發(fā)泡塑覆保溫安全型自來水金屬管的研制及

發(fā)泡塑覆保溫安全型自來水金屬管的研制及分析

陳仁慈周寶發(fā)一、前言

眾所周知，傳統(tǒng)的鍍鋅鋼管作為冷水管道使用5年左右及熱水管道使用2年左右極易生銹，導致管壁銹蝕后粗糙結(jié)垢、堵塞、水流量減少、水龍頭損失大、易泄露、易生細菌影響水質(zhì)，在保養(yǎng)維修時極易破壞建筑物，故物業(yè)管理需投入大量的人力、物力、財力等缺陷，在國外工業(yè)發(fā)達國家早已被淘汰。上海市建設(shè)委員會于1998年3月12日率先發(fā)文滬建材［98］第0141號通知：在本市工程中實施禁止使用鍍鋅給水鋼管的規(guī)定后，全國各地相繼發(fā)文禁止設(shè)計使用鍍鋅給水鋼管，就此引起一場“建材用給水管道的大革命”，全國各地先后出臺推廣應用塑料給水管、不銹鋼水管、純銅水管及其各種金屬塑料復合給水管，新型管材層出不窮。

目前家庭裝飾中因給水管系統(tǒng)質(zhì)量問題引起的糾紛日益增加，由于各種各樣的管材、質(zhì)量參差不齊，管件不能配套不久便發(fā)生接頭滲水、管材耐壓不夠發(fā)生爆裂、防凍保溫效果差引起管材外表結(jié)露而損壞地板、墻體磁磚，粗制濫造的管材和管件如同在住宅里埋下的“定時炸彈”，嚴重危害家庭和建筑工程的安全和質(zhì)量，“管材熱”須冷思考。

“管材熱”的冷思考之一是需理性投資，避免盲目投資造成的經(jīng)濟損失；冷思考之二是管材市場必須規(guī)范管理，有關(guān)部門正確引導管材行業(yè)健康發(fā)展；冷思考之三是開發(fā)更完善的管道系統(tǒng)。

因環(huán)境變化，所輸送流體的不同以及管道材質(zhì)的差異，輸送液用管道的防腐、防凍和保溫技術(shù)一直是世界各國進行研究的主要課題，管道保溫是減少熱損、節(jié)約能源的重要方面；管道的防凍、防腐是保證流體輸送正常、延長管道壽命和減少管道損壞的另一重要方面；管道保溫、防凍、防腐研究的重點是如何選擇最佳保溫結(jié)構(gòu)和材料以及如何實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

管道傳統(tǒng)的保溫方式是將保溫材料通過手工繞包或穿套在管道外表，這樣的方式需要消耗大量的人力、物力、不僅勞動強度大，操作人員的安全也存在一系列的問題，還常常因手工操作不當引起材料的浪費或包纏方法不夠正確而引起的保溫效果差，造成能源和經(jīng)濟的損失，有時也因保溫材料選用不當或外保護層起不了保護作用而造成不必要的經(jīng)濟損失……

保溫金屬管道是一個重要應用領(lǐng)域是衛(wèi)生飲用水的輸送系統(tǒng)，特別是涉及到千家萬戶的自來水冷熱供水系統(tǒng)，隨著鍍鋅管被逐漸禁用、銅管和不銹鋼管使用量的增大，新型衛(wèi)生金屬管道在推廣應用時的保溫、防凍、防腐問題顯得特別重要。

寶洋公司于1996年向市場推出塑覆銅管技術(shù)和生產(chǎn)線后，使銅管在民用市場的應用份額日益增加，第1代塑覆銅管已占上海新型綠色管材市場的10％以上。由于當時的氮氣發(fā)泡塑料技術(shù)應用尚未成熟，第一代塑覆銅管雖在一定程度上起到防腐作用。但在實際使用中缺陷明顯，急需改進。

1994年歐洲室內(nèi)水管以安裝總長度為12.69億米，其中金屬管占67％，到1999年安裝長度增加為16.05億米，其中金屬管占64％，銅水管占20％。隨著民用建筑裝潢市場的升溫，保溫金屬管(銅管、不銹鋼管)在給水輸送工程中將有廣闊前景。

發(fā)泡塑覆保溫銅管主要應用于輸送飲用水、衛(wèi)生用水和民用天燃氣、煤氣、氧氣及對銅無腐蝕作用的其他介質(zhì)。

二、產(chǎn)品設(shè)計和研究

1材料研究

適合飲用水輸送材質(zhì)標準的聚乙烯塑料和純紫銅管作為保溫銅水管的首選基材，通過成熟的氣體發(fā)泡塑料技術(shù)和擠出復合技術(shù)作為產(chǎn)品的加工工藝，設(shè)計合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線，是本產(chǎn)品研究的三個重要方面。

