塑料埋地排水管在国内外蓬勃发展

塑料埋地排水管在国内外蓬勃发展北京塑料工业协会张玉川2006-3塑料埋地排水管在国内外蓬勃发展北京塑料工业协会张玉川2006-3推广应用化学建材是我国政府重要的产业政策我国政府一直在大力推广应用化学建材,目的是节约资源和能源,保护环境,提高质量和效益,实现可持续发展.建设部通过发布‘推广应用和限制禁止使用技术’等文件为促进应用塑料管道做大量工作.例如218公告明确提出推广应用‘城镇排水塑料管道系统’和‘限制使用平口,企口混凝土排水管.’很多地区政府制定相应的规定,如上海98年就‘禁止使用铸铁排水管和水泥排水管’,目前中小直径范围几乎都采用塑料埋地排水管,04年已达4.6万吨.(全国05年塑料埋地排水管已过30万吨).塑料埋地排水管的优点在那？不泄漏—防止污染,保护环境;耐腐蚀,耐磨损,使用寿命长;良好的水力特性;铺设方便快速;优良的承受负载能力;柔韧抗地震性好;综合经济效益好.防止污染保护环境是国家可持续发展的基础全球重视可持续发展,应用塑料埋地排水管日益增加首先是为了防止污染保护环境.欧洲近4亿人口每年应用塑料埋地排水管近130万吨.传统埋地排水管采用刚性连接不能保证不泄漏,.污染土壤和地下水是最难治理的.塑料埋地排水管本身有柔韧性,连接密封好(必然时可以焊接).CECS164对聚乙烯排水管闭水试验渗水量的要求0.0046di比GB50268-97对混凝土管渗水量的要求严6-19倍!埋地排水管必须耐腐蚀耐磨损保证长期使用寿命埋地排水管必须保证50年以上使用寿命(国外提出要求100年).埋地排水管的寿命主要取决于耐腐蚀和耐磨损.塑料性能非常优越.,对绝大部分化学品如酸,硷,盐都不腐蚀(ISOTR10358)国内大量传统材料的埋地排水管因为腐蚀很快损坏,成为很多城市的难题.各种材料耐磨损性比较铺设方便迅速和良好的水力特性综合经济效益好柔韧,质轻,管段长,容易连接,塑料埋地排水管铺设方便快速.内壁光滑不易结垢,水力特性良好,通常可用减小直径和坡度达到同样流量.比管材价格,塑料埋地排水管通常高于传统管材;比综合经济效益,塑料埋地排水管常常优于传统管材,特别在中小直径.柔性管独特的管土共同作用形成优良的承受负载能力柔韧的塑料埋地排水管能够承受很大的埋地负载吗?能够长期使用不变形不破坏吗?塑料埋地排水管属于柔性管,其承受负载的机理和刚性管完成不同.柔性管是依靠管土共同作用来承受负载,研究和实践证明在良好铺设下可以承受很大负载,用于很大埋深.在良好铺设下塑料埋地排水管的变形会很快稳定下来.由于粘弹性材料的应力松弛作用,塑料埋地排水管也不会蠕变破坏.塑料埋地排水管承受外压负载-静负载和动负载静负载动负载总负载埋深米柔性管承受负载是依靠管土共同作用.管道承受上方压力负载发生变形,变形挤压两侧土壤,两侧土壤对管道作用侧压力,侧压力支承阻止管道的变形.周围土壤的密实度决定管土共同作用的成败.柔性管依靠管-土共同作用承受负载刚性管是独自承受全部负载柔性管刚性管Spangler模型土壤压力分布公认的设计基础-Spanger公式33'061.0rEEIrKWDXcL土壤参数管材参数车辆压力土压力系数变形量CECS163dpvkqksvddESDqFKDW061.081,1max,管材/土壤的行为是一个体积控制过程（volumesteeredprocess）埋地柔性管承受上方压力负载发生变形时,管道的变形是和管道周围土壤的压实是同时发生的,管道周围土壤可以进一步压实是管道变形的必要条件.土壤被压实到一定程度后就不能再压缩.如管道周围土壤在铺设时已经很好压实,埋地柔性管承受上方压力负载就不可能再发生变形,而不论承受的负载的大小.土壤被压实国内外标准塑料埋地排水管容许变形量标准中国国标GB50332中国工程建设协会CECS164欧洲prEN13476-3国际ISOTR7073美国塑料波纹管协会CPPA澳大利亚AS2566.1日本PE波纹管协会初始3.3%5-8%8%最终5%5%8-10%12.5%7.5%7.5%5-8%可见,我国现行标准容许变形量比较小.