常用給排水管材管件耐寒能力分析

張 楠，陳靜茹，施 均，姜健俊，章若紅

(1 上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114；2 東華大學纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620)

常用給排水管材管件耐寒能力分析

張 楠1，2，陳靜茹1，施 均1，姜健俊1，章若紅1

(1 上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114；2 東華大學纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620)

管材管件是工程建設必須的材料之一。該文介紹了目前常用的給排水管材管件的種類和應用，針對低溫嚴寒天氣的氣候環境下塑料管材管件的爆裂原因，分析了常用給排水塑料管材管件的耐低溫能力和國家標準要求，并提出耐寒防護注意事項。

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管材是用于做管道管件的材料，是建筑工程必需的材料，常用于輸送液體介質(水)的有給水管、排水管、雨水管等。管件是用于管道連接時碰頭、延長、改向、分支、變徑、堵口等的成型零件，輸入管道配件，根據連接方法可分為承插式管件、螺紋管件、法蘭管件和焊接管件四類，多用與管子相同的材料制成。目前市場常見的管材材質及分類如圖1所示。

圖1 管材常用材質及分類Fig.1 Common materials and classification of the pipe

1 給排水管材管件應用概述

一般來講，市政建設給排水用管材主要為室外埋地的大口徑水管，多采用涂防銹瀝青的鑄鐵管，中高檔高層建筑的冷、熱水管多采用鋼管、銅管和鋼塑/鋁塑/銅塑復合管等，普通家庭裝修中冷熱給水管采用最多的是PP管(主要是PP-R管)，排水常用PVC-U管。

1.1 管材的應用

給排水管道應用選用耐腐蝕和安裝連接方便的管材，管材材質的常規選擇如下：

(1)冷水系統：塑料管、復合管、薄壁不銹鋼管等。

(2)熱水系統：熱浸鍍鋅鋼管、薄壁不銹鋼管、塑料管、復合管等。

(3)埋地給水管道：塑料管、鑄鐵管等。

因為塑料管優良的性能和低廉的價格，越來越多的應用于輸水管道。到2015年，在全國新建、改建、擴建工程中，建筑排水管道85%采用塑料管。

1.2 常用給排水管材的特點和使用情況

鑄鐵管：鑄鐵澆注成型，輸送量大，強度高，多用于市政建設等，易生銹，多采用涂防銹瀝青使用，安裝強度和工作量大。

鋼管：強度大，耐腐蝕性好，但成本高，多用于高檔建筑和高層建筑中。

金屬塑料復合管：結合了金屬的強度和塑料的韌性和低成本等優點，多用于高檔建筑和高層建筑，以及生產高性能管件等。

PP-R管：與傳統的鑄鐵管、鍍鋅鋼管、水泥管等管道相比，PP-R管具有力學均衡性好、節能節材、環保、輕質高強、耐腐蝕、內壁光滑不結垢、施工和維修簡便、使用壽命長等優點，是目前家庭裝修常用管材。

PVC-U(UPVC)管：具有耐化學腐蝕性好，具備自熄性和阻燃性，耐老化性好、內壁光滑、內壁表面張力小，很難形成水垢，流體輸送能力比鑄鐵管高，安裝工作量比鋼管小等優點。主要應用于建筑排水、市政排污及雨水排水等領域。但PVC-U管存在韌性低、線膨脹系數大、使用溫度范圍窄等問題。

PE管：因其衛生指標較高，廣泛用于給排水管道，是PVC-U飲用水管的換代產品。

2 管道系統的耐寒能力

2.1 耐寒問題和原因分析

寒冬氣候下管道系統(主要是給水管道)凍裂凍爆的情況較常見，特別是近年來的極端嚴寒氣候條件，部分南方地區在基礎建設時沒有做出足夠的耐寒考慮和預防措施，凍裂凍爆給水管道系統的情況多次發生。

