供水管道管材的特性及應用綜述

李相宜，趙 蓓，游曉旭，張永坡，李玉仙,韓雪嬌

(北京市自來水集團有限責任公司，北京市供水水質工程技術研究中心，北京 100031)

隨著城市化推進，水資源日益緊張，城市對水量和水質安全的要求逐步提高，確保城市供水安全有利于經濟發展和社會穩定。對于水質安全，不僅需要關注出廠水水質，輸配過程也不容忽視。自來水從水廠到用戶終端要經過長時間的管網輸送，水在管網中的滯留時間可能長達數日[1]。研究表明，出廠水經過供水管網輸送，各項水質指標有發生明顯變化甚至超出國標限值[2-5]。因此，除出廠水自身水質對供水水質有影響外，在供水過程中管道的材質、使用年限、施工[6]等因素都可能對水質產生影響。

目前，在用的供水管材主要分為金屬、非金屬和復合管材3大類。金屬管材中，DN100以上的配水干管早期多采用灰口鑄鐵管，耐磨性好、造價低，但存在易老化漏損的問題，正在逐步更換為強度高、耐腐性好的球墨鑄鐵管；小口徑配水管線包括樓內立管多為鍍鋅鋼管，但是早期采用的冷鍍鋅鋼管易腐蝕結垢，而不銹鋼管因其安全性能好、不易老化、強度高，正逐步替代鍍鋅鋼管被推廣采用。供水中在使用的非金屬管材為聚氯乙烯管(polyvinyl chloride，PVC)、聚乙烯管(polyethylene，PE)、無規共聚聚丙烯管(pentatricopeptide repeats，PPR)和硬聚氯乙稀管(unplasticized polyvinl chloride，UPVC)，都具內壁光滑、不易結垢的優點，但需關注其制造過程中使用的添加劑和重金屬溶出的風險。復合管材有涂塑不銹鋼管和襯塑不銹鋼管，結合鋼管和塑料管的優點，使用壽命長，抑菌性能好。

本文針對不同輸水管材對水質的影響，總結上述3類供水管材的特性、適用條件、連接方式的優缺點和應用情況，并重點對比分析各種管材對供水水質影響方面的研究進展，以期為供水輸配管網管材選擇和管網水質管理提供參考。

1 金屬管材

金屬管材是城市供水系統中最常見的管材，包括灰口鑄鐵管、球墨鑄鐵管、不銹鋼管和銅管等。據統計，2004年全國供水管網中金屬管材使用率高達86%，其中使用最多的是鑄鐵管和鋼管[7]。因此，本文對于上述金屬管材的特性及優缺點進行適用性分析，并重點關注金屬腐蝕、漏損等易影響供水安全的因素。

1.1 灰口鑄鐵管

灰口鑄鐵管機械加工性能良好，制作工藝成熟，價格較低，在我國應用范圍廣，市政供水DN100～DN1000的管道中均有使用，多用于中小口徑管道，可采用承插式和法蘭式兩種方式連接。其優點主要是耐磨性好、造價低、材料購買容易，而且對輸水水質有一定保障。灰口鑄鐵管作為我國城鎮供水管網的主要管材被廣泛使用，因其易老化漏損，正逐步被球墨鑄鐵管等新型管材替代，但目前仍然有部分老舊管路為灰口鑄鐵管[8]。

