给水立管的抗低温性能试验分析

　　摘要为了保障给水管网立管在寒潮中的安全，进一步提高给水管网立管的安装及使用质量。试验模拟严寒天气状况下，通过改变管道材质、管道新旧以及保温棉厚度3个变量因素的情况下，根据立管管内水温下降至0℃所需的时间，从而分析立管的抗低温性能。结果表明:不锈钢管的抗低温性能最好。因此，管道的选材需结合实际情况来优化;包裹保温棉厚度越厚的立管抗低温性能越好，包裹40mm厚度的保温棉的立管的抗低温性能最高能提升6.6倍，采取有效的安装和保温等防冻裂措施具有必要性;且新旧管道的防冻需一并重视，才能达到安全稳定供水的目的。

　　关键词给水管网供水管道立管抗低温性能防冻裂措施

　　在2016年1月的世纪寒潮影响下，苏州工业园区给水管道漏水及水表冰裂情况严重，对居民正常用水造成了广泛且持久的影响[1-2]。给水关系民生问题，因此，需从教训中吸取经验，对各类立管抗低温性能进行研究，在面对下一次寒潮时能做到将影 响降至最低。

　　小区给水立管是指竖向布设在多层或高层建筑物上，联通单元总管到用户水表之间的给水管道，是供水系统的最末端[3]。本试验主要研究给水管网立管在严寒天气条件下，管道冻裂与气温、管道材质、管径、是否受风、管道内水流状况、是否加盖保温棉的关系，做到未雨绸缪提前对给水管道进行保护措施，确保在下一次寒潮到来之际能够有条不紊地应对，达到安全稳定给水的目的。

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　　1苏州工业园区住宅立管概况

　　截至2015年底，根据立管材质、管道口径和铺设方式3个方面统计的立管数据可知如下。

　　(1)立管材质:内衬塑镀锌管占苏州工业园区立管总量的79.3%;其次是PPR管，占苏州工业园区立管总量的8.5%;剩余为PVC管、不锈钢管、铝塑管以及PE管，其中，不锈钢管使用量虽然仅占到总量的1.8%，却是超高层小区必备的材质。

　　(2)管道口径:立管口径主要集中在DN40～DN50，占总量的62.3%。

　　(3)铺设方式:立管铺设位置分为楼梯间、管道井和外墙壁这3种，其中:位于管道井的立管占总量的61.0%，楼梯间立管占比30.0%，外墙壁立管占比9.0%。如表1所示，对苏州工业园区在2016年寒潮下损坏的立管从管径、材质和损坏原因3方面进行分类统计，可知管径DN15～DN40的立管占所有损坏立管的56.8%，内衬塑镀锌管占损坏总量的73.0%，对于立管损坏原因主要为冻裂和管道老化。另外，内衬塑镀锌管的破坏量占该材质管道使用量的22.8%，PPR管、不锈钢管占比分别为57.9%和12.5%。

　　2立管测试试验

　　2.1立管测试试验原理

　　进行立管测试试验的控温试验箱，该试验箱型号为CH331P，内部长高宽为3470mm×2200mm×2570mm，体积达到20m3。能控制在恒温状态下，温度调节为-40～80℃，可手动设置且温度可恒定。当温度降至设置所需温度时，偏差在1℃以内，湿度同样可进行控制，保证恒温恒湿。且在试验箱外有显示屏可直观显示试验箱内实时温度及湿度。

　　通过1根与现场水源管径一致的管道接通试验现场水源，通过异径接头接到总进水管上，将水流通进现场的保温水箱，试验水温达到1～3℃开始测试。进水管上安装与进水管管径一致的球阀，该球阀可关闭或开启用于测试水流静止或流动状态这2种情况。经球阀后通过三通将水流分为三路:一路安装2根立管，立管测试部分均用活接头连接，方便拆装测试管道，之后再通过异径接头变径为可安装活接头对水表进行测试;另一路同样安装2根立管，立管测试部分均用活接头连接，方便拆装测试管道;最终三路各自通过异径接头变径为与进水管管径一致，再通过三通流出后形成循环再接入进水管。

　　因此，该试验装置可同时测试4组立管，大大减少了测试时间及测试成本。本次仅对立管试验进行分析。试验在4根测试立管上分别安装1个温度传感器，分别测试立管水温1、立管水温2、立管水温3、立管水温4，在试验箱内安装1个温度传感器用来测试环境温度，可输出模拟量信号，通过信号转换器至数据采集系统直观显示。立管爆管的原因是管道内水结冰导致体积增大，对管道产生压力，当压力强度及压力时间达到一定程度时，管道将会爆裂。不管何种管材的管道，只要内部水流达到结冰所需冰点温度(0℃)，管道爆裂只是时间长短的问题。因此，本试验主要是测试不同情况下不同管材内水温下降至0℃的趋势及时间。

　　2.2立管测试试验步骤及参数设置

　　立管测试试验操作步骤是在管道内充满水后将前后闸门关闭，使管道内水流保持静止，并使用增压泵使管道内水压保持在0.3MPa左右(模拟正常立管供水压力)[4-5]。

　　测试24h，通过数据采集系统观察立管内水温，若水温逐步降至0℃则试验立即结束。若24h内水温一直未下降至0℃，测试24h后试验也立即结束。给水管网立管在严寒天气条件下发生冻裂的因素有很多，如环境温度、管道材质、管道新旧、管径大小、管道长度、管道内水流状况以及是否加盖保温棉等[6-8]。通过前期研究，发现管径和管长对试验结果几乎无影响，因此，按照某小区旧管道的管径大小以及控温试验箱的实际大小，选择管长3m(“∩”型管道总长度为3m)、管径为DN40的立管进行试验。

