何維華
(成都市自來水有限責任公司，成都，610072)
提要：本文回顧半個世紀以來，非金屬管材在城市供水管網中應用的經驗與教訓，對當前應用新型非金屬管材，提出了相應的關注點，供用管單位的參考。
關鍵詞：非金屬管材 供水管網 供水管材
1. 半個世紀的回顧
自從上世紀六十年代初開始，非金屬管材就開始在城市供水管網中試用、推廣。在城市供水管網中應用非金屬管材的過程卻非一帆風順，非金屬管道故障率高、爆管率高，又不斷促進非金屬管材本身品種的更新、材質的提高。六十年代應用的石棉水泥管、鋼筋混凝土管，在七十年代就淡出了；七十年代推廣應用的自應力管、預應力鋼筋混凝土管及小口徑塑料管材，在九十年代末亦退出大中城市的供水管網；九十年代推廣應用的預應力鋼筒混凝土管、聚氯乙烯管、聚乙烯管、無規共聚聚丙烯管、鋁塑複合管、鋼塑複合管、玻璃鋼管等，至今仍在城市供水管網中有所應用，但應用中亦暴露出若干問題有待認真探討與改進。
2. 非金屬管材應用的經驗與教訓
2.1非金屬管材的優點
非金屬管材儘管應用中出現了諸多問題，但城市管網中仍有它的市場，這是因為它的優點亦很明顯。非金屬管材的防腐性能優於金屬管材；內壁光滑，能長期保持輸水能力；節省金屬消耗；通常工程造價低於金屬管材；其中化學管材重量輕，有利於運輸與安裝等。
2.2非金屬管材的弱點
非金屬管材運輸與安裝中碰撞，容易受損；水泥製品的管材重量比較重，運輸、安裝難度較大；化學管材受日光照射，容易老化；大中口徑非金屬管材往往配套的是金屬管件或製造質量難以控制的非金屬管件，從而影響了非金屬管材的優越性。
2.3柔性接口是改善管道安全性的重要環節
六十年代敷設的石棉水泥管、鋼筋混凝土管，除了管材本身的問題外，管道連接的接口通常採用剛性的石棉水泥接口，因而容易爆管。但改用橡膠圈柔性接口後，不易發生爆管。如以下幾件事例：
（1）1966年3月8日我國河北省滄州地區發生數次地震，震級7.2級，烈度10.2度，部分牆頭倒塌，而石棉水泥管道卻正常運行。1967年3月27日滄州地區又發生地震，震級6.7級，烈度9.8度，但石棉水泥管仍未出問題。日本十勝衝地震剛性連接的石棉水泥管材折斷161處，佔各種管材折斷總數的80%。
滄州地區石棉水泥管未受地震影響的主要原因是石棉水泥管道接口做法一般採用「三剛一柔」，也就是三個剛性接口，一個柔性接口，基礎鬆軟地區採用一剛一柔，甚至全部採用柔性接口。為此，滄州地區石棉水泥管道未受到震害破壞，其主要原因應該說是由於設置了橡膠圈柔性接口的緣故。這也說明了橡膠圈柔性接口有較好的抗震性能。
（2）1976年唐山大地震（烈度為10度）時，一條35km的輸水幹管（DN500～600mm）採用了承插式預應力鋼筋混凝土管（橡膠圈柔性接口），地震中未出現一處漏水，震後仍能正常運行。
（3）1975年營口地區地震時，一條DN600mm預應力鋼筋混凝土管（柔性接口）鋪設在地下水位高、土質鬆軟的鹽田地區，在8度地震後未發現震損。
2.4解剖上世紀六、七十年代部分非金屬管材淡出的原因
（1）石棉水泥管
石棉水泥管是不含金屬的非金屬管材，比其它水泥管材質輕，長期輸水後內壁光滑、輸水能力不減。但是管材容易折斷；通常管接口使用剛性的石棉水泥填料，爆管率高；加之石棉纖維游離於水中，被人飲用後蓄積於腸內壁，容易誘發癌症，故逐漸淡出在供水管網中的應用。
（2）自應力管