金屬管道腐蝕是一個復雜問題，受供水系統中物理、化學和生物等各種因素影響。在城市供水領域，灰口鑄鐵管腐蝕主要是電化學腐蝕，生成管垢的主要成分是鐵氧化物[8-9]。王皓昉[10]采用灰口鑄鐵掛片模擬試驗，運用灰色關聯法，根據平均和瞬時腐蝕速率分析得到影響灰口鑄鐵腐蝕的因素重要性排列為：余氯>氯化鈉>溶解氧>溫度>pH。低余氯、低溶解氧環境引起的硫酸鹽還原菌過量生長也是導致管道內壁腐蝕、釋放鐵離子的重要因素之一[11]。灰口鑄鐵管被腐蝕后形成無規則分布的瘤狀突起，影響內壁光滑度，不僅限制輸水流量，引起管內流體流態紊亂、壓力和流速分布不均，增加水頭損失，且隨管道使用年限延長而加劇，會導致管道穿孔、漏損概率增大[8-9]。被腐蝕后的管道在水源水質發生改變時，會因內壁腐蝕層的鐵釋放導致“紅水”、“黃水”問題[12-14]。前期研究發現，灰口鑄鐵管內管垢層特性與水源切換后是否發生“黃水”有直接關系。沒發生過“黃水”的灰口鑄鐵管段內壁腐蝕物較多，管垢瘤狀物外部具有堅硬致密氧化層，內部結構疏松；發生過“黃水”的灰口鑄鐵管段管垢較薄，局部有瘤狀物[15]。不同供水區域灰口鑄鐵管腐蝕情況不同，輸送地表水廠管網前端和末梢管段管垢豐富且厚，而輸送地下水廠供水區域管垢較少且薄[15]，且長期通地表水形成的管垢比長期通地下水形成的管垢穩定[16]。供水灰口鑄鐵管管垢的鐵釋放速率也與消毒劑和輸送水源類型有關，長期使用氯胺消毒的灰口鑄鐵管段鐵釋放速率高，使用次氯酸鈉消毒的管段鐵釋放速率較低，在同為次氯酸鈉消毒的情況下，地下水管段切換水源后穩定性較差，鐵釋放速率加快，而地表水管段穩定性較好，不易出現“黃水”[17]。使用年限長的灰口鑄鐵管內壁會形成生物膜，為微生物提供良好棲息地，增加供水的生物不穩定性。王薇[18]研究了灰口鑄鐵管、球墨鑄鐵管、鍍鋅管、不銹鋼復合管和塑料管5種管材管段中生物膜的微生物數量和群落結構，發現灰口鑄鐵管銹蝕程度明顯高于其他管段，且細菌總數最高。此外，灰口鑄鐵材質較脆、延展性低，抗沖擊、抗震能力較差，重量大，發生接口漏水、折管和爆管事故的機率較高[19]。

1.2 球墨鑄鐵管

供水管使用的球墨鑄鐵管有硅酸鹽水泥砂漿內襯，可避免鐵質管道與水直接接觸，故其抗腐蝕性優于無內襯灰口鑄鐵管，是目前常用的市政供水管材之一。球墨鑄鐵管多用于供水主干管，主要適用于DN100～DN2000管道，特別是在DN400～DN1000價格優勢明顯[20]。物理性能方面球墨鑄鐵管具有強度高、防腐性能良好的優點，是室外埋地供水主管的首選材料。球墨鑄鐵管安裝后密閉性和抗腐蝕性好，內外承壓性能好[20]。陳能等[21]對基于管材分類的供水管網爆管風險的研究中發現，球墨鑄鐵管在與灰口鑄鐵管占有率接近的情況下，歷史記錄爆管次數比例僅為灰口鑄鐵管的1/3，爆管風險低、可靠性高。水質保障方面，球墨鑄鐵管因有水泥砂漿內襯，金屬和水不直接接觸，長期使用不易腐蝕，水質穩定性高。球墨鑄鐵管常用連接方式為承插式連接。

但含水泥砂漿內襯的球墨鑄鐵管在通水初期可能對水質有影響。孫俊峰等[22]研究發現，新鋪設的球墨鑄鐵管運行初期，出現鋁、硅、鈣、鎂等溶出和pH升高的現象，運行12 d后可基本恢復正常，建議新管道嚴格規范沖刷消毒流程，并盡量避免新鋪設管網發生長期浸泡情況。球墨鑄鐵管的水泥砂漿內襯會因溶蝕、結晶膨脹和結晶分解復合3種機理而破壞[23]。在長期輸水條件下，當水中鈣離子濃度低、水質呈酸性、含一定濃度的氯離子時，會發生氫氧化鈣溶解或脫鈣形成的鈣溶蝕損傷和氯鹽腐蝕引起的鑄鐵銹蝕破壞，導致球墨鑄鐵管耐久性下降、服役壽命縮短[24]。內襯完整的球墨鑄鐵管抗腐蝕性好，但內襯剝落后腐蝕速度加快。張茹芳[25]研究表明，內襯大部分脫落的球墨鑄鐵管金屬腐蝕與水泥砂漿溶蝕間存在協同促進作用，再生水靜態浸泡條件下腐蝕速度較快，鐵釋放量大，渾濁度波動明顯。

