第一課:硬聚氯乙烯(PVC-U)給水管道、低壓輸水灌溉用管道
水,如何到達(dá)千家萬戶,流向田間地頭?怎樣讓一滴水在從源頭到終端的過程中體驗(yàn)高效的“旅行”?問題的答案都離不開各類塑料管道的應(yīng)用。百年大計(jì),質(zhì)量第一。隨著城鄉(xiāng)供水網(wǎng)絡(luò)的不斷延伸及高效節(jié)水灌溉的大力推進(jìn),能否選對(duì)適用耐用的管材,科學(xué)施工,完善建后維護(hù),成為關(guān)乎各項(xiàng)興水惠民政策措施能否可持續(xù)發(fā)揮作用、造福民生“最后一公里”的重要環(huán)節(jié)。為此,本刊特別推出系列專題“塑料管道講堂”,特邀中國(guó)認(rèn)證認(rèn)可協(xié)會(huì)自愿性產(chǎn)品認(rèn)證高級(jí)檢查員武新國(guó)、水利部農(nóng)村飲水安全中心原高級(jí)工程師彭克奇兩位業(yè)界資深專家作為主講嘉賓,從專業(yè)角度為您講解塑料管道在“生產(chǎn)—檢測(cè)—應(yīng)用”全鏈條中的系列問題,以期為需求方、生產(chǎn)方和關(guān)注者提供參考。本期開講第一課:廣泛應(yīng)用于給水、低壓輸水灌溉的PVC-U。
PVC管道是我國(guó)推廣使用最早,也是目前使用量最大的塑料管道。其中,以聚氯乙烯(PVC)樹脂為主要原料,加入必要的添加劑,經(jīng)擠出成型生產(chǎn)的硬聚氯乙烯(PVC-U)管道,廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉等水利建設(shè)領(lǐng)域。這一課,結(jié)合GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》和GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》,從管道的原材料選用、配方要求、混料過程監(jiān)控、生產(chǎn)工藝控制、成品檢驗(yàn)控制,以及管道施工過程中應(yīng)關(guān)注的系列問題進(jìn)行講解。
GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》對(duì)PVC-U生產(chǎn)管材的材料有4項(xiàng)規(guī)定:
①應(yīng)為PVC-U混配料?;炫淞蠎?yīng)以PVC樹脂為主,其中加入為生產(chǎn)達(dá)到本部分要求的管材所必需的添加劑,所有添加劑應(yīng)分散均勻。
②PVC樹脂應(yīng)符合GB/T 5761—1993,樹脂的K值應(yīng)大于64,氯乙烯單體含量應(yīng)小于5m g/kg。
③任何添加劑的加入不應(yīng)引起感官不良感覺、損害產(chǎn)品的加工和粘接性能及影響到本部分規(guī)定的其他性能。飲水用管材不應(yīng)使用鉛鹽穩(wěn)定劑。
④允許使用本廠生產(chǎn)同類產(chǎn)品的清潔回用料。
GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》未對(duì)原材料的選用提出具體要求條款。
混配料,是指基礎(chǔ)樹脂與各種必要助劑的均勻混合物,簡(jiǎn)單的說就是在生產(chǎn)過程中把樹脂和助劑按一定比例均勻混合在一起的材料。PVC-U塑料管道混配料一般包含PVC樹脂和穩(wěn)定劑、填充劑、潤(rùn)滑劑、著色劑以及提高產(chǎn)品性能的其他助劑。
原材料的選用,會(huì)直接影響PVC-U塑料管道的產(chǎn)品性能,因此在原材料投入使用前應(yīng)嚴(yán)格控制PVC樹脂和各類助劑的質(zhì)量。作為主要原材料的PVC樹脂(見圖1),應(yīng)嚴(yán)格參照上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的4項(xiàng)規(guī)定進(jìn)行選用。
PVC樹脂以粉末狀態(tài)存在,容易與各種助劑混合。但是,PVC加工熱穩(wěn)定性差,熔融溫度160℃高于分解溫度140℃;PVC熔體的流動(dòng)性不好,熔體強(qiáng)度低,易產(chǎn)生熔體破碎和制品表面粗糙等現(xiàn)象;PVC熔體黏附金屬傾向大,熔體之間以及熔體與加工設(shè)備間摩擦阻力大。由于以上PVC加工特性的影響,在PVC樹脂加工過程中必須加入熱穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑等助劑,以改善其性能。
圖1 PVC樹脂粉末(來自網(wǎng)絡(luò)圖片)
