給水系統(tǒng)中PE管與鋼管性能比較

1、給水系統(tǒng)中PE管與鋼管、鑄鐵管、水泥管的應(yīng)用比較隨著科學的進步和技術(shù)的發(fā)展，自來水管網(wǎng)的管材也發(fā)生了不小的變化，由當初的鑄鐵管到目前普遍使用的鋼管、水泥管，以及越來越受到青睞的PE管。PE管又稱聚乙烯管。國外從20世紀40年代初就已大規(guī)模應(yīng)用PE管輸送城市自來水。PE管現(xiàn)已發(fā)展成為一種成熟的管材，國外發(fā)達國家聚乙烯自來水管道應(yīng)用率已達95%以上。我國從80年代初期開始這方面的研究工作。目前，全國已有上百個城市不同程度采用PE管輸送自來水，并取得了良好的效果，同時也積累了成熟的經(jīng)驗。PE管的優(yōu)勢越來越受到關(guān)注，傳統(tǒng)的鋼管、鑄鐵管、水泥管受到了挑戰(zhàn)。下面就PE管，鋼管、鑄鐵管、水泥管在給水系統(tǒng)中的

2、應(yīng)用作一下簡單的比較。1 管材的性能比較11PE管耐腐性能，使用壽命長鋼管耐腐蝕性能差，敷設(shè)在地下時需要采取防腐措施，如瀝青玻璃布，環(huán)氧煤瀝青，犧牲陽極保護法等，而PE管則同鑄鐵管、水泥管一樣無須采取防腐措施，施工時既節(jié)約了資金又節(jié)省了時間。鋼管使用壽命為20年，鑄鐵管為40年，水泥管使用壽命為30年，PE管則為50年，因此使用PE管可使管網(wǎng)改造時間延長，其一次性投資的經(jīng)濟效果好于鋼管和鑄鐵管、水泥管。PE管的耐腐蝕性非常好。例如：在20條件下，它可以安全輸送濃度為98%的硫酸。這在球墨鑄鐵管是不可想象的。球墨鑄鐵管的耐腐蝕性相對較差，從使用壽命來看它無法達到PE管的水平。而且在整個管道系統(tǒng)的

3、使用維護方面球墨鑄鐵管必須付出防腐處理費，后期維護費用等。由此可見，維護費用為零的PE管時管材使用的最佳選擇。12PE管柔韌性好，便于施工自來水管網(wǎng)在施工過程中，根據(jù)策劃，設(shè)計的要求，需要設(shè)置坡度和角度。鋼管為保持坡度和角度，需要采用三通及45，90，135彎頭等標準管件，從而增加了管件和接口數(shù)量。鑄鐵管、水泥管接口雖具有一定的可撓性，但其可撓度只允許在6的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。PE管由于其自身具有較好的柔韌性，可以蜿蜒敷設(shè)，在允許的彎曲半徑內(nèi)無須彎頭即可繞開障礙物，減少彎頭，利用PE管的柔韌性進行轉(zhuǎn)彎，可有效得降低節(jié)點水頭損失。PE管容許彎曲半徑見表1。由于其柔韌性好，較之鋼管、鑄鐵管、水泥管對由

4、于路面載荷的變化及地震等因素，有更好的適應(yīng)性。表1 PE管道容許彎曲半徑管道公稱外徑D（mm）容許彎曲半徑R（mm）D50 mmR30D50D160 mmR50D160D250 mmR70D注：表1為常溫下，當管上無承接頭時，PE管的容許彎曲半徑。當管道上有承插接頭時，容許彎曲半徑不小于125D。13管道的技術(shù)可行性分析（均以dn800給水管作為計算測算）1、 流速計算：式中di:管材內(nèi)徑（m）u：管內(nèi)水的平均流速（m/s）Q：管材輸水量（m3/s）球墨鑄鐵管DN800（K9級）流速=1.15m/s混凝土管DN800流速:=1.15m/sPE管材流速:80019.6mm（0.63Mpa）管材=