承插式自應力鋼筋混凝土管及承插式自應力鋼絲網水泥砂漿管，簡稱『自應力管』。它應用橡膠圈柔性接口，克服了剛性接口的缺陷，比預應力管制造簡易，價格較低。但是自應力水泥的二次膨脹問題，往往在水管輸水後發生承口破裂等爆管事故；管內壁浮漿影響輸水水質及輸水能力；較小口逕自應力管折斷事故頻繁。因此，上世紀九十年代已不再用於大中城市的供水管網。
（3）預應力鋼筋混凝土管(一階段管、三階段管)
預應力鋼筋混凝土管於1965年在遼寧省試用，1972年後在全國推廣應用，在金屬管材緊缺的年代受到用管單位的歡迎，當時不少大中城市供水管網中得到較快的應用。由於採用橡膠圈柔性接口，爆管情況較少。但是管材運輸、鋪設過程中損傷較多；一階段管承口失圓嚴重，雖增添磨削工序修復，需不同直徑膠圈配套，繁瑣；一階段管鋼模接合縫處漏漿、串水較多；三階段管潮片、滲漏較多；承插接口容易滲滴；局部沉降時膠圈容易衝脫等問題。從上世紀九十年代後期開始，供水管網中逐漸不用此種管材。
3. 當前新型非金屬管材應用中的關注點
3.1輸送飲用水的管材應符合衛生要求
無論金屬管材還是非金屬管材，若要輸送飲用水，它應符合衛生要求。比如：
（1）曾經在聚氯乙烯管材和管件安全性抽驗時，有四次浸泡液中鉛含量嚴重超標，有一次出現氯仿、四氯化炭超標。監測站技術人員指出，鉛是嚴重的蓄積性毒劑，是一種致癌變物質，無論是由於短期還是長期攝入人體的鉛，都會嚴重損害健康；氯仿、四氯化炭也均為高致癌風險的有機毒物。由於生產成本等因素，有不少廠家採用低價的三鹽基性硫酸鉛或二鹽基性亞磷酸鉛作為產品的熱穩定劑，因此產品中含有鉛，產品經高氯水的浸泡後，水中自然會出現大量的鉛。而氯仿、四氯化炭超標則是由於管件與管材粘接時所使用的粘合劑的溶劑引起的。
（2）玻璃鋼管的離心制管工藝來源於奧地利；纏繞制管工藝來源於義大利；可是維也納、羅馬以及經濟發達國家的大都市的自來水管網中，沒有或很少採用此類管材。這些國家的一些廠商卻不斷向發展中國家傾銷此類制管設備，大量用於城市供水管網中，應該三思。
（3）玻璃鋼管對內防滲層樹脂有明確的要求，要無毒、防滲、耐磨，厚度宜2mm。這樣防滲層應採用價格較貴的間苯性不飽和聚酯樹脂，但有的廠家採用價格較低的鄰苯性不飽和聚酯樹脂，厚度也相當薄，倘若此層出現裂紋，纖維容易浸入水中。
（4）對於水泥壓力管、內襯水泥砂漿的金屬管，在衛生狀況上乃有三點應該注意：
A.所用的水泥應有具體要求，因矽酸鹽水泥製造過程中摻和了高爐礦渣，這類摻和料成份不穩定，有時帶有鋇、鎘等有害人體的金屬成份，有時存在放射性問題，故應提供水泥相關的檢測報告；
B.上述管材內表面不應存在浮漿，就是管道清洗後灰粉層也往往會使輸水過程中懸浮物增多；
C.對於輸送水質偏酸性的不穩定水，應在內表面噴塗一定厚度的衛生級的環氧樹脂或不飽和聚酯樹脂防滲層，但要注重噴塗的工藝要求，若塗層浸泡水後剝離，則又出現剝離的塗層引起水嘴堵塞及水中存在異物的問題。
（5）各類塑料管材製造過程中的添加劑對人體內分泌幹擾素的影響不容忽視，上世紀九十年代日本研究者提出「環境激素」問題，研究指出有些化學物質會經過食品、空氣、管道等進入生物體內，產生「假性激素」，影響其本身的激素分泌，幹擾身體平衡機制，特別是在生殖方面，只要攝入約一兆分之一微量，即可幹擾生物體的功能，導致男性精子量減少，免疫系統功能降低，悪性腫瘤的易發性等。在67種幹擾內分泌的化學物質中，有7種用來製造塗料、樹脂、可塑劑的化學物質是最危險的，它們是丁蠍錫（丁基錫）、辛基苯酚、壬基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯、八氯苯乙烯、苯醯苯、鄰苯二甲酸環已基。研究指出環境激素物質雙酚A（英語詞彙『Bisphenol』，它是2，2-雙丙烷、2，2-雙酚基丙烷的俗稱），在合成聚氯乙烯的工藝中作為穩定劑添加於原料中，它還在環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等塗料中使用，應引起高度關注。相反，聚乙烯在合成時不需要雙酚A作添加劑的，更增強了推廣使用聚乙烯給水管的信心。