1.1內(nèi)層銅水管材的特點：由于鍍鋅管被禁用之后，銅水管就是可選用的主要金屬管材，本產(chǎn)品采用無縫T2Y2型紫銅管，含銅量≥99.90％，作為發(fā)泡塑覆保溫銅水管的基材。

純紫銅管集金屬管材與非金屬管材的優(yōu)點，具有：

強度大——比塑料管材堅硬，具有一般金屬的高強度；

韌性好——比一般金屬易彎曲、易扭轉(zhuǎn)、不易裂縫、不易折斷；

延展性強——可制成薄壁銅管及配件，重量輕，僅為同徑鋼管的1/3。

純紫銅管材的適配性強：

純紫銅管材及其配件品種規(guī)格較齊全，直徑范圍大，可從Φ6mm～Φ250mm任意選用，能滿足工程安裝中管道布線和互相連接的一切需求；尤其在現(xiàn)場施工中管件的臨時截斷、折彎、打痕和焊接等都輕松自如。

純紫銅管材經(jīng)久耐用：

銅是一種質(zhì)地堅硬的金屬，在化學活性排序中的序位很低，比氫還靠后，僅高于銀、鉑、金，因而性能穩(wěn)定不易被腐蝕；用銅制的管材、配件及容器可以用于輸送冷熱水、海水、油類、酚、醇和非氧化性有機流體及煤氣等，用途廣泛；

不污染流體，不易積存污垢，一已完工可長期使用，幾乎無需修理更換。

純紫銅管材衛(wèi)生健康：

銅能抑制細菌生長，保持飲用水清潔衛(wèi)生；據(jù)資料介紹，供水中的大腸桿菌在銅管道內(nèi)不能再繼續(xù)繁殖，99％以上的水中細菌在進入銅管道5個小時后自行消失。

純紫銅管材具有不可滲透性：

銅制管材及其配件堅固密實，銅的表面形成了一層密實堅硬的保護層，無論是油脂、碳水化合物、細菌和病毒、有害液體、氧氣或紫外線均不能穿過它，也不能侵蝕它污染水質(zhì)；寄生物也不能棲息于銅表面使其軟化，這是塑料管道不能做到的。

1.2食品級聚乙烯塑料具有優(yōu)良的電絕緣性和機械性能，良好的化學穩(wěn)定性，低的透氣性和小的吸水性，比重小，無毒性，具有優(yōu)良的抗腐蝕性和易于成型加工特點。選擇聚乙烯塑料作為發(fā)泡體層和保護層的基材，配以發(fā)泡助劑、泡體穩(wěn)定劑、抗氧劑、加工助劑、著色劑、光屏蔽劑等，與銅管共擠出“一步法”成型，產(chǎn)品可達到標準要求。

2氣體發(fā)泡塑料和共擠出研究

2.1N2發(fā)泡塑料討論

塑料泡沫如何才是最佳的隔熱保溫效果?實驗證明物理發(fā)泡方式(氣體)因泡體具有封閉的氣泡結(jié)構(gòu)而比化學發(fā)泡方式(化學發(fā)泡劑)的開孔結(jié)構(gòu)的隔熱能力提高數(shù)倍。封閉的氣泡中填充氣體種類也直接影響泡體的隔熱能力，空氣的導熱系數(shù)(0℃，kcal/m.h.℃)為0.021，而空氣中N2的導熱系數(shù)為0.0172，且來源廣泛，價格便宜，用N2充填氣泡形成的泡體其隔熱效果具有較低值。

泡體配方的研究經(jīng)多次試驗，在N2擠入塑料熔體壓力為0.2－0.4MPa的條件下。

2.2保護層塑料的討論

發(fā)泡塑覆保溫銅管的泡體表面有一層外表保護，除了起到保護發(fā)泡體易受損壞外(具有一定機械強度)，還應有防腐、抗光熱老化、防火阻燃作用。

2.3塑料共擠出討論

經(jīng)過表面處理和預熱處理的銅管連續(xù)不斷通過塑料共擠出復合模具，塑料發(fā)泡體首先包覆銅管，外保護塑料層再包覆發(fā)泡體形成三層復合管，共擠出模具的合理結(jié)構(gòu)最重要。

復合管共擠出時工藝控制對產(chǎn)品尺寸和穩(wěn)定性有很大影響，典型擠出復合模具溫度控制為160±3℃。

3產(chǎn)品研究

3.1圖(1)為發(fā)泡塑覆保溫銅管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。圖中三層結(jié)構(gòu)在工藝上實現(xiàn)“一步法”成型，此種金屬復合管具有合理的結(jié)構(gòu)，三層材料有機組合，各盡其能。銅管起安全輸送衛(wèi)生飲用水作用，也便于安裝連接；N2充填的發(fā)泡體起到隔熱、防凍保溫作用，其封閉的氣孔結(jié)構(gòu)起到了保證管道輸送暢通、隔熱效果極佳以及防潮防露的功能；外保護層具有防止發(fā)泡體受損、防火阻燃、具有一定的機械強度和防老化作用，延長了管道的使用壽命。

