增强超高分子量聚乙烯管在给水工程中的应用-水世界-中国城

水世界-中国城镇水网，刘宗秋（广西建筑综合设计研究院，广西南宁530011）摘要：提出了中小口径输配水管网采用增强超高分子量聚乙烯（PE150）管代替普通高密度聚乙烯（PE100）管的设想；并建立了PE150和PE100给水管水力计算值参数表，为新型聚乙烯管在给水工程中的推广应用提供依据。关键词：增强超高分子量聚乙烯管；输配水管网；水力计算参数表；给水工程；推广应用TheApplicationofReinforcedUltraHighMolecularWeightPolyethylenePipesinWaterWorksXIAORui-shu，LIUZong-qiu(GuangxiInstituteofArchitecturalDesign&Research,Nanning530011,China)Abstract:TheauthorshaveputforwardanideaofthattheRUHMWPE(PE150)pipescanbeusedinthetransmissionanddistributionnetworkwithadiameterofmiddleorsmallsizeinsteadofthecommonhighdensitypolyethylene(PE100)ones;andthetablesofthehydrauliccalculationofPE150andPE100watersupplypipes,etc.aresetuptoofferscientificbasisonapplyinganewtypeofpolyethylenepipeinthewaterworks.Keywords:RUHMWPEpipe;transmissionanddistributionnetwork;tablesofhydrauliccalculation;waterworks;application1前言城镇市政给水工程的一个重要环节是输配水管网的建设，其投资占整个工程建设的65%左右。我国自来水行业上世纪以来主要沿用传统铸铁管或钢管作为市政给水管道，近年来各地推广应用球墨铸铁管代替传统金属管方兴未艾。随着国内外化学建材制造业的发展，人们对水质的要求不断提高，一种更环保、性能更优良的聚乙烯（PE）给水管逐渐被认识和使用。新世纪伊始，《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T13663-2000国家标准[1]、《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101-2004行业标准[2]、2004年3月18日《关于发布（建设部推广应用和限制禁止使用技术）的公告》（建设部第218号）和2004年7月7日《关于发布（建设部2004年科技成果推广项目）的通知》（建科函1水世界-中国城镇水网[2004]142号）发布以来，普通高密度聚乙烯（以下简称PE100）给水管在全国得到广泛应用。在新建和扩建的众多城镇管网设计中，dn≤315mm的中小口径管道，大多采用PE100给水管代替其他管材。2003年以来，广西境内共铺设了六条PE100过江倒虹管，除两条因PE100管的力学性能及施工等原因造成局部破坏而进行了修补外，均达到了预期效果。2增强超高分子量聚乙烯管的问世国家科学技术部发展计划司于2000年11月以国科计字[2000]056号《国家科技成果重点推广计划指南项目》（2001）（以下简称《指南》）把超高分子量聚乙烯（以下简称UHMWPE）管材生产技术列入化工类新材料、新产品的国家科技成果重点推广计划指南项目之一，并公布了UHMWPE管材生产技术。《指南》对UHMWPE管材的评语为“该项目采用连续挤出方式生产UHMWPE管材，项目工艺先进，无三废排放，设备创新程度高；其抗冲击性是PVC管材的20倍，普通PE管材的5倍；耐磨性是钢材的4～7倍，PVC和PE管材的10倍；且具有高抗腐蚀性和杰出的耐候性和抗老化性，该工艺和产品填补了国内空白，其主要性能指标已达到国际同类产品先进水平”。国内某企业利用双向预应力钢筋混凝土结构力学原理，将分子量为250万单位的UHMWPE型坯料双向拉伸2×2倍，生产出了增强（Reinforced）UHMWPE（以下简称RUHMWPE）管材，使新型PE管材抗拉强度增强到50MPa，比UHMWPE和PE100管材抗拉强度35和22MPa分别增强43%和127%；而伸长率则下降到200%，比PE100管材400%降低一半。伸长率的下降有利于改善管材的形变应力，当管道承受内水压力时，直径形变越小，其承压能力因直径变大造成的损失就越小。RUHMWPE管材强度分级数实测值≥200，是PE100管材的2倍以上，考虑安全余量设计取150，相当于PE150，故RUHMWPE即新型PE管材又被定位为PE150管材。PE150管材在同等工作压力和内径条件下比PE100管材薄35%左右，且各项机械性能指标均优于PE100，为更好地设计PE150市政中小口径输配水管网，笔者建立了PE150和PE100水力计算等表格，为新型聚乙烯管在市政给水工程中的推广应用提供科学依据。