3.2非金屬管材及配件的結構設計
（1）設計資質問題
非金屬管材及配件的結構設計，主要係指大中口徑非金屬管材及配件的結構設計。通常此項設計是由沒有設計資質的制管廠技術人員完成的，就是大型輸配水工程由甲級設計單位參與設計，配件設計仍由廠家進行。
（2）管道粗糙係數的設定
管道粗糙係數的設定，關係到管道的輸水能力與管道的工程造價，國內近期的大型輸水工程，為了降低工程造價，採用新鋪設試驗管段，實測管道的粗糙係數作為設計依據，忽略了管道長期輸水過程中的積氣、配件阻力等的影響因素，將預應力鋼筒混凝土管的粗糙係數值由原設計手冊推薦的0.013改為0.0115，這將引起人們對管道輸水後達不到設計輸水能力的疑慮；大、中口徑的聚乙烯給水管的粗糙係數值，通常取用0.009，但管道內壁並不平整，如管段熱熔對接引起的縮徑、內翻邊及管件的內翻邊，造成的內徑變化是不應該忽視的，當dn315mm～dn1600mm時，管兩端內徑要縮小20～60mm，兩管熱熔對接後，加之內翻邊的存在，管材接口處，縮徑達40～80mm，從而輸水過程中積氣是可能的，增大的阻力是存在的，因此粗糙係數不應取值過小；玻璃鋼管亦存在同樣的問題。
（3）管配件的設計
管配件由於形狀、承壓條件及製造難度均大於管材，如球墨鑄鐵管的管件壁厚大於管材，當管材用K9級時，管件用K12級，有標準圖集。非金屬管道設計、製造時，往往沒有重視這一規則，如華南某開發區敷設的玻璃鋼管道，管材剛度取N=5000，管件亦取相同值（違規），管件沒有完備的設計圖集，甚至現場任意拼湊製造，極不規範，導致管道運行後，管件部位爆損嚴重；在預應力鋼筒混凝土管道的管件製造上亦存在類同問題，與預應力鋼筒混凝土管材配套的是鋼板複合管件，它的結構設計應符合鋼管配件的設計方法，它的內襯、外防腐應符合複合管的特點。
3.3原材料是塑料管制造質量的關鍵
回顧各類塑料管在應用中出現的諸多問題，關鍵的一點是原材料選用不嚴。比如：聚氯乙烯管在國外保持了較高的應用率，但國內近些年應用率下降，其中重要的原因之一是國外管廠通常應用專用混配料製造，在管廠不應添加過多的添加劑，國內管廠則一律應用自配料方式製造，適應市場價格的變化，添加不同質與量的添加劑，這樣的管材難以保證質量的穩定；對於聚乙烯管材，「給水用聚乙烯管材」產品標準及「埋地聚乙烯給水管道工程技術規程」中，選用專用混配料作為強制性標準，但國內多數管廠並不遵守這一規則，仍以自配料方式制管，選用添加料的品質不一，碳黑添加難以均勻等原因，它嚴重影響管材的質量及應用效果；玻璃鋼管可以根據不同的使用條件進行結構設計與製造，選用不同的樹脂與玻璃纖維等，從而影響它的質量與價格。一般結構層所用樹脂為鄰苯性不飽和聚酯樹脂或改性鄰苯性不飽和聚酯樹脂；內表防滲層，一般使用間苯性不飽和聚酯樹脂或衛生級鄰苯性不飽和聚酯樹脂，產品質量要求較高時，內防滲層也有用乙烯基酯樹脂，而這些樹脂的價差是很大的，效果也是不一的。
3.4推廣預應力鋼筒混凝土管的幾個問題
（1）適用的範圍