3.2一般家庭用熱水的使用溫度介于常溫和80℃之間。在此溫度范圍內(nèi)，混凝土的熱傳導系數(shù)最大(1.4kcal/m.h.℃)，水的熱量極易流失造成管末端無法達到所需溫度；若水管溫度直接傳熱到混凝土中，會造成混凝土經(jīng)常性熱脹冷縮及內(nèi)應力的反復變化，造成混凝土龜裂及材料疲乏，導致混凝土快速老化；暗埋熱水系統(tǒng)管道的保溫程度好壞會影響建筑物的壽命以及節(jié)約能源問題。圖2是發(fā)泡塑覆保溫銅管的內(nèi)外表面溫度隨時間變化圖，保溫管道內(nèi)外表面溫差達30℃。

圖3為第1代塑覆銅管和第2代發(fā)泡塑覆銅管管外溫度隨時間變化圖，第2代產(chǎn)品管外溫度比第1代產(chǎn)品低12℃，表面溫度降低達21％。

管道在明設(shè)使用時，除了需具備防火阻燃、防燙(人體安全)與節(jié)能外，管道在寒冷環(huán)境下防凍特別重要，表1為第2代產(chǎn)品與第1代產(chǎn)品在－15℃的環(huán)境下管內(nèi)靜止水的結(jié)凍數(shù)據(jù)，實驗表明發(fā)泡塑覆保溫銅管有較為理想的抗凍防凍能力。

3.3第2代發(fā)泡塑覆保溫銅管的導熱系數(shù)測定，采用管道法，其導熱系數(shù)經(jīng)測定，發(fā)泡塑覆保溫銅管的導熱系數(shù)為0.0361w/m.k(0℃)，表2為不同類給水管材的導熱系數(shù)比較。λ=［q×ln(d2/d1)］［2πl(wèi)/(t2－t1)］其中λ——導熱系數(shù)，w/m.k℃；

q——熱流密度，w/m；

d2，d1——塑覆銅管外、內(nèi)徑，mm；

l——塑覆銅管實驗長度，m；

t2－t1——塑覆銅水管內(nèi)、外壁溫差，℃。

表2顯示第2代發(fā)泡塑覆保溫銅管在目前供水管道中具有最低的導熱系數(shù)，第2代產(chǎn)品的導熱系數(shù)與第1代產(chǎn)品比較降低73％。發(fā)泡塑覆保溫銅管是目前最為理想的防凍保溫節(jié)能型飲用水管材。

三、生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品性能

“一步法”成型發(fā)泡塑覆保溫銅管其工藝流程如下：

典型的Φ90型擠出機擠出工藝如下：

第1段加熱溫度℃110

第2段加熱溫度℃145

第3段加熱溫度℃160

螺桿轉(zhuǎn)速RPN20

生產(chǎn)速度(Φ28銅管為例)5m/min

產(chǎn)品性能

產(chǎn)品已通過

1.衛(wèi)生防疫部門檢驗，上海市衛(wèi)生局已頒發(fā)衛(wèi)生許可證。

2.上海建筑材料及構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗站報告。

3.上海消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站報告。

4.上海有色金屬質(zhì)量監(jiān)督檢驗站報告。

四、應用和結(jié)論

發(fā)泡塑覆保溫銅管進入市場受到客商普遍贊賞，一方面因其具有獨特的防凍保溫性能是其它水管道無法比擬的，另一方面是安裝可靠(焊接)，并配有自粘式發(fā)泡保溫帶保溫管件，圖4焊接管件和焊接法，目前卡套式管件正在試用階段。

發(fā)泡塑覆保溫銅管在九賽溝國際大酒店的熱水輸送系統(tǒng)、史密斯熱水器配套熱水系統(tǒng)以及在民用裝潢市場開始使用，市場反映極佳。

本項目在繼續(xù)開發(fā)之中，發(fā)泡塑覆保溫不銹鋼管、發(fā)泡塑覆保溫軟銅盤管、大尺寸發(fā)泡塑覆保溫鋼管等已立項研究，發(fā)泡塑覆保溫金屬管技術(shù)和產(chǎn)品將得到更廣泛的用途。

本項目的研制結(jié)論如下：

(1)“發(fā)泡塑覆保溫金屬管”技術(shù)、產(chǎn)品先進，填補了國內(nèi)空白，成果達到九十年代國際先進水平，已申請國家發(fā)明專利(已公告)，本成果已經(jīng)獲得上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目認定A級證書，上海市科學技術(shù)成果鑒定證書，上海市新產(chǎn)品鑒定證書等。

(2)“發(fā)泡塑覆保溫金屬管”產(chǎn)品具有合理的三層結(jié)構(gòu)，工藝成熟，生產(chǎn)無三廢，實現(xiàn)了金屬管道防凍保溫工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。解放了勞動力