常用给排水管材管件耐寒能力分析

张 楠，陈静茹，施 均，姜健俊，章若红

(1 上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114；2 东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

常用给排水管材管件耐寒能力分析

张 楠1，2，陈静茹1，施 均1，姜健俊1，章若红1

(1 上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114；2 东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

管材管件是工程建设必须的材料之一。该文介绍了目前常用的给排水管材管件的种类和应用，针对低温严寒天气的气候环境下塑料管材管件的爆裂原因，分析了常用给排水塑料管材管件的耐低温能力和国家标准要求，并提出耐寒防护注意事项。

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管材是用于做管道管件的材料，是建筑工程必需的材料，常用于输送液体介质(水)的有给水管、排水管、雨水管等。管件是用于管道连接时碰头、延长、改向、分支、变径、堵口等的成型零件，输入管道配件，根据连接方法可分为承插式管件、螺纹管件、法兰管件和焊接管件四类，多用与管子相同的材料制成。目前市场常见的管材材质及分类如图1所示。

图1 管材常用材质及分类Fig.1 Common materials and classification of the pipe

1 给排水管材管件应用概述

一般来讲，市政建设给排水用管材主要为室外埋地的大口径水管，多采用涂防锈沥青的铸铁管，中高档高层建筑的冷、热水管多采用钢管、铜管和钢塑/铝塑/铜塑复合管等，普通家庭装修中冷热给水管采用最多的是PP管(主要是PP-R管)，排水常用PVC-U管。

1.1 管材的应用

给排水管道应用选用耐腐蚀和安装连接方便的管材，管材材质的常规选择如下：

(1)冷水系统：塑料管、复合管、薄壁不锈钢管等。

(2)热水系统：热浸镀锌钢管、薄壁不锈钢管、塑料管、复合管等。

(3)埋地给水管道：塑料管、铸铁管等。

因为塑料管优良的性能和低廉的价格，越来越多的应用于输水管道。到2015年，在全国新建、改建、扩建工程中，建筑排水管道85%采用塑料管。

1.2 常用给排水管材的特点和使用情况

铸铁管：铸铁浇注成型，输送量大，强度高，多用于市政建设等，易生锈，多采用涂防锈沥青使用，安装强度和工作量大。

钢管：强度大，耐腐蚀性好，但成本高，多用于高档建筑和高层建筑中。

金属塑料复合管：结合了金属的强度和塑料的韧性和低成本等优点，多用于高档建筑和高层建筑，以及生产高性能管件等。

PP-R管：与传统的铸铁管、镀锌钢管、水泥管等管道相比，PP-R管具有力学均衡性好、节能节材、环保、轻质高强、耐腐蚀、内壁光滑不结垢、施工和维修简便、使用寿命长等优点，是目前家庭装修常用管材。

PVC-U(UPVC)管：具有耐化学腐蚀性好，具备自熄性和阻燃性，耐老化性好、内壁光滑、内壁表面张力小，很难形成水垢，流体输送能力比铸铁管高，安装工作量比钢管小等优点。主要应用于建筑排水、市政排污及雨水排水等领域。但PVC-U管存在韧性低、线膨胀系数大、使用温度范围窄等问题。

PE管：因其卫生指标较高，广泛用于给排水管道，是PVC-U饮用水管的换代产品。

2 管道系统的耐寒能力

2.1 耐寒问题和原因分析

寒冬气候下管道系统(主要是给水管道)冻裂冻爆的情况较常见，特别是近年来的极端严寒气候条件，部分南方地区在基础建设时没有做出足够的耐寒考虑和预防措施，冻裂冻爆给水管道系统的情况多次发生。

