動(dòng)車組給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及材質(zhì)選擇

楊旭穎 周文濤 劉瑞聰 柯壤瓊

摘要：指出了動(dòng)車組給水系統(tǒng)是動(dòng)車組設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系到動(dòng)車組乘客的飲水安全問題，同時(shí)動(dòng)車組的飲用水為熱水供應(yīng)，水箱、管道、閥門、配件、密封件材質(zhì)的選擇關(guān)系到對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的影響，動(dòng)車組的飲用水供應(yīng)必須滿足生活飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)?；谀壳拔墨I(xiàn)資料，綜述了動(dòng)車組的給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)及要求，并分析了各管材對(duì)動(dòng)車組飲用水的影響，為保證給水系統(tǒng)水質(zhì)，提出了結(jié)合動(dòng)車運(yùn)行實(shí)際需要分析研究的主要問題。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;管材;水質(zhì);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）20-0159-03

1引言

在動(dòng)車組研發(fā)過程中，其給水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)得到不斷優(yōu)化。由于技術(shù)體系的差異，不同型號(hào)動(dòng)車給水系統(tǒng)有所差別，但其設(shè)計(jì)的基本原理大致相同。但系統(tǒng)材質(zhì)的選擇，對(duì)不同材質(zhì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生的影響有必要進(jìn)行研究。本文根據(jù)目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀，基于相關(guān)文獻(xiàn)資料，綜述了動(dòng)車組的給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)及要求，分析了水箱、管材、閥門、配件、密封件材質(zhì)對(duì)動(dòng)車組飲用水的影響，提出了應(yīng)結(jié)合動(dòng)車運(yùn)行實(shí)際需要分析研究的主要問題。

2動(dòng)車組給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）給水系統(tǒng)的管道布置要精簡(jiǎn)。在可能的范圍內(nèi)減少彎曲和銜接頭，減少阻力，避免管道漏水。

（2）給水系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)要符合重力壓差供水及管道防凍規(guī)范。平放的管道需要有一定的角度，方便將水排凈。管道要順暢防止存水結(jié)冰。

（3）給水管道需要有恒溫保持功能，避免溫度在零下攝氏度時(shí)結(jié)冰或溫度升高時(shí)管道潮濕。

（4）管道布置時(shí)要預(yù)防虹吸現(xiàn)象。

（5）管道設(shè)計(jì)要給后期的養(yǎng)護(hù)提供便利。

2.1給水方式

主要供水方式為重力供水、壓力供水或組合方式進(jìn)行供水。

重力給水的儲(chǔ)水箱設(shè)施位于車廂的頂板上側(cè)，壓力給水的儲(chǔ)水箱設(shè)施位于列車的底部;組合給水的儲(chǔ)水箱設(shè)施也位于列車的底部，組合給水的設(shè)施有一個(gè)中間水箱，位于車廂的頂板上側(cè)，利用壓力將列車底部水箱存儲(chǔ)的水打入位于列車頂部的中間水箱，再利用重力差向各支點(diǎn)需水設(shè)備輸水。

重力給水方式有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)的水箱容量相對(duì)較小，僅為300L左右。

壓力給水有水箱的容量相對(duì)重力給水較大、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重心偏低的優(yōu)點(diǎn)，但其系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)重力給水較為繁瑣、設(shè)計(jì)安全可靠性也相對(duì)較低。設(shè)計(jì)的水箱容量相對(duì)較大，普遍不低于600。

組合給水有水箱的容量比較大，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重心偏低的優(yōu)點(diǎn)，但其系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為繁瑣、設(shè)計(jì)安全可靠性也相對(duì)較低。設(shè)計(jì)的水箱容量相對(duì)較大，普遍不低于600L。其操控系統(tǒng)相對(duì)于壓力給水更優(yōu)良可靠。

