给水立管的抗低温性能试验分析

潘婷婷，吉海娜，肖 健，袁陆妗

(苏州工业园区清源华衍水务有限公司，江苏苏州 215021)

在2016年1月的世纪寒潮影响下，苏州工业园区给水管道漏水及水表冰裂情况严重，对居民正常用水造成了广泛且持久的影响[1-2]。给水关系民生问题，因此，需从教训中吸取经验，对各类立管抗低温性能进行研究，在面对下一次寒潮时能做到将影响降至最低。

小区给水立管是指竖向布设在多层或高层建筑物上，联通单元总管到用户水表之间的给水管道，是供水系统的最末端[3]。本试验主要研究给水管网立管在严寒天气条件下，管道冻裂与气温、管道材质、管径、是否受风、管道内水流状况、是否加盖保温棉的关系，做到未雨绸缪提前对给水管道进行保护措施，确保在下一次寒潮到来之际能够有条不紊地应对，达到安全稳定给水的目的。

1 苏州工业园区住宅立管概况

截至2015年底，根据立管材质、管道口径和铺设方式3个方面统计的立管数据可知如下。(1)立管材质：内衬塑镀锌管占苏州工业园区立管总量的79.3%；其次是PPR管，占苏州工业园区立管总量的8.5%；剩余为PVC管、不锈钢管、铝塑管以及PE管，其中，不锈钢管使用量虽然仅占到总量的1.8%，却是超高层小区必备的材质。(2)管道口径：立管口径主要集中在DN40～DN50，占总量的62.3%。(3)铺设方式：立管铺设位置分为楼梯间、管道井和外墙壁这3种，其中：位于管道井的立管占总量的61.0%，楼梯间立管占比30.0%，外墙壁立管占比9.0%。

如表1所示，对苏州工业园区在2016年寒潮下损坏的立管从管径、材质和损坏原因3方面进行分类统计，可知管径DN15～DN40的立管占所有损坏立管的56.8%，内衬塑镀锌管占损坏总量的73.0%，对于立管损坏原因主要为冻裂和管道老化。另外，内衬塑镀锌管的破坏量占该材质管道使用量的22.8%，PPR管、不锈钢管占比分别为57.9%和12.5%。

表1 损坏立管分类统计Tab.1 Classification Statistics of Damaged Risers

2 立管测试试验

2.1 立管测试试验原理

进行立管测试试验的控温试验箱如图1所示，该试验箱型号为CH331P，内部长高宽为3 470 mm×2 200 mm×2 570 mm，体积达到20 m3。能控制在恒温状态下，温度调节为-40～80 ℃，可手动设置且温度可恒定。当温度降至设置所需温度时，偏差在1 ℃以内，湿度同样可进行控制，保证恒温恒湿。且在试验箱外有显示屏可直观显示试验箱内实时温度及湿度。图2为需进行测试的给水管网立管测试的现场设备。

图1 控温试验箱Fig.1 Experiment Box of Temperature Control

图2 立管测试试验设备图Fig.2 Equipment Diagram of Riser Test Experiment

立管测试试验原理如图3所示，通过1根与现场水源管径一致的管道接通试验现场水源，通过异径接头接到总进水管上，将水流通进现场的保温水箱，试验水温达到1～3 ℃开始测试。进水管上安装与进水管管径一致的球阀，该球阀可关闭或开启用于测试水流静止或流动状态这2种情况。经球阀后通过三通将水流分为三路：一路安装2根立管，立管测试部分均用活接头连接，方便拆装测试管道，之后再通过异径接头变径为可安装活接头对水表进行测试；另一路同样安装2根立管，立管测试部分均用活接头连接，方便拆装测试管道；最终三路各自通过异径接头变径为与进水管管径一致，再通过三通流出后形成循环再接入进水管。因此，该试验装置可同时测试4组立管，大大减少了测试时间及测试成本。本次仅对立管试验进行分析。试验在4根测试立管上分别安装1个温度传感器，分别测试立管水温1、立管水温2、立管水温3、立管水温4，在试验箱内安装1个温度传感器用来测试环境温度，可输出模拟量信号，通过信号转换器至数据采集系统直观显示。

图3 立管测试试验原理图Fig.3 Schematic Diagram of Riser Test Experiment

图4 不同材质立管管道内水温降至0 ℃的时间分布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内水结冰导致体积增大，对管道产生压力，当压力强度及压力时间达到一定程度时，管道将会爆裂。不管何种管材的管道，只要内部水流达到结冰所需冰点温度(0 ℃)，管道爆裂只是时间长短的问题。因此，本试验主要是测试不同情况下不同管材内水温下降至0 ℃的趋势及时间。

2.2 立管测试试验步骤及参数设置

立管测试试验操作步骤是在管道内充满水后将前后闸门关闭，使管道内水流保持静止，并使用增压泵使管道内水压保持在0.3 MPa左右(模拟正常立管供水压力)[4-5]。测试24 h，通过数据采集系统观察立管内水温，若水温逐步降至0 ℃则试验立即结束。若24 h内水温一直未下降至0 ℃，测试24 h后试验也立即结束。

给水管网立管在严寒天气条件下发生冻裂的因素有很多，如环境温度、管道材质、管道新旧、管径大小、管道长度、管道内水流状况以及是否加盖保温棉等[6-8]。通过前期研究，发现管径和管长对试验结果几乎无影响，因此，按照某小区旧管道的管径大小以及控温试验箱的实际大小，选择管长3 m(“∩”型管道总长度为3 m)、管径为DN40的立管进行试验。另外，前期研究中管道内水流只有处于静止状态时才会发生冻裂等损坏，因此，本试验针对管道内水流处于满管静止状态下的立管进行深入研究。接下来将通过控制变量的方法对管道材质、管道新旧以及是否加盖保温棉3个因素进行立管试验分析。