在寒冷气候条件下，管材管件中的液体介质(水)在低于其冰点温度时，会发生结冰，堵塞管道，甚至爆裂管道，这主要有以下四个原因：

(1)冰的密度小于水，易在弯节处滞留粘结，减小甚至完全阻止管道中水流的通过。

(2)管材管件低温硬脆，冲击或高压时易破裂，特别是长期处于阳光直接照射/暴晒或高温环境下，塑料材质易老化，强度下降。

(3)同等质量的水，结冰后体积会增大，可能会胀破管壁，而管材管件等冷缩，更加增大了内部压力。

(4)水表、水龙头等管件结构复杂，管材、管件等相互连接处强度低，易出现耐压薄弱处，在结冰时成为应力集中释放点，发生爆裂。

2.2 管道系统耐寒能力

如上文所述，目前主要的管材采用材质中，铸铁管等金属管材，管厚大，金属强度高，不易发生胀破，渗漏和破裂多发生在管道连接处和密封处，可通过规范施工去避免。

冻裂冻爆的情况多发生在塑料管材和水表、水龙头等部位，本文重点分析常用塑料材质管材管件的耐低温能力和国家标准要求。

2.2.1 PP-R管材管件

GB/T 18742.1-2002《冷热水用聚丙烯管道系统 第1部分：总则》[1]中对冷水温度的定义是，输送冷水的温度最高接近25℃，设计时用20℃。

GB/T 18742.2-2002《冷热水用聚丙烯管道系统 第2部分：管材》[2]中与耐寒性能相关的项目是 “简支梁冲击试验”，对于PPB材质和PP-R材质，在试验温度(0±2)℃下，以规定的跨度将一小段管材或机械加工制得的无缺口条状试样在水平方向呈简支梁支撑，用具有给定冲击能量的摆锤在支撑中线处迅速冲击一次，试样破损率应<10%。此外，对于管材的耐压性能项目有：静液压试验、静液压状态下热稳定性试验、内压试验和热循环试验，基本为在常温(如20℃)或高温(如95℃)时内部施加水压，考察管材管件的耐破裂和渗漏情况。如 “静液压状态下热稳定性试验”对PP-R要求是，110℃、8760h、静液压应力1.9MPa，试样应无破裂、无渗漏。GB/T 18742.3-2002对管件的测试条件与管材类似。

GB/T 18742.3-2002《冷热水用聚丙烯管道系统 第3部分：管件》[3]中对管件的耐压要求与GB/T 18742.2-2002对管材的耐压要求类似，但没有“简支梁冲击试验”项目，原因是：(1)管件的物理形状，难以考核其低温下 “简支梁冲击试验”性能；(2)管件的体积小，内部水的体积基数小，即使水结冰膨胀，胀大的体积也不足以对管壁产生足够额外的压力(压强)；(3)阀门、三通等管件内部流体管道不规整，这就破坏了冰体的体积规整性，分散了冰体压力；(4)为提高薄弱处或应力集中处的耐压能力，提高性能和延长使用寿命，阀门、三通等管件多增厚或采用金属塑料复合材质，耐压耐冲击性能好。

2.2.2 PVC-U管材管件

GB/T 5836.1-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》[4]中，除拉伸强度项目外，对PVC-U管材的耐低温相关试验是“落镖冲击试验”，是在试验温度(0±2)℃下，根据不同公称外径，选择不同的落锤质量和下落高度，经状态调节后的试样落镖冲击结果：TIR值≤10%。GB/T 10002.1-2006《给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》[5]的“落镖冲击试验”项目与此类似，此外有液压试验项目。

GB/T 5836.2-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯管件》[6]中，对PVC-U管件的耐低温相关试验是“坠落试验”，具体是将管件在(0±2)℃下按规定时间进行预处理，在10s内从规定高度自由坠落到平坦的混凝土地面，管件应无破裂。GB/T 10002.2-2003《给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》[7]项目类似，此外有液压试验项目。

GB/T 10002.3-2011《给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)阀门》[8]未对PVC-U阀门做出耐低温性能要求，但有壳体耐内压试验。

2.2.3 PE管材

GB/T 13663-2000 《给水用聚乙烯(PE)管材》[9]中对PE管材有静液压试验和耐候试验(高温条件)，但需要指出的是GB/T 13663-2000新标准中规定了给水管的不同级别PE80和PE100对应不同的压力强度，去掉旧标准中的拉伸强度性能，而增加了断裂伸长率项目(≥350%)，即强调基本韧性。GB/T 13663.2-2005《给水用聚乙烯(PE)管道系统 第2部分：管件》[10]中没有相关要求。

2.3 塑料管材管件标准考核分析

结冰胀破管壁的情况多发生在家庭装修中冷热给水管采用最多的PP-R管上，但根据2.2.1中对冷热水用聚丙烯管道系统相关标准的分析可知，并没有针对水结冰胀破管壁问题的直接测试方法和试验要求，更多的是对管材管件常温和受热情况下的耐压要求。“简支梁冲击试验”项目考核了低温条件(0±2)℃下管材的耐冲击性能，间接地考核了PP-R管材在寒冬气候下对结冰的耐胀破能力。