5、1.27米/秒結(jié)果表明,三種管材流速均在經(jīng)濟流速范圍之內(nèi),是可行的。1.4水力計算：球墨鑄鐵管水力計算球墨鑄鐵管內(nèi)流速1.2m/s時，單位水頭損失可由下式計算。式中:：每米管道的水頭損失(米)：管材內(nèi)徑（m）：管內(nèi)水的流速（m/s）代入得水力坡降系數(shù)=0.0029m鋼筋混凝土管水力計算流速系數(shù)C可按下式計算式中:：每米管道的水頭損失(米)；：管材內(nèi)徑（m）；R：水力半徑滿流取d/4；：管內(nèi)水的流速（m/s）；C：流速系數(shù)。代入得單位水頭損失=0.00222mPE管材水力計算塑料管的沿程損失可計算如下：水力摩阻系數(shù)由下式計算先確定管內(nèi)流體的雷諾數(shù)Re=966216式中Re：管內(nèi)流體的雷諾數(shù)di:

6、管材內(nèi)徑（m）u：管內(nèi)水的流速（m/s）：水在20下的粘度=110-6（m2/s）故80019.6mm管材=0.011沿程水頭損失由下式計算：=0.0012米水柱結(jié)果表明，PE管材由于內(nèi)壁相當光滑，單位長度水頭損失小于同口徑鑄鐵管材或混凝土管，可有效降低水泵的揚程，節(jié)約運行成本。1.5水錘壓力計算：對停泵水錘壓力增值可由以下公式計算：其中壓力波回流速度式中：水錘壓力（m）：流速變化，取平均流速a：壓力波回流的速度（m/s）：水的重力密度取10103N/m3K：水的體積模量取2200106N/m2Ep：管材的彈性模量，PE管材取3000106N/m2，球墨鑄鐵管材160000106N/m2，混凝

7、土管取206000106N/m2di：管材內(nèi)徑en：管材壁厚壓力波回流速度計算：球墨鑄鐵管材:=889.8m/s則水錘壓力增值=104.4米水柱鋼筋混凝土管:=1374m/s則水錘壓力增值=161米水柱PE管材80019.6mm：=267m/s水錘壓力增值=35米水柱計算結(jié)果表明：因為PE管材較球墨鑄鐵管材、鋼筋混凝土管材具有更低的彈性模量，水錘壓力的增值明顯降低，可有效防止水錘壓力波動對管材本身造成的危害，提高管道運行的安全性能。 2 PE管連接方式鋼管采用焊接和法蘭連接，鑄鐵管采用膠圈，壓蘭或V型圈，O型圈連接套連接，水泥管用膠圈連接，PE管較之前三者，大部份情況下都采用熱熔連接。熱熔對接

8、連接工藝特點是操作簡單，效率高，適合于野外操作。其接口強度滿足管道運行要求，抗拔力較強，施工成本低。PE管的這種連接方式接頭強度很好，打壓可一次通過。同時，采用PE管施工亦較使用鋼管、鑄鐵管、水泥管省時。尤其是當管徑DN200時，PE管可在溝槽外連接，而鋼管和鑄鐵管、水泥管則需要在溝槽內(nèi)作業(yè)，從而使PE管具有較寬敞的工作環(huán)境，同時施工作業(yè)危險性也較小。球墨鑄鐵管由于一般使用承口連接，一旦完工后發(fā)生沉降則剛性連接的封口就成為一個很大的漏點。PE管由于其柔韌性，所以抗沉降甚至地震方面具有無可比擬的優(yōu)勢。曾經(jīng)有PE管材安裝在云南麗江，在一次5.8級地震中管材被甩出管溝近2米仍能保持正常工作，管道接口

9、沒有發(fā)生斷裂、滲漏，就是極好的例證。3 工作量與施工時間的比較表 2 工作量比較表管材焊工管工技工力工總?cè)藬?shù)PE管123鑄鐵管224鋼管1124水泥管11248表3 工作時間比較表管材 所用時間（分鐘）合計（分鐘）鋼管打坡口對活焊接235315鑄鐵管安裝壓蘭動對活班連接17377PE管打磨吸熱班連接冷卻15537水泥管安環(huán)動對活班連接19388表2為4種管材的管線管徑同為DN200時，只用一組人員施工所用人員情況比較。從中可以看出使用PE管所需施工人員最少。表3為以DN200管線為例4種管材完成同樣工作量所需時間比較，從中可看出采用PE管施工亦較使用鋼管、鑄鐵管、水泥管省時。尤其是當管徑DN2

