給水立管的抗低溫性能試驗分析

潘婷婷，吉海娜，肖 健，袁陸妗

(蘇州工業園區清源華衍水務有限公司，江蘇蘇州 215021)

在2016年1月的世紀寒潮影響下，蘇州工業園區給水管道漏水及水表冰裂情況嚴重，對居民正常用水造成了廣泛且持久的影響[1-2]。給水關系民生問題，因此，需從教訓中吸取經驗，對各類立管抗低溫性能進行研究，在面對下一次寒潮時能做到將影響降至最低。

小區給水立管是指豎向布設在多層或高層建筑物上，聯通單元總管到用戶水表之間的給水管道，是供水系統的最末端[3]。本試驗主要研究給水管網立管在嚴寒天氣條件下，管道凍裂與氣溫、管道材質、管徑、是否受風、管道內水流狀況、是否加蓋保溫棉的關系，做到未雨綢繆提前對給水管道進行保護措施，確保在下一次寒潮到來之際能夠有條不紊地應對，達到安全穩定給水的目的。

1 蘇州工業園區住宅立管概況

截至2015年底，根據立管材質、管道口徑和鋪設方式3個方面統計的立管數據可知如下。(1)立管材質：內襯塑鍍鋅管占蘇州工業園區立管總量的79.3%；其次是PPR管，占蘇州工業園區立管總量的8.5%；剩余為PVC管、不銹鋼管、鋁塑管以及PE管，其中，不銹鋼管使用量雖然僅占到總量的1.8%，卻是超高層小區必備的材質。(2)管道口徑：立管口徑主要集中在DN40～DN50，占總量的62.3%。(3)鋪設方式：立管鋪設位置分為樓梯間、管道井和外墻壁這3種，其中：位于管道井的立管占總量的61.0%，樓梯間立管占比30.0%，外墻壁立管占比9.0%。

如表1所示，對蘇州工業園區在2016年寒潮下損壞的立管從管徑、材質和損壞原因3方面進行分類統計，可知管徑DN15～DN40的立管占所有損壞立管的56.8%，內襯塑鍍鋅管占損壞總量的73.0%，對于立管損壞原因主要為凍裂和管道老化。另外，內襯塑鍍鋅管的破壞量占該材質管道使用量的22.8%，PPR管、不銹鋼管占比分別為57.9%和12.5%。

表1 損壞立管分類統計Tab.1 Classification Statistics of Damaged Risers

2 立管測試試驗

2.1 立管測試試驗原理

進行立管測試試驗的控溫試驗箱如圖1所示，該試驗箱型號為CH331P，內部長高寬為3 470 mm×2 200 mm×2 570 mm，體積達到20 m3。能控制在恒溫狀態下，溫度調節為-40～80 ℃，可手動設置且溫度可恒定。當溫度降至設置所需溫度時，偏差在1 ℃以內，濕度同樣可進行控制，保證恒溫恒濕。且在試驗箱外有顯示屏可直觀顯示試驗箱內實時溫度及濕度。圖2為需進行測試的給水管網立管測試的現場設備。

圖1 控溫試驗箱Fig.1 Experiment Box of Temperature Control

圖2 立管測試試驗設備圖Fig.2 Equipment Diagram of Riser Test Experiment

立管測試試驗原理如圖3所示，通過1根與現場水源管徑一致的管道接通試驗現場水源，通過異徑接頭接到總進水管上，將水流通進現場的保溫水箱，試驗水溫達到1～3 ℃開始測試。進水管上安裝與進水管管徑一致的球閥，該球閥可關閉或開啟用于測試水流靜止或流動狀態這2種情況。經球閥后通過三通將水流分為三路：一路安裝2根立管，立管測試部分均用活接頭連接，方便拆裝測試管道，之后再通過異徑接頭變徑為可安裝活接頭對水表進行測試；另一路同樣安裝2根立管，立管測試部分均用活接頭連接，方便拆裝測試管道；最終三路各自通過異徑接頭變徑為與進水管管徑一致，再通過三通流出后形成循環再接入進水管。因此，該試驗裝置可同時測試4組立管，大大減少了測試時間及測試成本。本次僅對立管試驗進行分析。試驗在4根測試立管上分別安裝1個溫度傳感器，分別測試立管水溫1、立管水溫2、立管水溫3、立管水溫4，在試驗箱內安裝1個溫度傳感器用來測試環境溫度，可輸出模擬量信號，通過信號轉換器至數據采集系統直觀顯示。

圖3 立管測試試驗原理圖Fig.3 Schematic Diagram of Riser Test Experiment

圖4 不同材質立管管道內水溫降至0 ℃的時間分布Fig.4 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipes with Different Materials

