給水立管的抗低溫性能試驗(yàn)分析

潘婷婷，吉海娜，肖 健，袁陸妗

(蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215021)

在2016年1月的世紀(jì)寒潮影響下，蘇州工業(yè)園區(qū)給水管道漏水及水表冰裂情況嚴(yán)重，對(duì)居民正常用水造成了廣泛且持久的影響[1-2]。給水關(guān)系民生問題，因此，需從教訓(xùn)中吸取經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各類立管抗低溫性能進(jìn)行研究，在面對(duì)下一次寒潮時(shí)能做到將影響降至最低。

小區(qū)給水立管是指豎向布設(shè)在多層或高層建筑物上，聯(lián)通單元總管到用戶水表之間的給水管道，是供水系統(tǒng)的最末端[3]。本試驗(yàn)主要研究給水管網(wǎng)立管在嚴(yán)寒天氣條件下，管道凍裂與氣溫、管道材質(zhì)、管徑、是否受風(fēng)、管道內(nèi)水流狀況、是否加蓋保溫棉的關(guān)系，做到未雨綢繆提前對(duì)給水管道進(jìn)行保護(hù)措施，確保在下一次寒潮到來之際能夠有條不紊地應(yīng)對(duì)，達(dá)到安全穩(wěn)定給水的目的。

1 蘇州工業(yè)園區(qū)住宅立管概況

截至2015年底，根據(jù)立管材質(zhì)、管道口徑和鋪設(shè)方式3個(gè)方面統(tǒng)計(jì)的立管數(shù)據(jù)可知如下。(1)立管材質(zhì)：內(nèi)襯塑鍍鋅管占蘇州工業(yè)園區(qū)立管總量的79.3%；其次是PPR管，占蘇州工業(yè)園區(qū)立管總量的8.5%；剩余為PVC管、不銹鋼管、鋁塑管以及PE管，其中，不銹鋼管使用量雖然僅占到總量的1.8%，卻是超高層小區(qū)必備的材質(zhì)。(2)管道口徑：立管口徑主要集中在DN40～DN50，占總量的62.3%。(3)鋪設(shè)方式：立管鋪設(shè)位置分為樓梯間、管道井和外墻壁這3種，其中：位于管道井的立管占總量的61.0%，樓梯間立管占比30.0%，外墻壁立管占比9.0%。

如表1所示，對(duì)蘇州工業(yè)園區(qū)在2016年寒潮下?lián)p壞的立管從管徑、材質(zhì)和損壞原因3方面進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，可知管徑DN15～DN40的立管占所有損壞立管的56.8%，內(nèi)襯塑鍍鋅管占損壞總量的73.0%，對(duì)于立管損壞原因主要為凍裂和管道老化。另外，內(nèi)襯塑鍍鋅管的破壞量占該材質(zhì)管道使用量的22.8%，PPR管、不銹鋼管占比分別為57.9%和12.5%。

表1 損壞立管分類統(tǒng)計(jì)Tab.1 Classification Statistics of Damaged Risers

2 立管測(cè)試試驗(yàn)

2.1 立管測(cè)試試驗(yàn)原理

進(jìn)行立管測(cè)試試驗(yàn)的控溫試驗(yàn)箱如圖1所示，該試驗(yàn)箱型號(hào)為CH331P，內(nèi)部長高寬為3 470 mm×2 200 mm×2 570 mm，體積達(dá)到20 m3。能控制在恒溫狀態(tài)下，溫度調(diào)節(jié)為-40～80 ℃，可手動(dòng)設(shè)置且溫度可恒定。當(dāng)溫度降至設(shè)置所需溫度時(shí)，偏差在1 ℃以內(nèi)，濕度同樣可進(jìn)行控制，保證恒溫恒濕。且在試驗(yàn)箱外有顯示屏可直觀顯示試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)時(shí)溫度及濕度。圖2為需進(jìn)行測(cè)試的給水管網(wǎng)立管測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

圖1 控溫試驗(yàn)箱Fig.1 Experiment Box of Temperature Control

圖2 立管測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備圖Fig.2 Equipment Diagram of Riser Test Experiment