列車在運(yùn)行中的水量使用情況和列車的整體設(shè)計(jì)布局是影響給水方式選擇的首要因素。水量的使用情況關(guān)系到水箱的容量，水箱的容量決定了水箱占用的列車空間面積;列車的整體設(shè)計(jì)布局關(guān)系到水箱的放置位置及其規(guī)格，所以列車的水量使用情況是影響給水方式的重要因素。

2.2水箱設(shè)計(jì)

在動(dòng)車組系統(tǒng)的給水方式確定下來后，依據(jù)水箱和各需水支點(diǎn)在列車布局上的安置關(guān)系來設(shè)計(jì)水箱的布置接口和管道接口是水箱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)程序。管道的接口確定是尤其需要關(guān)注的，它直接關(guān)系到管道的安置位置和功能。管道的接口基本分為入水的管道接口、給水的管道接口、出水的管道接口、排氣溢水的管道接口。給水管道的接口和出水管道的接口普遍布置于水箱的下側(cè)，以便清空水箱的余水，防止溫度低時(shí)水箱內(nèi)存水結(jié)冰產(chǎn)生危險(xiǎn)。入水的管道接口和排氣溢水的管道接口的位置在水箱內(nèi)部的高處，如此能使得水注滿水箱，擴(kuò)大水箱的使用效率，還可以防止注水時(shí)產(chǎn)生的壓力對(duì)水箱造成影響。在設(shè)計(jì)中通常使用重量輕的材質(zhì)設(shè)計(jì)來減少水箱的重量。

其他國家動(dòng)車組的給水系統(tǒng)是將儲(chǔ)水箱安裝于列車下，并且各節(jié)列車的水箱是相互獨(dú)立的。儲(chǔ)水箱安裝于立車下時(shí)的供水方式有風(fēng)壓供水和車上給水箱兩種。

2.3管道布置設(shè)計(jì)

供水裝置在實(shí)際確定其給水的方式以后，入水管道的設(shè)計(jì)、給水管道的設(shè)計(jì)、排氣溢水管道的設(shè)計(jì)及出水管道的設(shè)計(jì)都可以根據(jù)列車的空間狀況來設(shè)計(jì)。管道設(shè)計(jì)均需要權(quán)衡其功能和列車的布置空間，并且在設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必要注意管道布置的設(shè)計(jì)需要有足夠的傾斜度（根據(jù)相關(guān)的規(guī)定），管道排水時(shí)要能夠排清所有的管道存水。

在滿足布置空間的要求下，可以利用立體彎管來節(jié)省管件的配置數(shù)量。一般可以將管道和管件相焊接來避免管道路線和銜接處出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

考慮管路布置、水頭損失、系統(tǒng)管路的串并聯(lián)型式，有必要對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以減小能量損失。

3動(dòng)車組給水系統(tǒng)管材及其對(duì)水質(zhì)的影響

管材影響動(dòng)車組給水水質(zhì)，管材的選取應(yīng)考慮各種因素影響，慎重選擇。

3.1金屬材質(zhì)

金屬管材主要包括鑄鐵管、球墨鐵管和鋼管。3種材質(zhì)的區(qū)別在于鑄造時(shí)的含鐵量有差異。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，鋼管中的鐵含量高于99%，鑄鐵管中的鐵含量為92%左右。由于材質(zhì)的相對(duì)密度不同所含雜質(zhì)不同，對(duì)金屬表面腐蝕影響嚴(yán)重。

鐵在水中會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)造成管道腐蝕。當(dāng)pH值大于4時(shí)，水處于近中性和偏堿性的狀態(tài)，鐵在水中反映會(huì)腐蝕生成Fe（OH）2，反應(yīng)式如下：