1.3 鍍鋅鋼管

鋼材暴露在空氣中或埋在土壤里均會因腐蝕造成結構損壞，因此，工程中常在鋼材表面鍍鋅防止鋼管生銹及組織破壞。鍍鋅鋼管作為輸送飲用水的主導材料被許多發展中國家選用，也常作為建筑內部燃氣、暖氣管使用。常用的鍍鋅方式有冷鍍鋅和熱鍍鋅兩種。冷鍍鋅鋼管鋅層薄，鍍鋅量較少，鍍層不均勻，鋅層和鋼互相獨立，鍍層容易剝落，耐腐蝕性較差。北京市發布的《關于公布第二批12種限制和禁止使用落后建材產品目錄的通知》(京建材〔1999〕518號)中規定，因冷鍍鋅鋼管污染飲用水，從2000年1月1日起居住建筑供水系統不允許使用。熱鍍鋅鋼管不僅鋅層厚、鍍層均勻，而且熔融金屬鋅和鐵基體相互反應生成合金層，使鍍層與基體貼合緊密，耐腐蝕性強，使用壽命長[26]。鍍鋅鋼管常見的連接方式為焊接、溝槽卡箍連接、法蘭連接、絲接和承插口連接。

在鍍鋅鋼管的腐蝕中均勻腐蝕、點蝕、金屬釋放等均較常見。研究報道，使用時間15年左右的鍍鋅鋼管內壁腐蝕嚴重，水在管道中停留會導致渾濁度、鋅等超標，水質隨滯留時間延長而逐漸變差[27]。長期使用的鍍鋅鋼管壁形成的腐蝕瘤內核為疏松多孔結構，固液共存態的內核層為微生物良好棲生場所，在微生物和電化學的共同作用下加速管道腐蝕[28]。鍍鋅鋼管不適宜在濕熱環境下使用，在高于60 ℃熱水中或環境溫度為60～120 ℃時，鋅變為正極，促進鋼鐵腐蝕[29]。鍍鋅鋼管若使用焊接，焊縫處易發生漏損[30]。

1.4 不銹鋼管

隨著供水水質要求提高，世界上許多國家在供水方面推廣應用不銹鋼管道。不銹鋼管抗腐蝕能力強、使用壽命長、環保、經濟性良好，是常見的管道材料之一，在市政管網、室內供水管和消防供水管均可使用。美國國家衛生基金標準(ANSI/NSF 61—1997a)規定，用于飲用水的金屬管道只允許使用不銹鋼和球墨鑄鐵管，且符合該標準要求的第一批材料為304/304L、316/316L不銹鋼[31]。其中，304L與316L的含碳量較低，具有較好的抗晶間腐蝕性[32]。厚壁不銹鋼管不僅可用焊接、法蘭、溝槽連接，還可用螺紋連接[30]，薄壁不銹鋼管適合二次供水使用，采用雙卡壓連接，施工方便，接口安全性能高[33-34]。

不銹鋼中所含鉻元素可增強不銹鋼抗腐蝕性能，使其防腐性能高于碳鋼基體[35]，不易老化，強度高、耐高溫性能優于塑料管，耐腐蝕性優于鍍鋅鋼管，且不會出現雙金屬復合管的電位差腐蝕[31]。特別是DN15～DN50的薄壁不銹鋼管，能滿足耐壓要求，且價格經濟，卡壓連接方式牢固可靠[36]。

但是，不銹鋼管和球墨鑄鐵管共存于供水管網時，存在電偶腐蝕風險。張海亞等[37]研究發現，304 不銹鋼和球墨鑄鐵偶合后，304不銹鋼作為陰極受保護而腐蝕減緩，球墨鑄鐵作為陽極腐蝕加劇，特別是當陰極面積增大，形成大陰極和小陽極時，會使電偶電流集中于小陽極上，導致局部嚴重腐蝕。建議在實際管道應用中，盡量避免局部水泥砂漿內襯脫落的裸露球墨鑄鐵與大面積304不銹鋼管直接連接，降低發生電偶腐蝕的風險。笱秀麗等[38]研究管材對直飲水水質的影響發現，不銹鋼管長時間浸泡會出現渾濁度上升和水中鎳含量超標的問題，因此，使用不銹鋼管材時，應關注鎳溶出問題，且盡量避免水在管內長時間滯留。