球墨鑄鐵管是城市供水管網的主導管材，但是DN≥1400mm時目前球墨鑄鐵管的配套管件難以使用相同材質鑄造，因此是當前預應力鋼筒混凝土管應用的空間，近期北京地區南水北調中線工程使用了DN4000mm預應力鋼筒混凝土管達100km。當然在複雜地段，配套管件較多，仍然鋼製管道是首選品種。
（2）接口的相關問題
DN≥1400mm預應力鋼筒混凝土管系埋置式工藝製造，通常採用雙膠圈密封。對於預應力鋼筒混凝土管的安全使用，除了管材製造中嚴格控制質量外，接口的狀況是極其重要的。
A.接口的橡膠圈應由專用定點廠家供貨，橡膠圈整體硫化成型，橡膠圈的材質建議用聚異戊二烯合成橡膠，它的耐老化、耐磨性能高於其它品種。
B.承插接口的工作面應鍍鋅或噴塗衛生級環氧樹脂，塗層約0.2mm以上，關鍵是硬度要好、附著力要強，管材組裝時膠圈擠壓，塗層不應擠掉。
C.管材現場組裝後，可馬上試壓檢驗組裝質量，建議用氣壓檢驗，因水壓檢驗煩瑣、餘水排不掉對膠圈不利，長期水呆滯亦不衛生。
D. 膠圈內外間隙封堵措施的落實要認真，不傾向用稠密度水泥砂漿嵌縫作業，這樣管底嵌入的水泥砂漿幹縮後容易掉落，亦往往遺漏嵌滿底縫。為了保護接口端部的承插鋼環，需在接口的外側進行灌漿，在接口處外側應用灌漿帶包裹，灌漿帶由帆布或雙層聚丙烯塑料編布組成，上面留出灌漿口，用繩帶捆緊在管接頭兩側。用1:2.5水泥砂漿製成流態灌注。為便於砂漿灌注密實，可事先在接縫內放入一根鐵絲，在灌漿時來回牽動，以利砂漿密實，灌滿後頂部用塑料布覆蓋。對於管徑偏大時，一次灌滿可能造成灌漿帶受壓過大產生破壞，故可以在灌漿帶中澆灌1/3的砂漿，讓砂漿在下次灌漿前凝結，或在灌漿帶底部1/3處回填土，以便在整個灌漿帶中澆灌砂漿時，起支撐作用。
接口內部間隙可用1:2.5水泥砂漿勾縫，抹灰整平同管內面。試壓孔用螺栓、墊片封閉後，同上處理。
E. 膠圈內外間隙封堵措施落實得不認真，接口鋼板容易鏽蝕，接口的滲漏將會引發災難性後果。
（3）預應力鋼筒混凝土管強化防腐的措施
A.腐蝕機理的簡述
水泥製品管材具有一定的防腐蝕性能，但實踐證明這種防腐性能是有限的。埋設在土壤裡鋼筋或鋼套筒混凝土管道，儘管有外防護層的保護，但由於土壤的侵蝕性，使其最終不可避免的產生腐蝕。
對於長距離輸水管線來說，所跨越的土壤自然條件差異較大。由於各種原因，最重要的腐蝕因素是PH值、氯離子、硫酸根離子、鎂離子及混凝土的碳化等，管道將會遭到不同程度的腐蝕破壞,有時腐蝕速度相當驚人，有埋在強腐蝕性土壤的預應力混凝土管使用不到二年就完全破壞了。
再之，腐蝕起始於腐蝕性離子含量高的區域鋼筋，最終導致鈍化膜的破裂，引起鋼筋或鋼套筒的電化學腐蝕。混凝土的氯離子及其他有害離子分布一般是不均勻的，在其他區域，鋼筋仍處於鈍化狀態，這種由離子不均勻分布形成的宏觀電池的腐蝕，加速了原腐蝕區域的腐蝕速度。
另外，金屬的晶間結構及應力的不同也會導致腐蝕，簡稱應力腐蝕。一旦鋼筋出現局部腐蝕或斷裂，應力就會重新分布在鄰近的鋼筋上，使之負載加大，隨之會造成其他鋼筋的腐蝕或斷裂。這種情況下，若外界應力小於鋼筒的斷裂強度時，則鋼筒發生了形變，若外界應力大於鋼筒的斷裂強度時，則鋼筒就會斷裂。管道的最終破裂也將不可避免。
B.防腐措施
為了確保地下管道的長期、安全地使用，有兩種保護方法：一種是表面塗層法；另一種是陰極保護法。
（A）表面塗層法
表面塗層法是通過封閉管道來起作用的，防止土壤中的水、氧氣和腐蝕性離子的滲透。常用的表面塗層有環氧煤瀝青、靜電噴塗環氧樹脂、彈性聚氨脂橡膠和改性環氧樹脂等。砂漿層外的環氧煤瀝青防腐層製作分溼法與幹法，溼法其指管材噴射水泥砂漿層後馬上作防腐層；幹法其指噴射水泥砂漿層後，待乾燥固化後再作防腐層。通常溼法工藝，工藝流程單一，成本低，南水北調工程中，鋪設於鹽鹼地的預應力鋼筒混凝土管採用了該工藝的防腐措施。