2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）z

如果水中含有氧氣，那么Fe（OH）2的穩(wěn)定性就會(huì)降低很多，會(huì)被氧化為Fe（OH）3，反應(yīng)式如下：

4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）。十

Fe（OH）3在管壁會(huì)形成不平整的沉淀層。另外，如果Fe（OH）3部分脫水會(huì)產(chǎn)生鐵銹，反應(yīng)式如下：

Fe（OH）3→Fe2O3·nH2O

如果管道內(nèi)壁有鐵銹，必然污染供水水質(zhì)。

金屬材質(zhì)的管道內(nèi)壁的生銹腐蝕污染量較大，且其增加量也普遍較大，小口徑的管道相對(duì)大口徑的增加量會(huì)更大。鐵銹溶入水后會(huì)產(chǎn)生銹味兒并且會(huì)使人味覺產(chǎn)生不愉快的感覺。金屬材質(zhì)的管道內(nèi)壁有了銹垢后會(huì)滋生細(xì)菌使微生物可以附著在上面肆意生長形成生物膜，國外對(duì)管道滋生的生物膜進(jìn)行了研究，檢測(cè)了28種細(xì)菌。生物膜的老化和脫落會(huì)造成臭和味的指標(biāo)以及色度指標(biāo)的增加，并且微生物在生長繁衍的過程中會(huì)逐漸對(duì)下毒物質(zhì)產(chǎn)生抵抗力，很難消除。所以管道內(nèi)部的污染垢層會(huì)不斷增加使得管道污染愈發(fā)嚴(yán)重，并且減小了管道的有效面積，降低輸水效率。

3.2塑料材質(zhì)

隨著社會(huì)建材的發(fā)展，工程塑料已經(jīng)成為給水工程和各水廠處理程序中重要的管件材料。工程塑料具有抗腐蝕能力好，安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。通常在給水管網(wǎng)中使用的熱塑塑料有2類，分別是聚氯乙烯塑料（PVC），聚乙烯塑料（PE）;它又可分為低密度聚乙烯塑料（LDPE）、中密度聚乙烯塑料（MDPE）、高密度聚乙烯塑料（HDPE）和玻璃鋼塑料（GRP）。

塑料材質(zhì)在水環(huán)境中有時(shí)會(huì)發(fā)生溶解反應(yīng)，會(huì)有化學(xué)物質(zhì)流人管內(nèi)的水中造成污染。造成污染的物質(zhì)可能是反應(yīng)產(chǎn)物也可能是雜質(zhì)等。

塑料管中的聚合物等可能會(huì)發(fā)生氧化等反應(yīng)使得塑料管性質(zhì)發(fā)生改變，并且這種改變是不可逆的，也可能會(huì)污染水質(zhì)。PVC管在第一次與水接觸的時(shí)候會(huì)使其中含有的酸滲到水里造成管內(nèi)水的鉛污染。

3.3新型材質(zhì)

為了減輕管路和管件的質(zhì)量，目前更多采用薄壁不銹鋼管（壁厚1.5mm左右）。隨著社會(huì)的發(fā)展建材技術(shù)不斷革新，重量輕便并且連接可靠的PE材質(zhì)的管和鋁塑材質(zhì)的管成為新的選擇。

4閥門及水箱材質(zhì)對(duì)飲用水水質(zhì)的影響

供水系統(tǒng)的閥門主要有閘閥、止回閥等。閥門的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的選擇會(huì)影響到供水的水質(zhì)。材質(zhì)直接影響水中微生物指標(biāo)、物理化學(xué)指標(biāo)以及感官指標(biāo)。閥門材質(zhì)有不銹鋼、鑄鐵、銅以及非金屬材料。不同的材料應(yīng)用的管徑有所差異，非金屬的一般用于DNS0以下的管道，其材料成分與非金屬材料的管一致，都是通過了環(huán)保檢測(cè)的，不會(huì)給水造成二次污染，非金屬閥門配件的主要材料是銅合金，但因?yàn)槠涫褂昧亢苄∷詫?duì)水質(zhì)的影響基本可以忽略。不銹鋼材料的閥門也不會(huì)給水造成二次污染，但是考慮到其成本并未廣泛使用。