熱穩(wěn)定劑:使物料減慢反應(yīng),保持化學(xué)平衡,降低表面張力,防止光、熱分解或氧化分解,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定的助劑。主要有鉛鹽類、有機(jī)金屬皂類、有機(jī)錫類、復(fù)合穩(wěn)定劑類、稀土復(fù)合熱穩(wěn)定劑、鈣鋅穩(wěn)定劑等。隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng),其中鉛鹽類熱穩(wěn)定劑將被無毒的熱穩(wěn)定劑取代,而且GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》中明確規(guī)定:飲水用管材不應(yīng)使用鉛鹽穩(wěn)定劑。
填充劑:改善PVC塑料管道的成型加工性能,提高產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo),同時(shí)降低生產(chǎn)成本的助劑。主要采用碳酸鈣、滑石粉、陶土,也有用云母粉、硅藻土、赤泥等。
潤(rùn)滑劑:改進(jìn)PVC熔體的流動(dòng)性能,減少或避免對(duì)設(shè)備的黏附,提高管材表面光潔度的助劑。一般采用石蠟、硬脂酸、聚乙烯蠟、合成蠟等。
著色劑:改變管材顏色,改進(jìn)塑料管材耐氣候老化性,延長(zhǎng)管材使用壽命的助劑。一般采用二氧化鈦、酞青藍(lán)、炭黑、各種染料等。
其他助劑:能改善生產(chǎn)過程效率、提高管材產(chǎn)品性能的助劑。
配方,即合理選用樹脂和助劑,并科學(xué)確定其配比后所形成的復(fù)合體系。配方需滿足塑料管道成型加工和使用性能的要求,其核心是優(yōu)選樹脂和助劑并優(yōu)化其用量和配比。
GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》對(duì)配方的要求主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。
①配方中的原材料需滿足上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中PVC-U生產(chǎn)管材材料的4項(xiàng)規(guī)定。
②配方需滿足管材密度、維卡軟化溫度的物理性能要求。
PVC-U管材密度需達(dá)到1.35~1.46g/cm3的范圍。要保證管材滿足此技術(shù)指標(biāo)要求,配方體系中填充劑數(shù)量需控制在5%~8%。PVC-U管材維卡軟化溫度需≥80℃。維卡軟化溫度是評(píng)價(jià)材料耐熱性能,反映管道制品在受熱條件下物理力學(xué)性能的指標(biāo)之一,雖不能直接用于評(píng)價(jià)材料的實(shí)際使用溫度,但可用來指導(dǎo)材料的質(zhì)量控制。要保證管材滿足此技術(shù)指標(biāo)要求,配方體系中潤(rùn)滑劑、增韌劑的數(shù)量需控制在0.5%~1.5%。
③配方需滿足管材落錘沖擊試驗(yàn)、液壓試驗(yàn)的力學(xué)性能要求。
落錘沖擊試驗(yàn)(0℃)TIR技術(shù)指標(biāo)需≤5%,TIR是真實(shí)沖擊率,即整批產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),其沖擊破壞總數(shù)除以沖擊總數(shù)后的數(shù)值,以百分?jǐn)?shù)表示。落錘沖擊試驗(yàn)是對(duì)管材耐外沖擊性能的測(cè)定。試驗(yàn)應(yīng)按GB/T 14152—2001,在0℃條件下進(jìn)行。落錘沖擊試驗(yàn)的沖擊錘頭半徑為12.5mm,沖錘質(zhì)量和沖擊高度見表1,落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)見圖2,落錘沖擊破壞樣品見圖3。S4至S10的管材應(yīng)按M級(jí)試驗(yàn);S12.5至S20的管材應(yīng)按H級(jí)試驗(yàn)。要保證落錘沖擊試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)≤5%,配方體系中填充劑、潤(rùn)滑劑的數(shù)量需控制在6%~9%。
液壓試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求試驗(yàn)中管材無破裂、無滲漏。液壓試驗(yàn)按GB/T 6111—2003測(cè)定,試驗(yàn)條件見表2,液壓試驗(yàn)設(shè)備見圖4。若試樣在距離密封接頭小于試樣自由長(zhǎng)度0.1倍處出現(xiàn)破裂,則試驗(yàn)結(jié)果無效。要保證液壓試驗(yàn)中管材無破裂、無滲漏,配方體系中填充劑、潤(rùn)滑劑、加工助劑的數(shù)量需控制在7%~10%,且加工生產(chǎn)過程要合理控制溫度。
GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》未對(duì)原材料提出具體要求條款,但對(duì)管材物理力學(xué)性能中的密度(1.35~1.55g/cm3)、落錘沖擊試驗(yàn)和靜液壓試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了要求,配方作出了部分調(diào)整。
表1 沖錘質(zhì)量和下落高度
表2 液壓試驗(yàn)
圖2 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(來自網(wǎng)絡(luò)圖片)
圖3 落錘沖擊破壞樣品
圖4 液壓試驗(yàn)設(shè)備(來自網(wǎng)絡(luò)圖片)
混料過程,是按照規(guī)定的不同原材料的比例、順序?qū)⑵渫度氲交炝蠙C(jī)中(見圖5),再依次進(jìn)行高溫混合、低溫混合,以得到組成均勻的混合物?;炝线^程的關(guān)鍵在于要合理控制物料投放順序、混料溫度、混料時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)物料的充分均勻分散。
混料過程中,當(dāng)高速混合溫度達(dá)到適合的溫度時(shí),一般在120℃~135℃,混配料中的水分等揮發(fā)分會(huì)變成水蒸氣揮發(fā)掉,混配料重量將減輕。再進(jìn)行低溫混合(溫度一般在40℃以下),將原料性能發(fā)揮到最佳,均勻分散后生產(chǎn)備用?;炫淞现兴值葥]發(fā)分含量越大,后期生產(chǎn)的管材成品性能就越不穩(wěn)定,而且會(huì)導(dǎo)致管材出現(xiàn)缺陷,甚至產(chǎn)生廢品。因此,各混配料選用時(shí),其揮發(fā)分指標(biāo)最好控制在0.03%以下,以更好地控制生產(chǎn)過程。
圖5 立式混料機(jī)
圖6 PVC管材生產(chǎn)線
管材生產(chǎn)過程中,要根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備(見圖6)、管材規(guī)格、生產(chǎn)速度,并結(jié)合管材的外觀、尺寸及物理化學(xué)性能的結(jié)果,及時(shí)合理地調(diào)整生產(chǎn)工藝溫度,以制造出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的給水用PVC-U管材和低壓輸水灌溉用PVC-U管材。
GB/T 10002.1—2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》規(guī)定,管材出廠需檢驗(yàn)外觀、顏色、不透光性、管材尺寸(長(zhǎng)度、彎曲度、平均外徑及偏差、不圓度、壁厚、承口、插口)、縱向回縮率,以及進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)和20℃、1h試驗(yàn)條件下的液壓試驗(yàn)。GB/T 13664—2006《低壓輸水灌溉用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》規(guī)定,管材出廠需檢驗(yàn)顏色、外觀、規(guī)格尺寸及偏差(長(zhǎng)度、平均外徑、壁厚)、彎曲度、環(huán)剛度,以及進(jìn)行靜液壓試驗(yàn)和扁平試驗(yàn)。
同時(shí),管材存放場(chǎng)地應(yīng)平整、堆放應(yīng)整齊(見圖7),距離熱源不小于1m,工廠庫房?jī)?nèi)管材堆放高度不超過2m,不得露天暴曬。管材出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目全部合格后,才可出廠交給客戶。
圖7 PVC-U產(chǎn)品的存放
管道輸水工程具有工程隱蔽、投資較大等特點(diǎn),在施工過程中必須嚴(yán)格把關(guān)各個(gè)環(huán)節(jié),制定詳細(xì)的施工計(jì)劃,嚴(yán)格按照施工程序精心施工,以保證管道在工程投入使用后能正常運(yùn)行、發(fā)揮效益。管道施工過程需注意:
管材進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后,首先檢查管材尺寸誤差是否超標(biāo),管材壁厚是否均勻、有無變形,承口有無開裂,管材是否內(nèi)含雜質(zhì),插口端部倒角是否合乎標(biāo)準(zhǔn),插口有無插入深度標(biāo)線,配件與管材的規(guī)格、材質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)是否一致等。如發(fā)現(xiàn)管材有損壞、變形、變質(zhì)跡象或存放超過規(guī)定期限時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行抽樣鑒定。