　　另外，前期研究中管道内水流只有处于静止状态时才会发生冻裂等损坏，因此，本试验针对管道内水流处于满管静止状态下的立管进行深入研究。接下来将通过控制变量的方法对管道材质、管道新旧以及是否加盖保温棉3个因素进行立管试验分析。对3种材质的立管(内衬塑镀锌管、PPR管和不锈钢管)、3种保温棉厚度下(裸露状态、包裹25mm保温棉和包裹40mm保温棉)、2种环境温度(-5、-10℃)、1种管径(DN40)、1种管道长度(3m)、1种管道内水流状态(满管静止)、2种管道新旧以及不锈钢管的4种连接方式(环压、焊接、单卡压和双卡压)下的48种不同组合的立管抗低温性能测试试验，进行试验记录立管内水温降至0℃的过程。

　　3立管测试试验结果与分析

　　3.1管道材质对立管抗低温性能的影响

　　对不锈钢管、PPR管和内衬塑镀锌管3种材质的立管管道进行抗低温性能测试[9]。由于不锈钢管之间有4种连接方式:环压、焊接、单卡压和双卡压，本试验也一并考虑。不同环境温度下(-5、-10℃)不同保温棉厚度(0、25mm和40mm)的不同材质立管管道内水温降至0℃的时间分布。在裸露状态下(保温棉厚度为0mm)，各种材质立管内水温降至0℃的时间无明显差异;但在包裹25mm保温棉及40mm保温棉厚度的情况下，PPR管的抗低温性能最差，虽然PPR管具有良好的保温耐热性能，但其抗低温性能却不及其他材质的立管。

　　3.2保温棉厚度对立管抗低温性能的影响

　　对各个立管包裹不同厚度的保温棉进行立管管道的抗低温性能测试。选择立管裸露状态(0mm)、包裹保温棉厚度为25mm和40mm这3种变量因 素进行试验，并分别在-5℃和-10℃的环境温度下进行。分别为-5℃和-10℃的环境温度下，包裹不同保温棉厚度立管管道内水温降至0℃的时间分布。同等材质的立管，在-5℃环境温度下立管内水温降至0℃比-10℃环境温度下立管内水温降至0℃时间长。

　　由2种环境温度下立管内水温降至0℃所需时间可知，裸露状态下的立管的抗低温性能最差，包裹40mm厚度保温棉的立管的抗低温性能最佳。由包裹保温棉的效果可知:包裹25mm厚度的保温棉能够将原先处于裸露状态下的不锈钢管、内衬塑镀锌管和PPR管的抗低温性能提高4.1倍、4.4倍和2.7倍;包裹40mm厚度的保温棉能够将不锈钢管、内衬塑镀锌管和PPR管的抗低温性能提高6.2倍、6.6倍和4.5倍。因此，包裹保温棉的措施对不同材质的立管的抗低温性能的提高均有效果，包裹保温棉厚度越厚对立管内水温保温效果越好，即立管的抗低温性能就越好，其中，对内衬塑镀锌管和不锈钢管的抗低温性能的提高最显著。

　　4结语

　　(1)在不同环境温度和不同保温棉厚度的条件下，3种管道材质中，不锈钢管道对立管内水温保温效果最好，即不锈钢管的抗低温性能最好。但当环境温度达到-10℃时，不锈钢管和内衬塑镀锌管的抗低温性能都较好。未来苏州工业园区立管铺设可根据现场实际需求，并综合考虑管道特性及成本等因素进 行管道材质的选择，使管道材质选择达到最优化。

　　(2)由保温棉厚度的分析可知，包裹保温棉厚度越厚对立管内水温保温效果越好，即立管的抗低温性能越好，且包裹保温棉的措施对内衬塑镀锌管和不锈钢管的抗低温性能的提高最显著，包裹40mm厚度的保温棉最大能将立管的抗低温性能提高6.6倍。因此，在寒冷气候下，用户可使用保温材料对家中的水管立管进行包裹，这样通过简单的保护措施能够避免立管冻裂的情况发生，从而保证居民的用水安全。

　　(3)从新旧程度不同的管道来看，相同环境温度、相同管道材质和相同保温措施下，并不是新管道的抗低温性能就高于旧管道的抗低温性能，旧管道中的结垢物反而能影响其抗低温性能。因此，在关注旧管道防冻裂的同时，也不能忽略对新管道的防护。

　　参考文献

　　[1]范华勇.寒冷地区地高层建筑消防给水系统的设计[J].建筑科学，2013(9):175-175.

　　[2]孟潇.基于SuperMap供水管网爆管事故分析研究[D].西安:西安理工大学，2010.

　　[3]乔俊飞，魏静，韩红桂.基于改进NSGA2算法的给水管网多目标优化设计[J].控制工程，2016(12):1861-1866.

　　[4]刘海星.给水排水管网系统耐受度指标体系的研究与应用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2015.

　　[5]安楚雄.低温冻害天气对中部地区供水设施的影响及对策[J].城镇供水，2008(5):14-16.

　　[6]柳春光，何双华.给水管网系统抗震加固优化策略研究[J].工程抗震与加固改造，2009，31(6):99-102.

　　[7]薛士科，刘万，石风华，等.给水管网爆管原因分析及防治对策[J].山东冶金，2007(1):35-37.

　　作者：潘婷婷，吉海娜，肖健，袁陆妗

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