立管爆管的原因是管道內水結冰導致體積增大，對管道產生壓力，當壓力強度及壓力時間達到一定程度時，管道將會爆裂。不管何種管材的管道，只要內部水流達到結冰所需冰點溫度(0 ℃)，管道爆裂只是時間長短的問題。因此，本試驗主要是測試不同情況下不同管材內水溫下降至0 ℃的趨勢及時間。

2.2 立管測試試驗步驟及參數設置

立管測試試驗操作步驟是在管道內充滿水后將前后閘門關閉，使管道內水流保持靜止，并使用增壓泵使管道內水壓保持在0.3 MPa左右(模擬正常立管供水壓力)[4-5]。測試24 h，通過數據采集系統觀察立管內水溫，若水溫逐步降至0 ℃則試驗立即結束。若24 h內水溫一直未下降至0 ℃，測試24 h后試驗也立即結束。

給水管網立管在嚴寒天氣條件下發生凍裂的因素有很多，如環境溫度、管道材質、管道新舊、管徑大小、管道長度、管道內水流狀況以及是否加蓋保溫棉等[6-8]。通過前期研究，發現管徑和管長對試驗結果幾乎無影響，因此，按照某小區舊管道的管徑大小以及控溫試驗箱的實際大小，選擇管長3 m(“∩”型管道總長度為3 m)、管徑為DN40的立管進行試驗。另外，前期研究中管道內水流只有處于靜止狀態時才會發生凍裂等損壞，因此，本試驗針對管道內水流處于滿管靜止狀態下的立管進行深入研究。接下來將通過控制變量的方法對管道材質、管道新舊以及是否加蓋保溫棉3個因素進行立管試驗分析。

對3種材質的立管(內襯塑鍍鋅管、PPR管和不銹鋼管)、3種保溫棉厚度下(裸露狀態、包裹25 mm保溫棉和包裹40 mm保溫棉)、2種環境溫度(-5、-10 ℃)、1種管徑(DN40)、1種管道長度(3 m)、1種管道內水流狀態(滿管靜止)、2種管道新舊以及不銹鋼管的4種連接方式(環壓、焊接、單卡壓和雙卡壓)下的48種不同組合的立管抗低溫性能測試試驗，進行試驗記錄立管內水溫降至0 ℃的過程。

3 立管測試試驗結果與分析

3.1 管道材質對立管抗低溫性能的影響

對不銹鋼管、PPR管和內襯塑鍍鋅管3種材質的立管管道進行抗低溫性能測試[9]。由于不銹鋼管之間有4種連接方式：環壓、焊接、單卡壓和雙卡壓，本試驗也一并考慮。

圖4為不同環境溫度下(-5、-10 ℃)不同保溫棉厚度(0、25 mm和40 mm)的不同材質立管管道內水溫降至0 ℃的時間分布。由圖4可知：在裸露狀態下(保溫棉厚度為0 mm)，各種材質立管內水溫降至0 ℃的時間無明顯差異；但在包裹25 mm保溫棉及40 mm保溫棉厚度的情況下，PPR管的抗低溫性能最差，雖然PPR管具有良好的保溫耐熱性能，但其抗低溫性能卻不及其他材質的立管。從不同連接方式的不銹鋼管來看：環壓、焊接、雙卡壓和單卡壓的連接方式下的不銹鋼管立管內水溫降至0 ℃的時間無明顯差異；僅其中一種條件下的采用焊接方式連接的不銹鋼管立管內水溫降至0 ℃的時間較短，可見焊接的連接方式的管道有造成管道抗低溫性能降低的風險的可能性。從不同環境溫度的角度來看：-5 ℃的環境溫度下，不銹鋼管內水溫降至0 ℃所需的時間最長，包裹25 mm保溫棉的不銹鋼管需12.75 h，包裹40 mm保溫棉的不銹鋼管需18 h；-10 ℃的環境溫度下，包裹相同厚度保溫棉的不同材質的立管管道內水溫降至0 ℃所需的時間基本相近。其中，不銹鋼管和內襯塑鍍鋅管所需時間都較長，PPR管所需時間相比之下較短，包裹25 mm保溫棉的PPR管需4 h，包裹40 mm保溫棉的PPR管需7.5 h。由此可知，不銹鋼管道對立管內水溫保溫效果最好，連接方式對其幾乎無影響。

3.2 保溫棉厚度對立管抗低溫性能的影響

對各個立管包裹不同厚度的保溫棉進行立管管道的抗低溫性能測試。選擇立管裸露狀態(0 mm)、包裹保溫棉厚度為25 mm和40 mm這3種變量因素進行試驗，并分別在-5 ℃和-10 ℃的環境溫度下進行。

