。不僅出現(xiàn)PE80級產(chǎn)品,還出現(xiàn)PE100級產(chǎn)品。隨著聚乙烯材料的升級換代,聚乙烯管的各種應(yīng)力提高了許多,聚乙烯的壁厚就越來越薄了,甚至超過了PVC管。例如在2000年中國標(biāo)準(zhǔn)中（GB/T3663-2000）,在給水用直徑為200mm的聚乙烯管,若使用PE100為原料,在壓力等級是1Mpa時其壁厚已降到11.9mm。其與PVC管厚之比是1.37：1,換算成質(zhì)量比是0.93：1。這樣PVC壁厚較薄因而成本低的優(yōu)勢已經(jīng)失去了。
2．聚乙烯管獨特的柔韌性和可熔接性使得管路的鋪設(shè)方便經(jīng)濟(jì),使用更加安全可靠,用途也增加了。
從成本上看,高等級的聚乙烯管材專用料比PVC管材料要高但是為什么發(fā)達(dá)國家還是大量使用,是因為高性能的聚乙烯材料做成的管材具有許多獨特的優(yōu)點,其中之一是PE管的獨特的柔韌性,其斷裂伸長率達(dá)500以上,彎曲半徑可以小到管材直徑的20-25倍以下,還有優(yōu)良的耐刮傷能力。因此鋪設(shè)時很容易移動,彎曲和穿插。聚乙烯管對管溝的要求低,一方面管溝的費用可降低,另一方面當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均沉降和錯位時管道也不易損壞。例如在1995年日本神戶大地震中聚乙烯氣管和輸水管是唯一沒有破壞的。此外PE管可以使用比較方便的熱熔對接,也可以在大口徑管材上采用熱收縮帶聯(lián)接。由于PE管這些優(yōu)點還可以看到五種新穎的用途：A,較長直徑的聚乙烯小管可以用長盤管方式供貨,使用運輸,鋪設(shè)安裝十分方便；B,較大直徑柔韌的聚乙烯管一般可在地面上連接好再鋪入管溝,這樣施工大為方便；C,在某些場合可以不用開挖管溝可用頂管技術(shù)鋪設(shè)PE管；D,可以用長管沉入的方法在江湖河海的水底鋪設(shè)PE管也可在沙漠上面不挖溝鋪設(shè)PE輸水管；E,可用聚乙烯管來做內(nèi)補管,來修復(fù)舊的排水管。
3．低溫韌性：聚乙烯管比PVC管優(yōu)越的性能表現(xiàn)在低溫韌性上,一般在我國華北,東北,西北地區(qū)冬季的氣溫在零下0℃---30℃。這時PVC管會變硬變脆,容易損壞而PE管仍然保持其良好的柔韌性,即使到-30℃它也不會變脆。
4．耐老化性：現(xiàn)在聚乙烯管被要求做成藍(lán)色或黑色,特別是加入2%碳黑后會防止光線和紫外線的傷害而PVC管還是做成黃色和白色不能長期在陽光下暴曬。
5．環(huán)保的壓力：PE管對人對環(huán)境無害,而PVC管由于使用重金屬鹽類做穩(wěn)定劑會對水質(zhì)和埋入管材的土壤產(chǎn)生重金屬污染,在回收舊廢管材時如焚燒會產(chǎn)生二噁英等有害物質(zhì)。

PE纏繞管和水泥管的特性比較簡列如下：
特性 管材
PE纏繞管 混凝土管
接頭 熱收縮連接 處理困難
使用年限 長 短
內(nèi)部特性 光滑 不光滑
耐化學(xué)性 耐酸堿 不耐酸堿
耐震 上等 差
耐撞擊性 耐撞擊 差
耐外壓性 佳 中等
耐侯性 佳 可
維護(hù) 易 不易
施工 易 不易
毒性 無 有
經(jīng)濟(jì)性
　　　目前還沒有一比較全面分析方法對PE排水管道的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評估。如果僅用工程概算額來與混凝土管等其它管道的投資額對比,只能反映工程基建的一次性投資,而沒有反映出使用壽命,維護(hù)費用和由管道滲漏引起的連帶影響�，F(xiàn)我們從幾個方面對PE纏繞管和水泥管進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益綜合對比分析：
使用壽命和耐腐蝕方面對比：
　　　普通的鋼筋混凝土管的使用壽命一般為20-25年,而PE纏繞管則長達(dá)50年以上,對埋設(shè)在腐蝕性土壤或輸送腐蝕性的廢水,二者的相關(guān)更為懸殊,PE纏繞管的表現(xiàn)遠(yuǎn)好于水泥管；在維修管理上,塑料管由于管壁光滑,積污少,而且耐腐蝕耐磨性和耐久性好,養(yǎng)護(hù)管理的費用也相應(yīng)降低。
密封性和維修方面比較：
　　　在管道嚴(yán)密性方面,PE纏繞管本身不會滲漏,而且管子的長度長,接頭少；另外熱收縮套接口密封性好,抗不均勻沉降能力強,能適應(yīng)較大的角度變化,因此其滲漏量遠(yuǎn)低于混凝土管道,甚至可以做到零滲漏。而混凝土管的滲漏在管道工程設(shè)計時,通常按照排水量的10%來考慮；如果地下水位低于管底時,會導(dǎo)致管內(nèi)水向外滲漏污染地水,造成二次污染；如果地下水位高于管底時,會導(dǎo)致地下水向內(nèi)滲漏,加大管道的排水量,在污水管道接入污水處理廠時,將使污水處理廠的處理水量增加,加大了污水處理的費用。此外,還有在流沙地區(qū)水泥管的沉管問題,容易造成水土流失,管道下沉堵塞等非正常操作事故,僅在上海地區(qū)每年沉管修理費就高達(dá)1000萬元以上。
水力特性比較：
PE纏繞管的內(nèi)壁粗糙度為n=0.01,而混凝土管為n=0.013,根據(jù)流速公式v=1/n*R2/3*I1/2,在相同管徑與水力坡降條件下,雙壁波紋管與水泥管的輸水量相差30%左右。
運輸安裝與施工比較：
PE纏繞管管量輕,運輸和搬運方便,施工速度快,安裝費用低,根據(jù)測算：如DN500mm管材用3-4人即可安裝,時需5-6min,正常情況下,從開挖（用機械開挖）----平基----裝管----回填,8小時可裝管40m,比同口徑的水泥管時間節(jié)省50%以上。而水泥管需機械吊裝,所以在安裝費中還要扣除機械臺班費。
施工要求比較：
PE纏繞管不需要做混凝土基礎(chǔ),與水泥管相比在工程進(jìn)度方面,可節(jié)省水泥基礎(chǔ)和接口的澆筑與養(yǎng)護(hù)時間,安裝相對簡單,操作空間也相對較小,開挖土方量更小。
　　　總的來就,雖然PE纏繞管的單價較水泥管高,但一次性綜合投資并不高,如果采用壽命周期的模式來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評估,工程設(shè)計方案比較時,將工程基建投資,維護(hù)管理費用和使用壽命等綜合起來進(jìn)行評估,那么PE纏繞管的綜合造價比水泥管低得多。

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