動車組給水系統設計及材質選擇

楊旭穎 周文濤 劉瑞聰 柯壤瓊

摘要：指出了動車組給水系統是動車組設計的重要組成部分，關系到動車組乘客的飲水安全問題，同時動車組的飲用水為熱水供應，水箱、管道、閥門、配件、密封件材質的選擇關系到對水質指標的影響，動車組的飲用水供應必須滿足生活飲用水的衛生標準。基于目前文獻資料，綜述了動車組的給水系統設計的依據及要求，并分析了各管材對動車組飲用水的影響，為保證給水系統水質，提出了結合動車運行實際需要分析研究的主要問題。

關鍵詞：動車組;管材;水質;設計

中圖分類號：TU991 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0159-03

1引言

在動車組研發過程中，其給水系統和排水系統得到不斷優化。由于技術體系的差異，不同型號動車給水系統有所差別，但其設計的基本原理大致相同。但系統材質的選擇，對不同材質對水質產生的影響有必要進行研究。本文根據目前國內研究現狀，基于相關文獻資料，綜述了動車組的給水系統設計的依據及要求，分析了水箱、管材、閥門、配件、密封件材質對動車組飲用水的影響，提出了應結合動車運行實際需要分析研究的主要問題。

2動車組給水系統設計要求

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

（2）給水系統管道設計要符合重力壓差供水及管道防凍規范。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結冰或溫度升高時管道潮濕。

（4）管道布置時要預防虹吸現象。

（5）管道設計要給后期的養護提供便利。

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行供水。

重力給水的儲水箱設施位于車廂的頂板上側，壓力給水的儲水箱設施位于列車的底部;組合給水的儲水箱設施也位于列車的底部，組合給水的設施有一個中間水箱，位于車廂的頂板上側，利用壓力將列車底部水箱存儲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需水設備輸水。

重力給水方式有設計簡便、系統設計安全等優點，但其設計的水箱容量相對較小，僅為300L左右。

壓力給水有水箱的容量相對重力給水較大、系統的設計重心偏低的優點，但其系統設計相對重力給水較為繁瑣、設計安全可靠性也相對較低。設計的水箱容量相對較大，普遍不低于600。

組合給水有水箱的容量比較大，系統的設計重心偏低的優點，但其系統設計較為繁瑣、設計安全可靠性也相對較低。設計的水箱容量相對較大，普遍不低于600L。其操控系統相對于壓力給水更優良可靠。

列車在運行中的水量使用情況和列車的整體設計布局是影響給水方式選擇的首要因素。水量的使用情況關系到水箱的容量，水箱的容量決定了水箱占用的列車空間面積;列車的整體設計布局關系到水箱的放置位置及其規格，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水箱設計

在動車組系統的給水方式確定下來后，依據水箱和各需水支點在列車布局上的安置關系來設計水箱的布置接口和管道接口是水箱設計的重點程序。管道的接口確定是尤其需要關注的，它直接關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，以便清空水箱的余水，防止溫度低時水箱內存水結冰產生危險。入水的管道接口和排氣溢水的管道接口的位置在水箱內部的高處，如此能使得水注滿水箱，擴大水箱的使用效率，還可以防止注水時產生的壓力對水箱造成影響。在設計中通常使用重量輕的材質設計來減少水箱的重量。

其他國家動車組的給水系統是將儲水箱安裝于列車下，并且各節列車的水箱是相互獨立的。儲水箱安裝于立車下時的供水方式有風壓供水和車上給水箱兩種。

2.3管道布置設計

供水裝置在實際確定其給水的方式以后，入水管道的設計、給水管道的設計、排氣溢水管道的設計及出水管道的設計都可以根據列車的空間狀況來設計。管道設計均需要權衡其功能和列車的布置空間，并且在設計時務必要注意管道布置的設計需要有足夠的傾斜度（根據相關的規定），管道排水時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省管件的配置數量。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漏水現象。

考慮管路布置、水頭損失、系統管路的串并聯型式，有必要對管路系統進行優化，以減小能量損失。

3動車組給水系統管材及其對水質的影響

管材影響動車組給水水質，管材的選取應考慮各種因素影響，慎重選擇。

3.1金屬材質

金屬管材主要包括鑄鐵管、球墨鐵管和鋼管。3種材質的區別在于鑄造時的含鐵量有差異。以質量分數計，鋼管中的鐵含量高于99%，鑄鐵管中的鐵含量為92%左右。由于材質的相對密度不同所含雜質不同，對金屬表面腐蝕影響嚴重。