4.1閥門材質(zhì)對(duì)水質(zhì)的影響

4.1.1閥門主體承壓件

主要包括閥蓋、閥體等。

（1）銅合金。銅合金包括黃銅合金和青銅合金，兩種合金都有鉛。常用的黃銅合金（HP59-1和ZCuZn40Pb2），其中鉛含量占合金的2%左右。

實(shí)驗(yàn)證明：銅合金檢測(cè)指標(biāo)很難符合相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。且合金與水接觸時(shí)間越長，鉛的溶出量會(huì)隨之增加。雖然人們?cè)陲嬎畷r(shí)會(huì)有服人體內(nèi)的鉛的風(fēng)險(xiǎn)，但鉛的溶出量對(duì)人體是否有危害還需要進(jìn)一步研究。

與動(dòng)車組上給水系統(tǒng)的各個(gè)組件相比，閥門對(duì)水質(zhì)的影響極低。

（2）鑄鐵。鑄鐵的成分中含有鐵、碳和硅。其中碳和金屬元素有著不同的電極電位，具有腐蝕性，會(huì)產(chǎn)生鐵、錳等金屬性易腐蝕物質(zhì)。

4.1.2配件

標(biāo)準(zhǔn)配件表面鍍鋅，雖然和水部分直接接觸，但長期使用不會(huì)生銹腐蝕。

4.1.3密封件

密封件有硬密封和軟密封兩種，其中硬密封材料材質(zhì)為不銹鋼和銅合金，軟密封材料材質(zhì)為聚四氟乙烯（PTFE）和橡膠的。其中PTFE的性能很好，無異味、抗腐蝕和抗溫能力很好，不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響。橡膠則會(huì)產(chǎn)生異味，但其可塑性好，不過由于橡膠對(duì)水中的耗氧量的影響難以符合飲用水的指標(biāo)認(rèn)證。

4.2動(dòng)車組水箱材質(zhì)的選擇

關(guān)于水箱的材質(zhì)要求有相關(guān)規(guī)范規(guī)定。其中UIC563-1990和TB/T3337-201中對(duì)于相關(guān)供水和衛(wèi)生的裝置材料都提出了相應(yīng)的基本要求，水箱的材料要求是在材料的選擇中使用抗腐蝕、抗生銹和防毒等相關(guān)材料（如不銹鋼、銅質(zhì)材料），使用材料的表層材料應(yīng)具有容易清潔、不褪色、不會(huì)受清潔劑的影響、抗磨、不易臟等特點(diǎn)。

在選擇水箱的材料時(shí)需要其能夠防腐蝕、無毒害，通常使用不銹鋼、銅、PE等材料?？紤]飲水習(xí)慣在動(dòng)車組各車廂都配備開水爐，使用的水箱材質(zhì)一般為不銹鋼。由于列車運(yùn)行中，水波會(huì)對(duì)水箱產(chǎn)生沖擊。故在水箱箱體內(nèi)設(shè)置防波板，防波板還可以增加支撐水箱穩(wěn)固性能。但長期運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的疲勞破壞（尤其是焊接部分）需要進(jìn)一步研究。

5需要研究的問題

為保證給水系統(tǒng)水質(zhì)，建議進(jìn)行以下問題研究：①不同水溫、不同存儲(chǔ)時(shí)間水箱材質(zhì)（不銹鋼、銅、PE）對(duì)水質(zhì)變化的影響，②管路材質(zhì)（不銹鋼、PE、鋁塑管）對(duì)水質(zhì)變化的影響，③水儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)水質(zhì)變化的影響，④環(huán)境溫度對(duì)水質(zhì)變化的影響，⑤電熱水壺工作條件對(duì)水質(zhì)變化的影響，⑥現(xiàn)有衛(wèi)生保護(hù)措施、維護(hù)清潔措施對(duì)水質(zhì)變化的影響。

6結(jié)語

水質(zhì)的要求在不斷提高，為保證供水系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)不產(chǎn)生影響，不產(chǎn)生跑冒滴漏現(xiàn)象，對(duì)水箱、管道及配件材質(zhì)的選擇要在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行情況開展必要的試驗(yàn)研究及理論分析，以充分保證動(dòng)車飲用水系統(tǒng)安全。