(1)管材的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)
①外觀上,管材內(nèi)外壁應(yīng)光滑、清潔,沒有劃傷和其他缺陷,不允許有氣泡、裂口及明顯的凹陷、雜質(zhì)、顏色不均、分解變色線等。管端頭須切割平整,并與管的軸線垂直。管材與插口的工作面必須表面平整,尺寸準(zhǔn)確,既要保證安裝時(shí)插入容易,又要保證接口的密封性能。
②管材同一截面的壁厚偏差不得超過14%。 PVC-U給水管材的彎曲度:管材公稱外徑40~200mm時(shí),彎曲度≤1.0%;公稱外徑225mm以上(含225mm)時(shí),彎曲度≤0.5%。PVC-U低壓輸水灌溉用管材彎曲度≤1.0%。
(2)管件的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)
管件壁厚不小于同規(guī)格管材壁厚;外觀表面光滑,無裂紋、氣泡、脫皮和嚴(yán)重的冷斑、明顯的雜質(zhì)以及色澤不均分解變色等缺陷。
(3)管材、配件的運(yùn)輸及堆放
①PVC管材及配件在運(yùn)輸、裝卸及堆放過程中須輕拿輕放,嚴(yán)禁拋扔或激烈碰撞。
②PVC管材須避免陽光暴曬,短期堆放須遮蓋,若存放期較長(zhǎng),則須放置于室內(nèi)或能防曬隔雨的棚庫內(nèi),以防變形和老化、強(qiáng)度及韌性下降。
③PVC管材、配件堆放時(shí),須放平墊實(shí),考慮安全要求,施工工地管材堆放高度不得超過1.5m;對(duì)于承插式管材、配件堆放時(shí),相鄰兩層管子的承口相互倒置并讓出承口部位,以免承口承受集中荷載。
④PVC管材運(yùn)輸和堆放時(shí)可以采用大管套小管的形式,但套裝的管子須呈自由狀態(tài),避免使內(nèi)外管處于過度擠撐狀態(tài)。
⑤管材堆放須擺放整齊,避免雜亂無序使管子受到擠壓產(chǎn)生永久變形。
⑥不同規(guī)格的管子須分別堆放,避免安裝時(shí)尺寸不配或互相用錯(cuò)管子而發(fā)生爆管事故。
⑦嚴(yán)禁施工現(xiàn)場(chǎng)拖拉管子,以防止管身特別是插口端部密封接觸部位劃傷,造成接頭漏水 。
管溝地面開挖放線范圍復(fù)核無誤后,采用小型挖掘機(jī)與人工配合開挖管溝。人工整修、機(jī)械開挖時(shí)沿底部預(yù)留10cm左右保護(hù)層,挖土直接堆放到溝邊。開挖施工前,首先檢驗(yàn)管溝軸線和高程,然后每隔10m布設(shè)一軸線和高程樁,確定出管溝軸線和各點(diǎn)開挖高程;管溝粗挖成型后,在渠底每10m設(shè)一軸線樁,在軸線樁上標(biāo)出渠底高程的準(zhǔn)確位置,掛線人工整修。
管溝開挖應(yīng)滿足:施工方便;不易塌方;凍土地區(qū),管材應(yīng)在凍土層以下;管材能承受上方載荷;管溝底部平整;管材周圍10cm內(nèi)無堅(jiān)硬物體。
管溝開挖分段完成驗(yàn)收合格后,進(jìn)行管道安裝。安裝前,需進(jìn)行管道承口與插口的管徑量測(cè),并編號(hào)記錄,進(jìn)行公差配合,以便安裝時(shí)容易插入和保證接口的嚴(yán)密性。放入管溝內(nèi)時(shí),需采用可靠的軟帶吊具,平穩(wěn)下溝,避免與溝壁或溝底激烈碰撞。
管材連接方式主要有兩種:
①彈性密封圈連接,主要適用于直徑63mm以上的管材;
②膠合劑粘接,主要適用于直徑110mm以下的管材。
應(yīng)當(dāng)注意,當(dāng)管道口徑大于100mm時(shí),三通、四通、彎頭、異徑管和閘閥處均應(yīng)根據(jù)管內(nèi)壓力計(jì)算出軸向推力,據(jù)此設(shè)置止推墩、固定墩、防滑墩等。
彈性密封圈連接
連接流程為:清理工作面、安裝膠圈、涂潤(rùn)滑劑、平直對(duì)口插入、塞尺檢查,見組圖8。在此過程中,應(yīng)注意膠圈不要頂翻,潤(rùn)滑劑可用肥皂水、洗潔精、凡士林等,不能用黃油、潤(rùn)滑油等油類;要涂抹均勻無雜物;承口、插口要在一條直線上。
圖8 彈性密封圈連接流程
膠合劑粘接
硬質(zhì)膠合劑是PVC原料溶解于特殊的溶劑制造而成的一種膠液,當(dāng)PVC表面涂以膠合劑即呈膨潤(rùn)狀,如與另一PVC緊密粘結(jié)時(shí)可使兩PVC表面上的分子變得很接近,待溶劑揮發(fā)后兩PVC接合面膠著成為一體。PVC管道粘接,則利用此原理實(shí)施。連接流程為:清理工作面、試插、涂抹膠合劑、粘接、凝結(jié)固化,見組圖9。在此過程中,注意粘接前將兩管試插一次,在插入端表面劃出插入承口深度的標(biāo)線;涂刷膠合劑時(shí),用毛刷將粘接劑迅速涂刷在插口外側(cè)及承口內(nèi)側(cè)結(jié)合面上,先涂承口,后涂插口,軸向涂刷,涂刷均勻適量;粘接后,不得立即對(duì)接合部位強(qiáng)行加載,須靜置固化。