在寒冷氣候條件下，管材管件中的液體介質(水)在低于其冰點溫度時，會發生結冰，堵塞管道，甚至爆裂管道，這主要有以下四個原因：

(1)冰的密度小于水，易在彎節處滯留粘結，減小甚至完全阻止管道中水流的通過。

(2)管材管件低溫硬脆，沖擊或高壓時易破裂，特別是長期處于陽光直接照射/暴曬或高溫環境下，塑料材質易老化，強度下降。

(3)同等質量的水，結冰后體積會增大，可能會脹破管壁，而管材管件等冷縮，更加增大了內部壓力。

(4)水表、水龍頭等管件結構復雜，管材、管件等相互連接處強度低，易出現耐壓薄弱處，在結冰時成為應力集中釋放點，發生爆裂。

2.2 管道系統耐寒能力

如上文所述，目前主要的管材采用材質中，鑄鐵管等金屬管材，管厚大，金屬強度高，不易發生脹破，滲漏和破裂多發生在管道連接處和密封處，可通過規范施工去避免。

凍裂凍爆的情況多發生在塑料管材和水表、水龍頭等部位，本文重點分析常用塑料材質管材管件的耐低溫能力和國家標準要求。

2.2.1 PP-R管材管件

GB/T 18742.1-2002《冷熱水用聚丙烯管道系統 第1部分：總則》[1]中對冷水溫度的定義是，輸送冷水的溫度最高接近25℃，設計時用20℃。

GB/T 18742.2-2002《冷熱水用聚丙烯管道系統 第2部分：管材》[2]中與耐寒性能相關的項目是 “簡支梁沖擊試驗”，對于PPB材質和PP-R材質，在試驗溫度(0±2)℃下，以規定的跨度將一小段管材或機械加工制得的無缺口條狀試樣在水平方向呈簡支梁支撐，用具有給定沖擊能量的擺錘在支撐中線處迅速沖擊一次，試樣破損率應<10%。此外，對于管材的耐壓性能項目有：靜液壓試驗、靜液壓狀態下熱穩定性試驗、內壓試驗和熱循環試驗，基本為在常溫(如20℃)或高溫(如95℃)時內部施加水壓，考察管材管件的耐破裂和滲漏情況。如 “靜液壓狀態下熱穩定性試驗”對PP-R要求是，110℃、8760h、靜液壓應力1.9MPa，試樣應無破裂、無滲漏。GB/T 18742.3-2002對管件的測試條件與管材類似。

GB/T 18742.3-2002《冷熱水用聚丙烯管道系統 第3部分：管件》[3]中對管件的耐壓要求與GB/T 18742.2-2002對管材的耐壓要求類似，但沒有“簡支梁沖擊試驗”項目，原因是：(1)管件的物理形狀，難以考核其低溫下 “簡支梁沖擊試驗”性能；(2)管件的體積小，內部水的體積基數小，即使水結冰膨脹，脹大的體積也不足以對管壁產生足夠額外的壓力(壓強)；(3)閥門、三通等管件內部流體管道不規整，這就破壞了冰體的體積規整性，分散了冰體壓力；(4)為提高薄弱處或應力集中處的耐壓能力，提高性能和延長使用壽命，閥門、三通等管件多增厚或采用金屬塑料復合材質，耐壓耐沖擊性能好。

2.2.2 PVC-U管材管件

GB/T 5836.1-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》[4]中，除拉伸強度項目外，對PVC-U管材的耐低溫相關試驗是“落鏢沖擊試驗”，是在試驗溫度(0±2)℃下，根據不同公稱外徑，選擇不同的落錘質量和下落高度，經狀態調節后的試樣落鏢沖擊結果：TIR值≤10%。GB/T 10002.1-2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》[5]的“落鏢沖擊試驗”項目與此類似，此外有液壓試驗項目。

GB/T 5836.2-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯管件》[6]中，對PVC-U管件的耐低溫相關試驗是“墜落試驗”，具體是將管件在(0±2)℃下按規定時間進行預處理，在10s內從規定高度自由墜落到平坦的混凝土地面，管件應無破裂。GB/T 10002.2-2003《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》[7]項目類似，此外有液壓試驗項目。

GB/T 10002.3-2011《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)閥門》[8]未對PVC-U閥門做出耐低溫性能要求，但有殼體耐內壓試驗。

2.2.3 PE管材

GB/T 13663-2000 《給水用聚乙烯(PE)管材》[9]中對PE管材有靜液壓試驗和耐候試驗(高溫條件)，但需要指出的是GB/T 13663-2000新標準中規定了給水管的不同級別PE80和PE100對應不同的壓力強度，去掉舊標準中的拉伸強度性能，而增加了斷裂伸長率項目(≥350%)，即強調基本韌性。GB/T 13663.2-2005《給水用聚乙烯(PE)管道系統 第2部分：管件》[10]中沒有相關要求。

2.3 塑料管材管件標準考核分析

結冰脹破管壁的情況多發生在家庭裝修中冷熱給水管采用最多的PP-R管上，但根據2.2.1中對冷熱水用聚丙烯管道系統相關標準的分析可知，并沒有針對水結冰脹破管壁問題的直接測試方法和試驗要求，更多的是對管材管件常溫和受熱情況下的耐壓要求。“簡支梁沖擊試驗”項目考核了低溫條件(0±2)℃下管材的耐沖擊性能，間接地考核了PP-R管材在寒冬氣候下對結冰的耐脹破能力。