此外，不銹鋼管長期通水后會發生微生物腐蝕(MIC)，微生物產生酸破壞不銹鋼鈍化層，導致不銹鋼點腐蝕和縫隙腐蝕，王睿[36]對薄壁不銹鋼管在生活供水中腐蝕性研究發現，微生物腐蝕輸送自來水的薄壁不銹鋼時，細菌總數和TOC 與薄壁不銹鋼的腐蝕速率具有顯著相關性，可作為微生物腐蝕薄壁不銹鋼管的典型水質指標。外部環境也是不銹鋼腐蝕的影響因素之一，在環境中存在硫元素與氯元素的共同作用下會加劇不銹鋼管道腐蝕破壞，促進晶間腐蝕發生[39]。

1.5 銅管

銅管多用于歐美發達國家供水管網，目前在國內建筑供水管中應用較少[27]。由于銅離子的溶出，銅管對管道內壁微生物生長有一定抑制作用[38]。銅管還具有局部漏損自修復能力，在0.14～0.28 MPa的環境下，pH值為3.0～11.0時,銅管對于局部直徑小于150 μm的漏點可通過腐蝕沉淀自我修復[40]。然而，銅管造價高，且存在銅離子溶出超標問題。茍秀麗等[38]研究發現直飲水浸泡銅管1 h后，水中銅離子超標。周澤婷等[41]研究發現，相同環境下用銅管輸送pH較低的自來水，銅離子更易超標，且銅管內壁鈍化工藝不到位也是銅離子溶出的原因之一。因此，應選擇安全合規的銅制管材，避免長期攝入過量銅離子對人體造成不利影響。

2 非金屬管材

非金屬管材包括水泥管和塑料管(PVC、PE、PPR、UPVC等)。其中，普通水泥管雖然仍在國內供水管網中占有相當比例，但其抗沖擊和抗腐蝕能力差，易結垢、裂損，是《全國城市供水管網改造近期規劃(2006年—2007年)》的重點改造更換管材之一。塑料管材正在逐步推廣應用，國家“十五”發展目標要求2015年國內建筑供水、熱水系統60%使用塑料管材，城市供水管道(DN400以下)塑料管使用率達50%[42]。因此，本節僅討論塑料管材特性及研究結果，主要分析非金屬管材有機物和添加劑溶出等與水質安全直接相關的因素，綜合上述4種非金屬管材自身特性，總結各管材的適用條件。

2.1 PVC管

PVC管是國內推廣最早的給排水塑料管材[43]，也是目前使用最多的塑料管材，2010年PVC管道占塑料加工產業生產總量的55%[44]。PVC管材密封性好，不透氧，不易腐蝕，材質輕便，便于安裝，內壁光滑，粗糙系數很小，對流體阻力小[45]。材質無毒無味，適合作為供水管。PVC管常用連接方式有法蘭連接、膠水黏接和橡膠圈密封。

PVC樹脂不耐熱，加熱后管材變脆，抗沖強度下降，導致管材易損壞，并且環境溫度過高也會導致PVC單體和添加劑滲出，對水質造成污染，因此，不適合輸送溫度過高的水，也不適合作為消防供水管[46]。PVC管在制造過程中會添加增塑劑，以降低高聚物的加工溫度，鄰苯二甲酸酯是常用增塑劑的一種，長期超量攝入會嚴重影響人體內分泌系統，部分PVC管材浸泡一定時間后，通過氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)可檢測出鄰苯二甲酸酯(PAEs)溶出[47]。重金屬銻常作為縮聚反應的催化劑使用，因此，PVC管還有重金屬銻溶出風險，銻毒性強，長期超量攝入會對人體肌肉造成不可逆的損傷。管材中重金屬銻的總量超過標準限值時，長期浸泡銻可能遷移到飲用水中，增大飲用水的不安全性[48]，因此，在選購管材時應選擇合格的管材，規避風險。