立管測(cè)試試驗(yàn)原理如圖3所示，通過1根與現(xiàn)場(chǎng)水源管徑一致的管道接通試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)水源，通過異徑接頭接到總進(jìn)水管上，將水流通進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)的保溫水箱，試驗(yàn)水溫達(dá)到1～3 ℃開始測(cè)試。進(jìn)水管上安裝與進(jìn)水管管徑一致的球閥，該球閥可關(guān)閉或開啟用于測(cè)試水流靜止或流動(dòng)狀態(tài)這2種情況。經(jīng)球閥后通過三通將水流分為三路：一路安裝2根立管，立管測(cè)試部分均用活接頭連接，方便拆裝測(cè)試管道，之后再通過異徑接頭變徑為可安裝活接頭對(duì)水表進(jìn)行測(cè)試；另一路同樣安裝2根立管，立管測(cè)試部分均用活接頭連接，方便拆裝測(cè)試管道；最終三路各自通過異徑接頭變徑為與進(jìn)水管管徑一致，再通過三通流出后形成循環(huán)再接入進(jìn)水管。因此，該試驗(yàn)裝置可同時(shí)測(cè)試4組立管，大大減少了測(cè)試時(shí)間及測(cè)試成本。本次僅對(duì)立管試驗(yàn)進(jìn)行分析。試驗(yàn)在4根測(cè)試立管上分別安裝1個(gè)溫度傳感器，分別測(cè)試立管水溫1、立管水溫2、立管水溫3、立管水溫4，在試驗(yàn)箱內(nèi)安裝1個(gè)溫度傳感器用來測(cè)試環(huán)境溫度，可輸出模擬量信號(hào)，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直觀顯示。

圖3 立管測(cè)試試驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic Diagram of Riser Test Experiment

圖4 不同材質(zhì)立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間分布Fig.4 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipes with Different Materials

立管爆管的原因是管道內(nèi)水結(jié)冰導(dǎo)致體積增大，對(duì)管道產(chǎn)生壓力，當(dāng)壓力強(qiáng)度及壓力時(shí)間達(dá)到一定程度時(shí)，管道將會(huì)爆裂。不管何種管材的管道，只要內(nèi)部水流達(dá)到結(jié)冰所需冰點(diǎn)溫度(0 ℃)，管道爆裂只是時(shí)間長短的問題。因此，本試驗(yàn)主要是測(cè)試不同情況下不同管材內(nèi)水溫下降至0 ℃的趨勢(shì)及時(shí)間。

2.2 立管測(cè)試試驗(yàn)步驟及參數(shù)設(shè)置

立管測(cè)試試驗(yàn)操作步驟是在管道內(nèi)充滿水后將前后閘門關(guān)閉，使管道內(nèi)水流保持靜止，并使用增壓泵使管道內(nèi)水壓保持在0.3 MPa左右(模擬正常立管供水壓力)[4-5]。測(cè)試24 h，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀察立管內(nèi)水溫，若水溫逐步降至0 ℃則試驗(yàn)立即結(jié)束。若24 h內(nèi)水溫一直未下降至0 ℃，測(cè)試24 h后試驗(yàn)也立即結(jié)束。

給水管網(wǎng)立管在嚴(yán)寒天氣條件下發(fā)生凍裂的因素有很多，如環(huán)境溫度、管道材質(zhì)、管道新舊、管徑大小、管道長度、管道內(nèi)水流狀況以及是否加蓋保溫棉等[6-8]。通過前期研究，發(fā)現(xiàn)管徑和管長對(duì)試驗(yàn)結(jié)果幾乎無影響，因此，按照某小區(qū)舊管道的管徑大小以及控溫試驗(yàn)箱的實(shí)際大小，選擇管長3 m(“∩”型管道總長度為3 m)、管徑為DN40的立管進(jìn)行試驗(yàn)。另外，前期研究中管道內(nèi)水流只有處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)才會(huì)發(fā)生凍裂等損壞，因此，本試驗(yàn)針對(duì)管道內(nèi)水流處于滿管靜止?fàn)顟B(tài)下的立管進(jìn)行深入研究。接下來將通過控制變量的方法對(duì)管道材質(zhì)、管道新舊以及是否加蓋保溫棉3個(gè)因素進(jìn)行立管試驗(yàn)分析。

對(duì)3種材質(zhì)的立管(內(nèi)襯塑鍍鋅管、PPR管和不銹鋼管)、3種保溫棉厚度下(裸露狀態(tài)、包裹25 mm保溫棉和包裹40 mm保溫棉)、2種環(huán)境溫度(-5、-10 ℃)、1種管徑(DN40)、1種管道長度(3 m)、1種管道內(nèi)水流狀態(tài)(滿管靜止)、2種管道新舊以及不銹鋼管的4種連接方式(環(huán)壓、焊接、單卡壓和雙卡壓)下的48種不同組合的立管抗低溫性能測(cè)試試驗(yàn)，進(jìn)行試驗(yàn)記錄立管內(nèi)水溫降至0 ℃的過程。