限制变形是为防止破坏连接的密封性塑料埋地排水管可以达到很大埋深‘土柱重’并没有全部压到柔性管上由于土柱和周围土壤沉降不同柔性管负载能减小;刚性管负载能加大作用的土压力土拱的作用减少了柔性管承受的压力美国聚乙烯波纹管协会CPPA资料ASSHTOM252系列聚乙烯双壁波纹管的最大埋设深度米m内径毫米环刚度Kpa回填情况E’—土壤模量E’6900KpaE’13800KpaE’20700KpaⅢ级（SM）标准监督密度90%Ⅱ级（GW）标准监督密度90%Ⅰ级（N/A）夯实的2004.56.1m14.3m25.3m3006.48.820.735.44505.18.821.036.66004.48.820.435.49002.87.618.032.912002.28.519.836.6塑料埋地排水管铺设后会不会不断增大变形？工程界担心：变形长期不断增加。正确答案；铺设后一段时间就稳定下来。稳定时间t-es可能小到零，也可能较长，一般不超过2年。决定稳定时间的是铺设的质量，即取决于铺设后管道周围土壤沉降的可能量，而与管材的性能（蠕变性能）无关。铺设交通影响变形是时间的函数变形%经过时间（年）t-es的定义是以后100年变形量增加不超过1%t-es欧洲塑料管道协会TEPPA大规模长时间实地试验结果铺设质量良好,不论管材材料(PVC,PE),也不论环刚度高低,在铺设后变形很快达到稳定(有5个试点稳定时间是0),而且铺设变形和最终变形都不大(最终变形范围从-0.8%到2.3%).反之,如果铺设质量不好,在其他条件相同下,结果就完全不同.不仅稳定时间较长,而且铺设变形和最终变形都较大(最终变形范围从2.5%到10.0%).情况结果CASE试点管材材料公称刚度kN/m2实际刚度kN/m2填埋原土铺设质量类型覆盖深度(米)初始平均变形%初始最大变形%最终平均变形%最终最大变形%t-100稳定时间(日)1PVC4.005.37砂砂良好1.15-0.50.00.01.00.02PVC4.005.37砂砂不好1.153.56.05.58.067.03PVC2.003.52砂砂良好1.15-1.00.00.01.00.04PVC2.003.52砂砂不好1.154.59.06.010.335.05PE6.007.00砂砂良好1.150.02.50.32.750.06PE6.007.99砂砂不好1.152.05.02.56.00.07PVC4.005.37砂砂中等1.900.51.52.33.512.08PVC4.005.37砂砂不好1.901.05.04.07.0422.09PVC2.003.52砂砂良好1.90-1.50.0-0.81.00.010PVC2.003.52砂砂不好1.903.08.05.811.0419.011钢4.005.37砂砂良好1.90-1.0-0.50.00.50.012钢4.005.37砂砂不好1.902.85.04.88.026.013PE6.007.99砂粘土良好1.15-1.0-0.52.03.538814PE6.007.99粘土粘土不好1.156.512.010.014.089715PE6.007.99砂粘土良好2.800.51.02.03.55.016PE6.007.99粘土粘土不好2.803.56.510.012.04122.0TEPPFA大规模长时间实地试验结果塑料埋地排水管长期承受负载下会不会发生蠕变破坏？工程界担心:长期承受负载先发生蠕变后发生破裂.正确答案:和压力管不同,无压的无埋地排水管通常不存在蠕变破坏的危险.实际应用和试验研究都证明无压的塑料埋地排水管在铺设后经过一段时间变形就稳定下来,在使用寿命期间处在恒应变状态.(和压力管处在恒应力状态不同).塑料是粘弹性材料.在承受恒应力状态下会发生蠕变.