圖9 膠合劑粘接流程
安徽省郎溪縣飛里鎮(zhèn)農(nóng)村飲水工程PVC-U管材施工工地
山東省無棣縣月湖供水工程PVC-U管道回填現(xiàn)場(chǎng)
(1)分段試壓
PVC-U給水、低壓灌溉管道試壓段的長(zhǎng)度視具體情況而定。對(duì)于無節(jié)點(diǎn)連接的管道,試壓管長(zhǎng)度不宜大于1.5km;有節(jié)點(diǎn)的管道,試壓段長(zhǎng)度不宜大于1km。
(2)管道充水
管道充水時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行,充水同時(shí)應(yīng)排出管道內(nèi)的空氣。管道充滿水后,在無壓情況下至少保持12h。
(3)試壓方法
PVC-U管道水壓試驗(yàn)有嚴(yán)密性試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)2項(xiàng)內(nèi)容??砂凑铡禖ECS17—2000埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》的要求進(jìn)行試壓。
①嚴(yán)密性試驗(yàn):管道充水12h后,將管內(nèi)水壓加到0.35MPa,并保持2h,檢查各部位是否有滲漏或其他不正常現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)為保持管內(nèi)壓力可向管內(nèi)補(bǔ)水。嚴(yán)密試驗(yàn)時(shí),若在2h中無滲漏現(xiàn)象為合格。
②強(qiáng)度試驗(yàn):嚴(yán)密性試驗(yàn)合格后,進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),管內(nèi)試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)工作壓力的1.5倍,但不低于0.35MPa,保持試驗(yàn)壓力2h,當(dāng)壓力降至0.02MPa時(shí),向管內(nèi)補(bǔ)水,記錄為保持試驗(yàn)壓力所增補(bǔ)水量的總值,若漏水量不超過規(guī)范允許漏水量時(shí),則認(rèn)為試驗(yàn)管段承受住了強(qiáng)度試驗(yàn)。
(4)管溝回填
①溝槽回填一般分2次進(jìn)行。鋪設(shè)管道的同時(shí),用符合要求的原土人工回填至管道兩肋,分層(每層0.1~0.15m)夯實(shí),直至回填到管頂以上至少0.1m處。管道接口前后0.2m范圍內(nèi)不得回填,以便觀察試壓時(shí)的滲漏情況。
②管道試壓合格后大面積回填,宜在管道內(nèi)充滿水但無壓的情況下進(jìn)行,回填時(shí),要從管道兩側(cè)同時(shí)回填,不得有機(jī)械在管道上方地面行駛。
③管頂30cm以內(nèi)回填土輕夯夯實(shí),管頂30cm以上至地面回填土采用分層灌水法使其密實(shí)度達(dá)到要求。
課后思考
A和B生產(chǎn)商生產(chǎn)同一種性能的PVC原料,但其揮發(fā)分技術(shù)指標(biāo)存在差異,即PVC原料烘干后含水量不一致。其中,A生產(chǎn)商供應(yīng)的PVC原料:揮發(fā)分技術(shù)指標(biāo)是1%,價(jià)格是10000元/t;B生產(chǎn)商供應(yīng)的PVC原料:揮發(fā)分技術(shù)指標(biāo)是4%,價(jià)格是9800元/t。
請(qǐng)問如果要購買100tPVC原料,你會(huì)選擇哪個(gè)生產(chǎn)商,才能把采購成本降到最低?
(答案見本期)
主講嘉賓:武新國(guó)
中國(guó)認(rèn)證認(rèn)可協(xié)會(huì)自愿性產(chǎn)品認(rèn)證高級(jí)檢查員,精通聚氯乙烯系列管道、聚烯烴管道的原料、生產(chǎn)過程和成品檢驗(yàn)控制及管道應(yīng)用等,曾參與相關(guān)塑料管道國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定。
主講嘉賓:彭克奇
水利部農(nóng)村飲水安全中心原高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事農(nóng)村飲水安全工程及農(nóng)田節(jié)水灌溉工程新技術(shù)、新產(chǎn)品、新材料及標(biāo)準(zhǔn)的推廣工作。