PVC-U管材管件多用于排水，基本不會在高水壓條件下工作，難以出現結冰脹破管壁情況，但PVC-U韌性低，線膨脹系數大，使用溫度范圍窄，標準中“落鏢沖擊試驗”和“墜落試驗”項目考核了管材管件在(0±2)℃下的低溫脆裂性。

PE給水管材的新標準中增加了斷裂伸長率(≥350%)，去掉舊標準中的拉伸強度性能，考核管材的韌性，間接強調了耐脹破能力。

以上產品執行標準沒有直接的耐結冰脹破情況的測試項目和指標，已有的相關項目也缺少針對更低溫度(如-10℃、-20℃等)時的性能考核，這也影響了塑料管材管件在我國北方較高緯度地區的廣泛使用。此外，不同的管系列相應不同的管材壁厚，如果選擇了壁厚過小的管材管件，或者產品壁厚不合格(如GB/T 18742.2-2002中不允許PP-R管材壁厚出現負偏差)，管材的耐壓強度不足，在低溫結冰時易發生脹破情況。

3 管材管件耐寒注意事項

我國執行的標準中，并沒有針對水結冰脹破管壁問題的直接測試方法和試驗項目，更多的是對管材管件常溫和受熱情況下的耐壓要求。

對于目前出現的寒冬水管凍破凍爆現象，可以從以下幾個防護措施方面去盡量避免：

(1)選擇合格廠家生產的合格產品，選擇合適的管系列產品。一般PP-R熱水管的壁厚要比PP-R冷水管厚，在某些情況下可采用PP-R熱水管代替PP-R冷水管。

(2)規范施工，很多管道的爆裂多發生在管材管件連接處和密封處，應按照規范嚴格施工，塑料管材管件盡量不裸露暴曬。

(3)設計單位應盡量做好耐寒預防措施，管道外套保溫層，埋地的管道系統可盡量埋深些，避免頻繁的熱交換和外力影響，條件允許的情況下，盡量將水表、水龍頭等安置在室內。

(4)在條件允許的地方，應盡量利用熱源(如地熱、鍋爐高溫管道等)消除管道系統的受低溫情況，或者采用防凍液防凍、電伴防凍等更高級的方法。

(5)在不使用時，將水管中的余水排清，可以避免管道中存水凍結。

(6)在管道被凍結堵塞時，避免直接熱水開水解凍，會造成管道系統突然受熱爆裂，當然更不能用火烤或硬物敲擊管道，應先用溫水慢慢加熱管道，再使用熱水。

某些家庭或單位會采用細水長流的方法，也就是將出水龍頭開小，保持小水流長期流淌，這可以降低管道壓力和避免水靜止凍結，但會造成水資源的浪費，不可取。

[1] GB/T 18742.1-2002冷熱水用聚丙烯管道系統 第1部分：總則[S].中國標準出版社，2002.

[2] GB/T 18742.2-2002冷熱水用聚丙烯管道系統 第2部分：管材[S].中國標準出版社，2002.

[3] GB/T 18742.3-2002冷熱水用聚丙烯管道系統 第3部分：管件[S].中國標準出版社，2002.

[4] GB/T 5836.1-2006建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材[S].中國標準出版社，2006.

[5] GB/T 5836.2-2006建筑排水用硬聚氯乙烯管件[S].中國標準出版社，2006.

[6] GB/T 10002.1-2006給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材[S].中國標準出版社，2006.

[7] GB/T 10002.2-2003給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件[S].中國標準出版社，2003.

[8] GB/T 10002.3-2011給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)閥門[S].中國標準出版社，2011.

[9] GB/T 13663-2000給水用聚乙烯(PE)管材[S].中國標準出版社，2000.

[10] GB/T 13663.2-2005給水用聚乙烯(PE)管道系統 第2部分：管件[S].中國標準出版社，2005.

Analysis of Cold Resistant Ability of Commonly Used Water Supply and Drainage Pipe Fittings

ZHANG Nan1，2，CHEN Jing-ru1，SHI Jun1，JIANG Jian-jun1，ZHANG Ruo-hong1

(1 Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai 201114，China；2 State Key of Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，Donghua University，Shanghai 201620，China)

Pipe and pipe fittings are one of the necessary materials for the engineering construction. In this paper，the types and applications of pipe fittings were introduced. In view of the reasons for bursting of plastic pipe fittings in the climate environment of low temperature and cold weather，the low temperature resistant capacity of plastic pipe fittings and the requirement of national standards were analyzed. And the cold protections are proposed.

water supply and drainage，pipe fittings，plastic，cold resistant，protection

TQ 322.3