10、00時，PE管可在溝槽外連接，而鋼管和鑄鐵管、水泥管則需要在溝槽內(nèi)作業(yè)，從而使PE管具有較寬敞的工作環(huán)境，同時施工作業(yè)危險性也較小。4 PE管與鋼管的經(jīng)濟性比較4.1、PE管具有鋼管、鑄鐵管、水泥管無法比擬的優(yōu)點，那么，它在價格上是否也同樣具有優(yōu)勢呢？ 工程造價比較（元/米）管材名稱管材價格管溝開挖管溝基礎(chǔ)（m3）管道基礎(chǔ)回填管道防腐管道安裝直接費綜合費用綜合造價PE管dn80089234原土夯實 1.633.8415.08976.409985.40球墨鑄鐵管dn80096834原土夯實 1.60.633.8421.9324.891084.3612.731097.09鋼筋混凝土管 dn8004

11、0034原土夯實 1.60.633.8436.0536.05541.6419.91561.55通過表中的比較，可知PE管在價格上是可行的。由于小管徑PE管管件價格較貴，因此在設(shè)計、施工中應(yīng)盡量減少小管徑管件數(shù)量，從而降低投資，取得較好的經(jīng)濟效果。4.2、常年運行費用（能耗）比較：管網(wǎng)常年運行費用是通過泵站電能消耗來維持的，我們按泵送壓力輸水部分管線為19公里，管徑均為dn800測算，PE管材取代球墨鑄鐵管材及鋼筋混凝土管常年運行耗電量的節(jié)約按照下式計算：式中:E：年運行耗電量（KWh）Q：日供水量（m3/d）H：水泵工作全揚程差（m）H=（h球-h塑）LKd：供水日變化系數(shù)取1.2：機泵效率取

12、70%PE管材與球墨鑄鐵管相比PE80019.6mm管材年節(jié)電量=193萬KWhPE管材與鋼筋混凝土管相比PE80019.6mm管材年節(jié)電量=115.4萬KWh由此，合理使用PE管材替代球墨鑄鐵管材及鋼筋混凝土管材，日常運行費用僅用電量一項每年即可大幅降低。4.3、常年運行費用差額折現(xiàn)在取管道全壽命期均為n=30年（據(jù)報道德國發(fā)現(xiàn)二戰(zhàn)時所鋪設(shè)PE管材，經(jīng)檢測管材各項標準均在DIN標準之上，壽命已超過其50年的設(shè)計壽命），折現(xiàn)率取i=7%（公益性，如商用則為12%），殘值為零，管道按當年投資當年運行計算。則：E=E1+1/(1+i)+1/(1+i)2+1/(1+i)3+1/(1+i)29PE管材

13、與球墨鑄鐵管相比PE80019.6mm管材年節(jié)電量193萬KWh則E=1921+1/(1+7%)+1/(1+7%)2+1/(1+7%)3+1/(1+7%)29=19212.409=2382.3萬KWhPE管材與鋼筋混凝土管相比PE80019.6mm管材年節(jié)電量90.5萬KWh則E=115.41+1/(1+7%)+1/(1+7%)2+1/(1+7%)3+1/(1+7%)29=1432萬KWh結(jié)果表明，當保證50000噸/天的輸水狀況下,球墨鑄鐵管及鋼砼管在全壽命期間比PE管多支出的運行費用(電耗)折現(xiàn)值如下:球墨鑄鐵管與PE80019.6mm管材相比多支出2382.3萬KWh,鋼砼管與PE800

14、19.6mm管材相比多支出1432萬KWh PE管道的壽命比傳統(tǒng)管材運行壽命更長。在全壽命期工程總造價中將年運行費用折現(xiàn)為工程建設(shè)時的值能大大降低成本。管材選擇時，選擇低摩阻的PE管材，在相同管徑的條件下它可有效降低常年運行費用，節(jié)約能源，大幅提高輸水能力，切實保證管道投資的經(jīng)濟性與功能性的統(tǒng)一。在出廠水壓相同條件下，低摩阻的PE管道可以保證更遠距離用戶的水壓要求，減少二級泵站的設(shè)置，有效避免管網(wǎng)中的資用水頭（可利用的水壓）的浪費，節(jié)約能源。5、管道系統(tǒng)運行過程中水力比較球墨鑄鐵管的內(nèi)壁比較粗糙，光潔度一般不超過Ra6.3，流體的水頭損失比較大。長距離輸送時加壓站的間距小于PE管，泵站的總功率