3 立管測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 管道材質(zhì)對(duì)立管抗低溫性能的影響

對(duì)不銹鋼管、PPR管和內(nèi)襯塑鍍鋅管3種材質(zhì)的立管管道進(jìn)行抗低溫性能測(cè)試[9]。由于不銹鋼管之間有4種連接方式：環(huán)壓、焊接、單卡壓和雙卡壓，本試驗(yàn)也一并考慮。

圖4為不同環(huán)境溫度下(-5、-10 ℃)不同保溫棉厚度(0、25 mm和40 mm)的不同材質(zhì)立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間分布。由圖4可知：在裸露狀態(tài)下(保溫棉厚度為0 mm)，各種材質(zhì)立管內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間無明顯差異；但在包裹25 mm保溫棉及40 mm保溫棉厚度的情況下，PPR管的抗低溫性能最差，雖然PPR管具有良好的保溫耐熱性能，但其抗低溫性能卻不及其他材質(zhì)的立管。從不同連接方式的不銹鋼管來看：環(huán)壓、焊接、雙卡壓和單卡壓的連接方式下的不銹鋼管立管內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間無明顯差異；僅其中一種條件下的采用焊接方式連接的不銹鋼管立管內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間較短，可見焊接的連接方式的管道有造成管道抗低溫性能降低的風(fēng)險(xiǎn)的可能性。從不同環(huán)境溫度的角度來看：-5 ℃的環(huán)境溫度下，不銹鋼管內(nèi)水溫降至0 ℃所需的時(shí)間最長，包裹25 mm保溫棉的不銹鋼管需12.75 h，包裹40 mm保溫棉的不銹鋼管需18 h；-10 ℃的環(huán)境溫度下，包裹相同厚度保溫棉的不同材質(zhì)的立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃所需的時(shí)間基本相近。其中，不銹鋼管和內(nèi)襯塑鍍鋅管所需時(shí)間都較長，PPR管所需時(shí)間相比之下較短，包裹25 mm保溫棉的PPR管需4 h，包裹40 mm保溫棉的PPR管需7.5 h。由此可知，不銹鋼管道對(duì)立管內(nèi)水溫保溫效果最好，連接方式對(duì)其幾乎無影響。

3.2 保溫棉厚度對(duì)立管抗低溫性能的影響

對(duì)各個(gè)立管包裹不同厚度的保溫棉進(jìn)行立管管道的抗低溫性能測(cè)試。選擇立管裸露狀態(tài)(0 mm)、包裹保溫棉厚度為25 mm和40 mm這3種變量因素進(jìn)行試驗(yàn)，并分別在-5 ℃和-10 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行。

圖5和圖6分別為-5 ℃和-10 ℃的環(huán)境溫度下，包裹不同保溫棉厚度立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間分布。由圖5和圖6可知，同等材質(zhì)的立管，在-5 ℃環(huán)境溫度下立管內(nèi)水溫降至0 ℃比-10 ℃環(huán)境溫度下立管內(nèi)水溫降至0 ℃時(shí)間長。由2種環(huán)境溫度下立管內(nèi)水溫降至0 ℃所需時(shí)間可知，裸露狀態(tài)下的立管的抗低溫性能最差，包裹40 mm厚度保溫棉的立管的抗低溫性能最佳。由包裹保溫棉的效果可知：包裹25 mm厚度的保溫棉能夠?qū)⒃忍幱诼懵稜顟B(tài)下的不銹鋼管、內(nèi)襯塑鍍鋅管和PPR管的抗低溫性能提高4.1倍、4.4倍和2.7倍；包裹40 mm厚度的保溫棉能夠?qū)⒉讳P鋼管、內(nèi)襯塑鍍鋅管和PPR管的抗低溫性能提高6.2倍、6.6倍和4.5倍。因此，包裹保溫棉的措施對(duì)不同材質(zhì)的立管的抗低溫性能的提高均有效果，包裹保溫棉厚度越厚對(duì)立管內(nèi)水溫保溫效果越好，即立管的抗低溫性能就越好，其中，對(duì)內(nèi)襯塑鍍鋅管和不銹鋼管的抗低溫性能的提高最顯著。

圖5 -5 ℃環(huán)境溫度下包裹不同保溫棉厚度立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間分布Fig.5 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipe with Different Insulation Cotton Thickness under Surrounding Temperature of -5 ℃