2.2 PE管

PE管適用于較小管徑，隨著管徑提升，PE管的經濟性能下降，一般適用于DN500以下，壓力小于1.6 MPa的供水管道[20]。物理性能方面，PE管內壁光滑，不易結垢，耐腐蝕性好，對埋管土壤要求不高，能長時間保持硬度[49]，且質量輕，運輸方便。此外，PE材料環保，報廢后可回收，對環境污染小。目前，針對PE管已經有《供水用聚乙烯管道國家標準》(GB/T 13663—2017)。PE管常用連接方式有熱熔連接、電熔連接、熱熔承插式連接、法蘭連接、鋼塑過渡接頭連接。

PE管不能長時間在高溫環境下使用，在陽光照射下，高溫加快管材老化，影響PE管道的耐壓性能，縮短壽命[50-51]。PE管因管材內表面殘留了較多低分子量有機物，新管使用初期會快速釋放有機物。張玲等[52]對比UPVC、PPR和PE這3種常見供水塑料管材輸配水過程中有機物釋放發現，經過相同時間浸泡，PE管有機物釋放量最多。此外，管網中存在“死水區”時，由于水體與管材表面長時間接觸反應，管材釋放的有機物質累積，易導致水質問題。

2.3 PPR管

PPR管常作為建筑內部住宅橫干管和立管使用[53]。已有國家標準《冷熱水用聚丙烯管道系統》(GB/T 18742.1—2017)。PPR材料使用壽命長[54]，在1.0 MPa、70 ℃環境下使用壽命超50年[55]。PPR管內壁抑菌效果好，耐腐蝕性好，不易結垢。重金屬(錳、鋅、銅、鐵、鉛、鎳、鎘)溶出方面表現優秀，經過試驗僅檢測到少量溶出，且溶出量均在安全合理范圍內。高昂等[56]通過長期浸泡試驗考察PPR管中鐵、錳、銅、鋅、鉛、鎘、鎳7種重金屬離子的溶出，其中PPR 管材樣品全程未檢出銅、鐵、鎳離子。此外，PPR管廢棄后物料可回收，節能環保。PPR管常用連接方式為熱熔接、鞍形對接和鋼塑法蘭連接[57]。

PPR是可燃材料，不可用于消防供水系統，且PPR不抗紫外照射，在長時間紫外線照射下易老化。此外，PPR管膨脹系數大，不能長期在100 ℃以上的環境工作，如在建筑內部輸送熱水時，由于熱伸縮會引起管道局部凸起，造成管道結構損壞[58]。

2.4 UPVC管

UPVC管是美國常用的塑料管材，每年消耗量大。自“十五”規劃《國家化學建材產業“十五”計劃和2010年發展規劃綱要》頒布以來，我國也逐漸將UPVC管材投入使用[59]。UPVC管材具有內壁光滑，不易結垢，抗腐蝕能力強的優點，而且質地堅硬，相比于其他塑料管材硬度較高。樊繼鵬等[60]在靜態環境下進行了UPVC、PPR和PE 3種塑料管材的總有機碳析出量(TOC)分析，發現盡管這3種管材TOC析出量均符合衛生指標，但UPVC管材TOC析出量明顯小于其余兩種同類管材，說明UPVC在有機物溶出方面具有優越性。UPVC管材目前已經有《供水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》(GB/T 10002.1—2006)。

UPVC施工具有優勢，易連接，常用連接方式為承插式黏結、承插式膠圈連接、法蘭連接。管徑大于100 mm的UPVC管主要連接方式為承插式膠圈連接，管徑小于100 mm的UPVC管材采用黏合劑黏接[61]。但黏接劑使承插式連接產生阻力，導致插入深度不足，且膠黏管材連接強度不夠，通水后易發生漏損。因此，UPVC管材連接的過程中應嚴格按照規范操作，并做好管道后期養護工作[58,62]。雖然UPVC管材連接便捷，但承插連接過程中容易出現裂紋、漏水，安裝過程嚴格按照施工規范進行操作，可在極大程度上避免管材裂損。