15、也需要提高。PE管的內(nèi)壁光滑，水頭損失比較小，上述投資要小于球墨鑄鐵管。在供水管水力計算公式中關(guān)于摩阻系數(shù)的計算公式為：=0.11（K/D）+（68/Re）。其中Re為雷諾系數(shù)；D為管內(nèi)徑；K為管內(nèi)壁絕對粗糙度。PE管K=0.01mm；新的球墨鑄鐵管K=0.06mm，運行30年后K值將增大5-10倍，而PE管的K值波動不超過5%。在此公式中，球墨鑄鐵管的值將遠遠大于PE管。在海澄-威廉公式中Q=0.2785CD2.63I0.54。Q為流量；C為海澄-威廉摩阻系數(shù)；D為管內(nèi)徑；I為水力坡降。其中PE管C=155，且不隨運行時間變化。球墨鑄鐵管新管C=130，運行30年后取90。由此可見，相同通徑

16、條件下，球墨鑄鐵管的過水能力為PE管的83.87%；運行30年后為PE管的58.06%。也就是說要達到遠期使用效果相同，球墨鑄鐵管必須大大加大管徑以滿足過水能力隨時間變化造成的損失，因此配套的閥、泵等一系列產(chǎn)品都要加大投資，這在投資上是不經(jīng)濟的。由此可知PE管過水量大，節(jié)約初期建設(shè)時的費用。本處以DN200鑄鐵管與DN200 PE管作對比：DN200鑄鐵管：設(shè)定流速為1.5m/s 流量為0.1884m3/s 比阻為9.029水力坡度 i=9.029Q2=9.0290.18842=0.32PE管道：PE100 DN200 PN1.25Mpa 壁厚為14.7mm 在與D200鑄鐵管道同樣的水力坡度

17、下 i=0.32=0.000915Q1.774/de4.774=0.000915Q1.774/（0.220.0147）4.774=0.000915Q1.774/0.17064.774=4.2457Q1.774Q1.774=0.32/4.2457=0.07537Q =0.2328 m3/s由以上計算可以看出，在管道運行過程中，PE管的沿程水頭損失要比金屬管道小得多。在管道運行過程中，比金屬管道有更大的效費比。6、施工方面的比較施工方面，鋼材的比重是聚乙烯的8倍。由于球墨鑄鐵管很重，所以要在平行于管溝的方向修一條施工便道，讓運輸車輛和吊車到達施工地點卸貨；讓吊車協(xié)助安裝。這在施工上是一筆比較大的費

18、用，尤其在山地、丘陵地區(qū)。PE管比較輕，因此可以人工搬運，特別是在使用大管徑管道的時候更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。球墨鑄鐵管的管溝溝底必須做基礎(chǔ)。而且由于連接是在溝中進行，所以管溝必須比管材外徑寬0.6米以上，以方便工人操作。在轉(zhuǎn)角、三通等位置還必須加水泥支墩。在有交通負荷的淺埋地區(qū)上方必須做加強保護等。對于PE管，它可以在地面焊制成400-600米甚至1000米的長管后推入管溝，這樣管溝的寬度可以僅僅大于管材外徑就可以了;同時溝底不需要做基礎(chǔ);這樣可大大減少施工的土方量。對于有交通負荷的淺埋地區(qū)，實踐證明只要埋深大于1米即可認為它不影響管材使用。這在國際標準施工要求中有明確說明。7、PE管在使用過程中的維修與維護PE管耐腐蝕性能優(yōu)于球墨鑄鐵管，在沒有外部因素影響下，整個管網(wǎng)實現(xiàn)零維護。遭外力破壞后PE管道斷水維修作業(yè)方法：采用電熔鞍形管件封堵小孔；采用2個電熔直接修補一段管道；采用法蘭連接修補一段管道。如下圖所示： 遭外力破壞后PE管道不斷水維修作業(yè)方法：采用抱箍進行維修，采用搶修器進行維修。8、綜合評述與結(jié)論綜上所述，PE管材的優(yōu)點明顯，其粗糙系數(shù)低，由于塑