3建立水力计算表查《给水排水管网系统》[3]，较光滑的圆管沿程水头损失可按(3.6)式计算：87.4852.1852.167.10DCLqhWf=（3.6）式中hf——沿程水头损失，m（10kPa=1.02m≈1m）q——流量，m3/s2水世界-中国城镇水网——圆管长度，mD——圆管计算内径（相当于dj），mCW——海曾-威廉粗糙系数，塑料管取150查《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》JC/T838-1998行业标准[4]附录D3.1，Hazen-Williams的C也是150；但再查《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003[5]（以下简称《建水规》）的表达式为i=105Ch-1.85dj-4.87qg1.85（3.6.10）：式中i——管道单位长度水头损失（kPa/m）dj——管道计算内径，mqg——给水设计流量，m3/sCh——海澄-威廉系数，塑料管Ch=140市政管网水力平差计算以(3.6)式为依据，非管网平差按曼宁(Manning)公式计算时，各种文献均规定铸铁管的n=0.013，塑料管（含玻璃钢管）的n=0.009，同等流量和内径时，塑料管i是铸铁管i的(0.009/0.013)2即0.479倍，而按(3.6)式进行管网平差时，考虑使用20年的铸铁管CW=90～100可取100与（3.6.10）式Ch=100一致，塑料管i是铸铁管i的（150/100）-1.852即0.472倍，对照曼宁及海曾-威廉两种公式的相应比值为0.479及0.472，基本持平，因此，建筑给水塑料管按《建水规》取Ch=140；而市政输配水PE管则按文献[3][4]取CW=150。美国的有关资料指出，UHMWPE管的内壁比其它塑料管光滑得多，Cw试验值为155～165取160。当C值为150时，公式（1）及公式（2）可用于PE管道水头损失和平均流速的简化运算：I=AQ1.852,A=9.95504×10-4dj-4.87（1）式中I——PE管道单位长度水头损失，10kPa/m≈m/mQ——给水设计流量，m3/sA——比阻，(m3/s)-1.852dj——PE管道计算内径，mv=KcQ,Kc=1.27324dj-2（2）式中v——PE管道平均流速，m/sKc——流速系数，m-2为便于计算，笔者将PE150及PE100给水管不同管径及不同公称压力的dj、Kc、Q、A、I值列于表1及表2。由于RUHMWPE管的耐磨性是普通HDPE管的3.5倍，因此，理论上其使用65年仍可保持内壁光滑的特性不变。Cw=160时，表1中的A值应乘以0.88734的修正系数。3水世界-中国城镇水网=150、PE150给水管水力计算参数值Tab.1ThehydrauliccalculationparametersofPE150watersupplypipeswithC=150PN/MPadn×en/mmdj/mKc/m-2Q1/m3.s-1Q2/m3.s-1A/（m3.s-1）-1.852I1/m.m-1I2/m.m-1220×5.00.190035.270.02840.05673.239760.0044260.015928225×5.40.214227.750.03600.07211.806980.0038300.013863250×5.50.239022.290.04490.08971.059850.0033820.012185273×6.10.260818.720.05340.10680.692830.0030480.011004315×6.70.301614.000.07140.14290.341360.0025720.009297377×7.90.36129.7590.10250.20490.141840.0020880.007530400×9.20.38168.7440.11440.22870.108550.0019580.0070630.6450×10.50.42906.9180.14460.28910.061370.0017080.006163160×5.00.150056.590.01770.035310.24420.0058310.020939200×5.80.188435.870.02790.05583.375980.0044630.016113225×7.10.210828.650.03490.06981.953410.0039090.014113250×7.30.235422.980.04350.08701.141160.0034340.012398273×8.10.256819.310.05180.10360.746990.0031060.011214315×8.80.297414.400.06940.13890.365490.0026130.009444377×10.50.356010.050.09950.19900.152220.0021210.007655400×12.20.37569.0250.11080.22160.117250.0019930.007196680×21.90.63623.1460.31790.63570.009010.0010790.0038940.8900×29.00.84201.7960.55681.11360.002300.0007780.002807110×5.00.1000127.30.00790.015773.79780.0094290.033640140×5.60.128876.750.01300.026121.51560.0069150.025140160×6.40.147258.760.01700.034011.22880.0059310.021411200×8.00.184037.610.02660.05323.787740.0045840.016549225×9.00.207029.710.03370.06732.134360.0040030.014413250×10.00.230024.070.04150.08311.277700.0035240.041646273×10.90.251220.180.04960.09910.831660.0031910.011499315×12.60.289815.160.06600.13190.414600.0027000.009735450×18.00.41407.4290.13460.26920.072990.0017790.006423630×25.20.57963.7900.26390.52770.