（B）陰極保護法
陰極保護技術就是向被保護的鋼管或鋼筋、鋼套筒混凝土管道通以足夠的直流電流（陰極電流），對管道外表面進行陰極極化，促使鋼質管道或鋼筋、鋼套筒管道在土壤中的腐蝕原電池陰陽極間的電位差減少，使腐蝕電流趨於零，進而達到阻止管道腐蝕的目的。根據直流電流的來源不同，陰極保護技術分為犧牲陽極和外加電流兩種保護方法。
營口市對60年代在穿越鹽田鋪設的DN600mm三階段預應力鋼筋混凝土管，發現環向預應力鋼絲腐蝕嚴重，面臨全線報廢的危險，於1982年採用犧牲陽極的陰極保護措施來搶救，取得了良好的效果，至今管線仍在輸水。
南水北調工程中，鋪設於鹽鹼地的預應力鋼筒混凝土管亦採用了犧牲陽極的陰極保護措施。
3.5制管工藝的可控性，強烈影響了管材、管件的質量
（1）在非金屬管材及管件製造方面，纏繞式玻璃鋼管及管件製造過程中操作者的嚴謹程度對製造質量關係密切，監控的手段相對脆弱；
（2）在非金屬管件製造後，通常沒有水壓試驗等檢驗工序來判別質量。
3.6粘接工藝不宜在埋地聚氯乙烯管中的應用
針對聚氯乙烯管而言，採用粘接是成本較低的連接方式。但應注意以下幾點：
(1)管材與管件的配合間隙不大於0.2mm；
(2)膠合劑質量穩定，且對輸送的水質沒有影響；
(3)粘接操作過程規範、認真；
(4)管路粘接後應在24小時內不被振動；
(5)施工環境乾燥，溼度較低；
(6)管路安裝應考慮管材熱脹冷縮的對應措施。
由於在埋地施工中，上述各點落實上有一定難度，粘接效果當時無法檢查，往往導致試壓或通水後滲漏或爆管，因此對於埋地聚氯乙烯管不傾向選用粘接工藝。就是DN≥100mm的管件製造亦不傾向選用粘接工藝，而採用整體塑造成型。在埋地安裝聚氯乙烯管時，樂於使用膠圈柔性連接。
3.7聚乙烯給水管接口方式多樣性，有利於不同環境的應用
熱熔連接、電熔連接、法蘭連接、鋼塑過渡連接以及承插式柔性連接。使聚乙烯給水管能適應不同規格、不同環境的應用。
3.8小口徑複合管道內堵問題
鋁塑複合管、鋼塑複合管、不鏽鋼複合管等種複合管材，由於外側為金屬管材，內側為塑料管材，兩種管材線膨脹係數不一，當管道明鋪安裝後，因空管受日光照射，內襯的塑料管材就會變形，堵塞管內空間，導致輸水不暢，甚至高層用戶水嘴放不出水。為此，提出以下措施：
（1）購置的複合管材，應先任選一段作曝曬或烘烤試驗，兩者材料間附著力不強的複合管材不應購置；
（2）對於用戶水錶內的管道通水前，一應作管道水壓試驗；二應實測內部管道流量、壓差的相關數據進行核算，評估管路是否暢通，若有問題，管路改造後才可驗收。
3.9管道基礎處理切莫忽視
任何管道埋地鋪設，基礎的處理都得認真，對於非金屬管道尤為重要。
（1）預應力鋼筒混凝土管屬半柔性接口的管材，它鋪設在平基、弧基的基礎上，管材鋼筋的含量是不同的，因此在較硬的土基上應鋪砂墊層，管材壓上去就自然形成弧形基礎；
（2）塑料管材（包括熱熔性塑料管和熱固性塑料管）鋪設在非軟性土基時，一定應鋪砂墊層，並且管材四周亦應回填砂或鬆軟土。
當前，應用好非金屬管材，需要我們關注的問題還多，以上所述，僅拋磚引玉，共同探討。總之，為了我們從事的供水事業，建設好通向千家萬戶的供水管網，實事求是的把非金屬管材當好供水管網中恰如其分的角色，是我們共同的心願。
發表日期 2008年4月25日