圖6 -10 ℃環(huán)境溫度下包裹不同保溫棉厚度立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間分布Fig.6 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipe with Different Insulation Cotton Thickness under Surrounding Temperature of -10 ℃

圖7 不同新舊程度立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間分布Fig.7 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Pipe of Different Risers

3.3 管道新舊程度對(duì)立管抗低溫性能的影響

對(duì)不同管道材質(zhì)的新舊管道進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[10]，由于取樣的小區(qū)中無不銹鋼管，因此，這里僅對(duì)PPR管以及內(nèi)襯塑鍍鋅管的新舊管道進(jìn)行抗低溫性能試驗(yàn)。

圖7為不同新舊程度立管管道內(nèi)水溫降至0 ℃的時(shí)間分布。由圖7可知：環(huán)境溫度為-5 ℃時(shí)，包裹保溫棉厚度為0 mm和25 mm的PPR管(新管道)立管內(nèi)水溫降至0 ℃所需時(shí)間，比相同條件下的PPR管(舊管道)立管內(nèi)水溫降至0 ℃所需時(shí)間分別縮短了20.00%和16.67%，但是，包裹40 mm厚保溫棉的PPR管(新管道)立管內(nèi)水溫降至0 ℃時(shí)間，卻比相同條件下的舊管道內(nèi)水溫降至0 ℃時(shí)間增加了22.22%；環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí)，包裹保溫棉厚度為0 mm和40 mm的PPR管(新管道)立管內(nèi)水溫降至0 ℃所需時(shí)間，比相同條件下的PPR管(舊管道)立管內(nèi)水溫降至0 ℃所需時(shí)間分別增加了16.67%和15.38%，但是，包裹25 mm厚度保溫棉的PPR管(新管道)立管內(nèi)水溫降至0 ℃時(shí)間，卻比相同條件下的舊管道內(nèi)水溫降至0 ℃時(shí)間縮短了27.27%。同樣，對(duì)于內(nèi)襯塑鍍鋅管的新舊不同的管道內(nèi)水溫降至0 ℃所需時(shí)間的數(shù)據(jù)也與PPR管類似。由此可知，相同材質(zhì)同一種厚度保溫棉、新舊不同的立管內(nèi)水溫降至0 ℃時(shí)間無明顯規(guī)律，有時(shí)舊管道內(nèi)水溫下降慢、有時(shí)新管道內(nèi)水溫下降慢、有時(shí)無明顯差異。經(jīng)過分析，這可能與舊管道內(nèi)結(jié)垢厚度及密度等密切相關(guān)，結(jié)垢物非金屬材質(zhì)會(huì)對(duì)導(dǎo)溫性產(chǎn)生影響[11]，從而影響管道的抗低溫性能。

4 結(jié)語

(1)在不同環(huán)境溫度和不同保溫棉厚度的條件下，3種管道材質(zhì)中，不銹鋼管道對(duì)立管內(nèi)水溫保溫效果最好，即不銹鋼管的抗低溫性能最好。但當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-10 ℃時(shí)，不銹鋼管和內(nèi)襯塑鍍鋅管的抗低溫性能都較好。未來蘇州工業(yè)園區(qū)立管鋪設(shè)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，并綜合考慮管道特性及成本等因素進(jìn)行管道材質(zhì)的選擇，使管道材質(zhì)選擇達(dá)到最優(yōu)化。

(2)由保溫棉厚度的分析可知，包裹保溫棉厚度越厚對(duì)立管內(nèi)水溫保溫效果越好，即立管的抗低溫性能越好，且包裹保溫棉的措施對(duì)內(nèi)襯塑鍍鋅管和不銹鋼管的抗低溫性能的提高最顯著，包裹40 mm厚度的保溫棉最大能將立管的抗低溫性能提高6.6倍。因此，在寒冷氣候下，用戶可使用保溫材料對(duì)家中的水管立管進(jìn)行包裹，這樣通過簡(jiǎn)單的保護(hù)措施能夠避免立管凍裂的情況發(fā)生，從而保證居民的用水安全。

(3)從新舊程度不同的管道來看，相同環(huán)境溫度、相同管道材質(zhì)和相同保溫措施下，并不是新管道的抗低溫性能就高于舊管道的抗低溫性能，舊管道中的結(jié)垢物反而能影響其抗低溫性能。因此，在關(guān)注舊管道防凍裂的同時(shí)，也不能忽略對(duì)新管道的防護(hù)。