可能导致蠕变破裂;在承受恒应变状态下会发生应力松驰(stressrelaxation).压力管承受内压力负载,管壁内形成拉应力,变形不受到限制,长期恒应力,可能蠕变导致的破坏.无压埋地柔性管承受外压负载,变形后管壁弯曲,形成弯曲应力,稳定后变形受到限制,长期恒变形,必然发生应力松驰-应力下降,不可能因蠕变破坏.拉应力压应力拉应力恒应变恒应力塑料埋地排水管的关键性能-环刚度塑料埋地排水管承受外压负载的性能指标是环刚度.环刚度的定义和测定方法由标准严格规定.(GB/T9647-2003,等同ISO9969:1994)塑料埋地排水管必须有足够的环刚度才能形成管-土共同作用,保证不变形过大和压屈失稳.公称环刚度分SN2、SN4、SN8、SN16,常用SN4和SN8.参考意见:建议尽量选择较高的环刚度.注意选择低环刚度不一定经济.埋地排水管主要用结构壁管达到同样环刚度下结构壁管可以比实壁管节约材料50-70%埋地排水管用实壁管经济性差,但也有应用。结构壁管两大类结构壁管两种主要成型工艺—1,直接挤出:双壁波纹管,环状肋管(‘加筋管’)等.2,缠绕-熔接A,全塑料:圆肋缠绕管(‘克拉管’),内外平壁缠绕管(‘双平壁管’)等.B,金属增强缠绕熔接管:如埋地排水用钢带增强聚乙烯（PE）螺旋波纹管世界各国应用最广的结构壁管是双壁波纹管。应用最广的是直接挤出成型的PVC、PE或PP双壁波纹管缠绕成型结构壁管的种类多全塑料的和有金属增强的两类直接挤出结构壁管-适用中小直径优点:同样直径和环刚度下用料较省.整体强度的可靠性比较好.承插连接比较方便.缺点:一次性投资较高,不容易改变产品规格较适用的范围:中小直径,约到内径1000毫米。全塑料缠绕熔接管-适合较大直径优点:可以制造很大直径的埋地排水管.一次性投资低,容易改变产品规格.缺点:同样直径和环刚度下用料较费.整体强度的可靠性比较差.较适用的领域:较大直径约1000-2000毫米参考意见:直径大于2000毫米的热塑性塑料管市场有限,成本过高难和钢筋混凝土管和玻璃钢夹砂管竞争.金属增强缠绕熔接管用螺旋形钢带增强的塑料缠绕熔接管,预涂塑钢带经滚扎成波形,包覆熔接(热态下)在内外塑料层间。钢带的高刚性保证环刚度，内外聚乙烯保证防腐蚀.突出优点是环刚度高,用材料比较省。直径800-2000毫米，环刚度10-16kPa塑料埋地排水管的材料选择硬聚氯乙烯:优点:弹性模量高,成本较低,承口易成型.PVC-U缺点:加工性差不宜做大直径,抗冲击差.高密度聚乙烯:优点:容易加工,可做大直径,抗冲击好.HDPE缺点:弹性模量较低,共聚聚丙烯:优点:弹性模量高于聚乙烯,容易加工.PP-B缺点:弹性模量低于PVC,抗冲击低于PE南方地区和直径500毫米以下采用PVC较经济,北方寒冷地区和较大直径范围采用PE或PP更适宜.聚氯乙烯聚乙烯聚丙烯弹性模量E单位Mpa≥3000≥800≥1250塑料埋地排水管的铺设柔性管依靠管-土共同作用承受负载，铺设安装时回填材料的特性和夯实程度有重大影响。国内外经验证明：铺设的质量常常是埋地排水管成败的关键！建议埋地排水管生产企业要和设计和工程单位密切合作prEN13476-3塑料埋地排水管设计图表说明铺设的质量对于变形有决定性的影响推荐的设计变形限度SN2平均初变形5%SN4,8,16平均初变形8%环刚度KN/m2铺设初变形此图表适用范围详见prEN13476-3不推荐的中等的良好的塑料埋地排水管的产品标准国际标准：prEN13476-1-2-3国家标准；GB/T18477-2001埋地排水用硬聚氯乙烯（PVC-U）双壁波纹管。GB/T19472.1-2004埋地排水用聚乙烯（PE）结构壁管道系统第一部分:聚乙烯双壁波纹管材GB/T19472.2-2004埋地排水用聚乙烯（PE）结构壁管道系统第二部分：聚乙烯缠绕结构壁管材即将公布的行业标准:CJ/TXXX—2006埋地排水用钢带增强聚乙烯（PE）螺旋波纹