鐵在水中會產生電化學反應造成管道腐蝕。當pH值大于4時，水處于近中性和偏堿性的狀態，鐵在水中反映會腐蝕生成Fe（OH）2，反應式如下：

2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）z

如果水中含有氧氣，那么Fe（OH）2的穩定性就會降低很多，會被氧化為Fe（OH）3，反應式如下：

4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）。十

Fe（OH）3在管壁會形成不平整的沉淀層。另外，如果Fe（OH）3部分脫水會產生鐵銹，反應式如下：

Fe（OH）3→Fe2O3·nH2O

如果管道內壁有鐵銹，必然污染供水水質。

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

3.2塑料材質

隨著社會建材的發展，工程塑料已經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，安裝便捷等優點。通常在給水管網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）。

塑料材質在水環境中有時會發生溶解反應，會有化學物質流人管內的水中造成污染。造成污染的物質可能是反應產物也可能是雜質等。

塑料管中的聚合物等可能會發生氧化等反應使得塑料管性質發生改變，并且這種改變是不可逆的，也可能會污染水質。PVC管在第一次與水接觸的時候會使其中含有的酸滲到水里造成管內水的鉛污染。

3.3新型材質

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

4閥門及水箱材質對飲用水水質的影響

供水系統的閥門主要有閘閥、止回閥等。閥門的結構和材質的選擇會影響到供水的水質。材質直接影響水中微生物指標、物理化學指標以及感官指標。閥門材質有不銹鋼、鑄鐵、銅以及非金屬材料。不同的材料應用的管徑有所差異，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，都是通過了環保檢測的，不會給水造成二次污染，非金屬閥門配件的主要材料是銅合金，但因為其使用量很小所以對水質的影響基本可以忽略。不銹鋼材料的閥門也不會給水造成二次污染，但是考慮到其成本并未廣泛使用。

4.1閥門材質對水質的影響

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。

實驗證明：銅合金檢測指標很難符合相關衛生標準要求。且合金與水接觸時間越長，鉛的溶出量會隨之增加。雖然人們在飲水時會有服人體內的鉛的風險，但鉛的溶出量對人體是否有危害還需要進一步研究。

與動車組上給水系統的各個組件相比，閥門對水質的影響極低。

（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，會產生鐵、錳等金屬性易腐蝕物質。

4.1.2配件

標準配件表面鍍鋅，雖然和水部分直接接觸，但長期使用不會生銹腐蝕。

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為不銹鋼和銅合金，軟密封材料材質為聚四氟乙烯（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，不會對水質產生影響。橡膠則會產生異味，但其可塑性好，不過由于橡膠對水中的耗氧量的影響難以符合飲用水的指標認證。

4.2動車組水箱材質的選擇

關于水箱的材質要求有相關規范規定。其中UIC563-1990和TB/T3337-201中對于相關供水和衛生的裝置材料都提出了相應的基本要求，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材料（如不銹鋼、銅質材料），使用材料的表層材料應具有容易清潔、不褪色、不會受清潔劑的影響、抗磨、不易臟等特點。

在選擇水箱的材料時需要其能夠防腐蝕、無毒害，通常使用不銹鋼、銅、PE等材料。考慮飲水習慣在動車組各車廂都配備開水爐，使用的水箱材質一般為不銹鋼。由于列車運行中，水波會對水箱產生沖擊。故在水箱箱體內設置防波板，防波板還可以增加支撐水箱穩固性能。但長期運行過程中可能產生的疲勞破壞（尤其是焊接部分）需要進一步研究。

5需要研究的問題

為保證給水系統水質，建議進行以下問題研究：①不同水溫、不同存儲時間水箱材質（不銹鋼、銅、PE）對水質變化的影響，②管路材質（不銹鋼、PE、鋁塑管）對水質變化的影響，③水儲存時間對水質變化的影響，④環境溫度對水質變化的影響，⑤電熱水壺工作條件對水質變化的影響，⑥現有衛生保護措施、維護清潔措施對水質變化的影響。

6結語

水質的要求在不斷提高，為保證供水系統對水質不產生影響，不產生跑冒滴漏現象，對水箱、管道及配件材質的選擇要在滿足相關標準的基礎上，針對動車組實際運行情況開展必要的試驗研究及理論分析，以充分保證動車飲用水系統安全。