PVC-U管材管件多用于排水，基本不会在高水压条件下工作，难以出现结冰胀破管壁情况，但PVC-U韧性低，线膨胀系数大，使用温度范围窄，标准中“落镖冲击试验”和“坠落试验”项目考核了管材管件在(0±2)℃下的低温脆裂性。

PE给水管材的新标准中增加了断裂伸长率(≥350%)，去掉旧标准中的拉伸强度性能，考核管材的韧性，间接强调了耐胀破能力。

以上产品执行标准没有直接的耐结冰胀破情况的测试项目和指标，已有的相关项目也缺少针对更低温度(如-10℃、-20℃等)时的性能考核，这也影响了塑料管材管件在我国北方较高纬度地区的广泛使用。此外，不同的管系列相应不同的管材壁厚，如果选择了壁厚过小的管材管件，或者产品壁厚不合格(如GB/T 18742.2-2002中不允许PP-R管材壁厚出现负偏差)，管材的耐压强度不足，在低温结冰时易发生胀破情况。

3 管材管件耐寒注意事项

我国执行的标准中，并没有针对水结冰胀破管壁问题的直接测试方法和试验项目，更多的是对管材管件常温和受热情况下的耐压要求。

对于目前出现的寒冬水管冻破冻爆现象，可以从以下几个防护措施方面去尽量避免：

(1)选择合格厂家生产的合格产品，选择合适的管系列产品。一般PP-R热水管的壁厚要比PP-R冷水管厚，在某些情况下可采用PP-R热水管代替PP-R冷水管。

(2)规范施工，很多管道的爆裂多发生在管材管件连接处和密封处，应按照规范严格施工，塑料管材管件尽量不裸露暴晒。

(3)设计单位应尽量做好耐寒预防措施，管道外套保温层，埋地的管道系统可尽量埋深些，避免频繁的热交换和外力影响，条件允许的情况下，尽量将水表、水龙头等安置在室内。

(4)在条件允许的地方，应尽量利用热源(如地热、锅炉高温管道等)消除管道系统的受低温情况，或者采用防冻液防冻、电伴防冻等更高级的方法。

(5)在不使用时，将水管中的余水排清，可以避免管道中存水冻结。

(6)在管道被冻结堵塞时，避免直接热水开水解冻，会造成管道系统突然受热爆裂，当然更不能用火烤或硬物敲击管道，应先用温水慢慢加热管道，再使用热水。

某些家庭或单位会采用细水长流的方法，也就是将出水龙头开小，保持小水流长期流淌，这可以降低管道压力和避免水静止冻结，但会造成水资源的浪费，不可取。

[1] GB/T 18742.1-2002冷热水用聚丙烯管道系统 第1部分：总则[S].中国标准出版社，2002.

[2] GB/T 18742.2-2002冷热水用聚丙烯管道系统 第2部分：管材[S].中国标准出版社，2002.

[3] GB/T 18742.3-2002冷热水用聚丙烯管道系统 第3部分：管件[S].中国标准出版社，2002.

[4] GB/T 5836.1-2006建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材[S].中国标准出版社，2006.

[5] GB/T 5836.2-2006建筑排水用硬聚氯乙烯管件[S].中国标准出版社，2006.

[6] GB/T 10002.1-2006给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材[S].中国标准出版社，2006.

[7] GB/T 10002.2-2003给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件[S].中国标准出版社，2003.

[8] GB/T 10002.3-2011给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)阀门[S].中国标准出版社，2011.

[9] GB/T 13663-2000给水用聚乙烯(PE)管材[S].中国标准出版社，2000.

[10] GB/T 13663.2-2005给水用聚乙烯(PE)管道系统 第2部分：管件[S].中国标准出版社，2005.

Analysis of Cold Resistant Ability of Commonly Used Water Supply and Drainage Pipe Fittings

ZHANG Nan1，2，CHEN Jing-ru1，SHI Jun1，JIANG Jian-jun1，ZHANG Ruo-hong1

(1 Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai 201114，China；2 State Key of Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，Donghua University，Shanghai 201620，China)

Pipe and pipe fittings are one of the necessary materials for the engineering construction. In this paper，the types and applications of pipe fittings were introduced. In view of the reasons for bursting of plastic pipe fittings in the climate environment of low temperature and cold weather，the low temperature resistant capacity of plastic pipe fittings and the requirement of national standards were analyzed. And the cold protections are proposed.

water supply and drainage，pipe fittings，plastic，cold resistant，protection

TQ 322.3