UPVC管材熱穩定性較差，不宜長期在高溫或低溫環境下使用，長期高溫環境會使管材變黃、老化，添加辛基錫穩定劑的UPVC管材熱穩定性優于添加其他穩定劑的同種管材[63]。氣溫低于10 ℃時，管材受冷脆性增大，此時盡量不進行施工，避免管道漏損[64]。此外，部分UPVC管材添加鉛鹽穩定劑，長期通水會有少量鉛溶出，UPVC管材鉛溶出量高于PE管。Zhang等[65]在靜態條件下使用自來水和再生水進行鉛浸出泡管試驗發現，UPVC管鉛釋放速率會隨pH降低和溫度升高而增加。在水中存在氯胺的情況下，鉛釋放速率比在水中存在游離氯時更快。

3 復合管材

鋼塑復合管是2004年被建設部列為科技成果的一種新型管材。鋼塑復合管具有鋼管和塑料管兩者的優點，在供水工程的應用中具有較大優勢，是一種高性能、多用途、環保型復合管材[66]，鋼塑復合壓力管是替代中大口徑鍍鋅鋼管的理想管材[67]。在三峽工程管網改造建設過程中也大量使用了鋼塑復合管[68]。

鋼塑復合管道以無縫鋼管、焊接鋼管為基管，多為內壁附著塑料材質。鋼塑復合管按工藝不同分為襯塑和涂塑兩種[69]。襯塑不銹鋼復合管可作建筑內部供水引入支管，美觀實用，內涂塑復合管涂層均勻，內壁光滑，物化性能穩定[70]，可用作供水干管和供水支管，也可用于管廊內架空敷設[71]。內外涂塑復合管可有效解決管道腐蝕問題，一般暗裝或埋地敷設，也可作建筑消防供水管[72]。鋼塑復合管常見連接方式有法蘭連接、溝槽連接和螺紋連接3種[73]。

鋼塑復合管結合鋼管和塑料管的優點，使用壽命長。研究表明，日本的鋼塑復合管在沒有外腐蝕的情況下，使用壽命可以達到建筑物的使用壽命[74]，即使在高溫和強紫外線輻射條件下，使用壽命也在50年以上[75]。鋼塑復合管較其他塑料管而言，耐熱性好，因此，可用于住宅和商業樓宇的給排水系統的冷熱水管道。鋼塑復合管以塑料作為內壁，耐腐蝕性好，耐化學腐蝕，耐土壤和海洋生物腐蝕，耐陰極剝離。鋼塑管以鋼管作為基材，穩定性強，抑菌性好，鋼塑復合管不容易附著微生物，相同浸泡時間鋼塑復合管內壁微生物數量少于PPR管，對水質安全起到保障作用[76]。

質量合格的鋼塑復合管性能優秀，但質量較差的涂塑復合管內層容易剝落，內襯碎片有堵塞管道的風險，而且內襯脫落處暴露鋼層易發生腐蝕。襯塑復合管常見損壞形式是內襯塑料層與鋼基層分離，導致管內徑縮小，加重管線壓損[77]。

綜合上述對金屬、非金屬、復合管材3類管材的特性和研究情況，匯總各類管材的適用條件、優缺點、應用現狀和研究重點，如表1所示。

表1 供水管材特性、應用現狀及研究重點

4 問題與展望

保障飲用水安全需要綜合考慮從水源到用戶龍頭的整個系統，供水管網是確保用戶終端水質安全的重要環節。對于目前在用的金屬、非金屬、復合管材，需根據各管材特性和適用條件進行管理和風險防控。金屬管材因其強度高、耐磨性和耐熱性好，通常作為室外供水管材，特別是球墨鑄鐵管和不銹鋼管的抗腐蝕能力與灰口鑄鐵管相比有較大提高。但是，仍需關注球墨鑄鐵管水泥砂漿內襯部分脫落后，與金屬腐蝕的協同促進作用對水質的影響，以及其與不銹鋼管在管網中共存時發生電偶腐蝕的風險。非金屬管材具有輕便、內壁光滑、不易結垢、抗腐蝕性強的優點，常用作建筑內部供水管，但需注意使用初期和管道內水停滯時間較長的情況下，有機物、增塑劑和重金屬添加劑如銻、鉛溶出的風險。復合管材是新型管材，結合鋼管和不銹鋼管二者的優點，性價比高，經濟性能良好，在未來還有較大發展空間。