圖5和圖6分別為-5 ℃和-10 ℃的環境溫度下，包裹不同保溫棉厚度立管管道內水溫降至0 ℃的時間分布。由圖5和圖6可知，同等材質的立管，在-5 ℃環境溫度下立管內水溫降至0 ℃比-10 ℃環境溫度下立管內水溫降至0 ℃時間長。由2種環境溫度下立管內水溫降至0 ℃所需時間可知，裸露狀態下的立管的抗低溫性能最差，包裹40 mm厚度保溫棉的立管的抗低溫性能最佳。由包裹保溫棉的效果可知：包裹25 mm厚度的保溫棉能夠將原先處于裸露狀態下的不銹鋼管、內襯塑鍍鋅管和PPR管的抗低溫性能提高4.1倍、4.4倍和2.7倍；包裹40 mm厚度的保溫棉能夠將不銹鋼管、內襯塑鍍鋅管和PPR管的抗低溫性能提高6.2倍、6.6倍和4.5倍。因此，包裹保溫棉的措施對不同材質的立管的抗低溫性能的提高均有效果，包裹保溫棉厚度越厚對立管內水溫保溫效果越好，即立管的抗低溫性能就越好，其中，對內襯塑鍍鋅管和不銹鋼管的抗低溫性能的提高最顯著。

圖5 -5 ℃環境溫度下包裹不同保溫棉厚度立管管道內水溫降至0 ℃的時間分布Fig.5 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipe with Different Insulation Cotton Thickness under Surrounding Temperature of -5 ℃

圖6 -10 ℃環境溫度下包裹不同保溫棉厚度立管管道內水溫降至0 ℃的時間分布Fig.6 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipe with Different Insulation Cotton Thickness under Surrounding Temperature of -10 ℃

圖7 不同新舊程度立管管道內水溫降至0 ℃的時間分布Fig.7 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Pipe of Different Risers

3.3 管道新舊程度對立管抗低溫性能的影響

對不同管道材質的新舊管道進行對比試驗[10]，由于取樣的小區中無不銹鋼管，因此，這里僅對PPR管以及內襯塑鍍鋅管的新舊管道進行抗低溫性能試驗。

圖7為不同新舊程度立管管道內水溫降至0 ℃的時間分布。由圖7可知：環境溫度為-5 ℃時，包裹保溫棉厚度為0 mm和25 mm的PPR管(新管道)立管內水溫降至0 ℃所需時間，比相同條件下的PPR管(舊管道)立管內水溫降至0 ℃所需時間分別縮短了20.00%和16.67%，但是，包裹40 mm厚保溫棉的PPR管(新管道)立管內水溫降至0 ℃時間，卻比相同條件下的舊管道內水溫降至0 ℃時間增加了22.22%；環境溫度為-10 ℃時，包裹保溫棉厚度為0 mm和40 mm的PPR管(新管道)立管內水溫降至0 ℃所需時間，比相同條件下的PPR管(舊管道)立管內水溫降至0 ℃所需時間分別增加了16.67%和15.38%，但是，包裹25 mm厚度保溫棉的PPR管(新管道)立管內水溫降至0 ℃時間，卻比相同條件下的舊管道內水溫降至0 ℃時間縮短了27.27%。同樣，對于內襯塑鍍鋅管的新舊不同的管道內水溫降至0 ℃所需時間的數據也與PPR管類似。由此可知，相同材質同一種厚度保溫棉、新舊不同的立管內水溫降至0 ℃時間無明顯規律，有時舊管道內水溫下降慢、有時新管道內水溫下降慢、有時無明顯差異。經過分析，這可能與舊管道內結垢厚度及密度等密切相關，結垢物非金屬材質會對導溫性產生影響[11]，從而影響管道的抗低溫性能。

4 結語

(1)在不同環境溫度和不同保溫棉厚度的條件下，3種管道材質中，不銹鋼管道對立管內水溫保溫效果最好，即不銹鋼管的抗低溫性能最好。但當環境溫度達到-10 ℃時，不銹鋼管和內襯塑鍍鋅管的抗低溫性能都較好。未來蘇州工業園區立管鋪設可根據現場實際需求，并綜合考慮管道特性及成本等因素進行管道材質的選擇，使管道材質選擇達到最優化。

(2)由保溫棉厚度的分析可知，包裹保溫棉厚度越厚對立管內水溫保溫效果越好，即立管的抗低溫性能越好，且包裹保溫棉的措施對內襯塑鍍鋅管和不銹鋼管的抗低溫性能的提高最顯著，包裹40 mm厚度的保溫棉最大能將立管的抗低溫性能提高6.6倍。因此，在寒冷氣候下，用戶可使用保溫材料對家中的水管立管進行包裹，這樣通過簡單的保護措施能夠避免立管凍裂的情況發生，從而保證居民的用水安全。

(3)從新舊程度不同的管道來看，相同環境溫度、相同管道材質和相同保溫措施下，并不是新管道的抗低溫性能就高于舊管道的抗低溫性能，舊管道中的結垢物反而能影響其抗低溫性能。因此，在關注舊管道防凍裂的同時，也不能忽略對新管道的防護。