对3种材质的立管(内衬塑镀锌管、PPR管和不锈钢管)、3种保温棉厚度下(裸露状态、包裹25 mm保温棉和包裹40 mm保温棉)、2种环境温度(-5、-10 ℃)、1种管径(DN40)、1种管道长度(3 m)、1种管道内水流状态(满管静止)、2种管道新旧以及不锈钢管的4种连接方式(环压、焊接、单卡压和双卡压)下的48种不同组合的立管抗低温性能测试试验，进行试验记录立管内水温降至0 ℃的过程。

3 立管测试试验结果与分析

3.1 管道材质对立管抗低温性能的影响

对不锈钢管、PPR管和内衬塑镀锌管3种材质的立管管道进行抗低温性能测试[9]。由于不锈钢管之间有4种连接方式：环压、焊接、单卡压和双卡压，本试验也一并考虑。

图4为不同环境温度下(-5、-10 ℃)不同保温棉厚度(0、25 mm和40 mm)的不同材质立管管道内水温降至0 ℃的时间分布。由图4可知：在裸露状态下(保温棉厚度为0 mm)，各种材质立管内水温降至0 ℃的时间无明显差异；但在包裹25 mm保温棉及40 mm保温棉厚度的情况下，PPR管的抗低温性能最差，虽然PPR管具有良好的保温耐热性能，但其抗低温性能却不及其他材质的立管。从不同连接方式的不锈钢管来看：环压、焊接、双卡压和单卡压的连接方式下的不锈钢管立管内水温降至0 ℃的时间无明显差异；仅其中一种条件下的采用焊接方式连接的不锈钢管立管内水温降至0 ℃的时间较短，可见焊接的连接方式的管道有造成管道抗低温性能降低的风险的可能性。从不同环境温度的角度来看：-5 ℃的环境温度下，不锈钢管内水温降至0 ℃所需的时间最长，包裹25 mm保温棉的不锈钢管需12.75 h，包裹40 mm保温棉的不锈钢管需18 h；-10 ℃的环境温度下，包裹相同厚度保温棉的不同材质的立管管道内水温降至0 ℃所需的时间基本相近。其中，不锈钢管和内衬塑镀锌管所需时间都较长，PPR管所需时间相比之下较短，包裹25 mm保温棉的PPR管需4 h，包裹40 mm保温棉的PPR管需7.5 h。由此可知，不锈钢管道对立管内水温保温效果最好，连接方式对其几乎无影响。

3.2 保温棉厚度对立管抗低温性能的影响

对各个立管包裹不同厚度的保温棉进行立管管道的抗低温性能测试。选择立管裸露状态(0 mm)、包裹保温棉厚度为25 mm和40 mm这3种变量因素进行试验，并分别在-5 ℃和-10 ℃的环境温度下进行。

图5和图6分别为-5 ℃和-10 ℃的环境温度下，包裹不同保温棉厚度立管管道内水温降至0 ℃的时间分布。由图5和图6可知，同等材质的立管，在-5 ℃环境温度下立管内水温降至0 ℃比-10 ℃环境温度下立管内水温降至0 ℃时间长。由2种环境温度下立管内水温降至0 ℃所需时间可知，裸露状态下的立管的抗低温性能最差，包裹40 mm厚度保温棉的立管的抗低温性能最佳。由包裹保温棉的效果可知：包裹25 mm厚度的保温棉能够将原先处于裸露状态下的不锈钢管、内衬塑镀锌管和PPR管的抗低温性能提高4.1倍、4.4倍和2.7倍；包裹40 mm厚度的保温棉能够将不锈钢管、内衬塑镀锌管和PPR管的抗低温性能提高6.2倍、6.6倍和4.5倍。因此，包裹保温棉的措施对不同材质的立管的抗低温性能的提高均有效果，包裹保温棉厚度越厚对立管内水温保温效果越好，即立管的抗低温性能就越好，其中，对内衬塑镀锌管和不锈钢管的抗低温性能的提高最显著。

图5 -5 ℃环境温度下包裹不同保温棉厚度立管管道内水温降至0 ℃的时间分布Fig.5 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipe with Different Insulation Cotton Thickness under Surrounding Temperature of -5 ℃

图6 -10 ℃环境温度下包裹不同保温棉厚度立管管道内水温降至0 ℃的时间分布Fig.6 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Riser Pipe with Different Insulation Cotton Thickness under Surrounding Temperature of -10 ℃

图7 不同新旧程度立管管道内水温降至0 ℃的时间分布Fig.7 Time Distribution of Water Temperature Falling down to 0 ℃ in Pipe of Different Risers

3.3 管道新旧程度对立管抗低温性能的影响

对不同管道材质的新旧管道进行对比试验[10]，由于取样的小区中无不锈钢管，因此，这里仅对PPR管以及内衬塑镀锌管的新旧管道进行抗低温性能试验。

图7为不同新旧程度立管管道内水温降至0 ℃的时间分布。由图7可知：环境温度为-5 ℃时，包裹保温棉厚度为0 mm和25 mm的PPR管(新管道)立管内水温降至0 ℃所需时间，比相同条件下的PPR管(旧管道)立管内水温降至0 ℃所需时间分别缩短了20.00%和16.67%，但是，包裹40 mm厚保温棉的PPR管(新管道)立管内水温降至0 ℃时间，却比相同条件下的旧管道内水温降至0 ℃时间增加了22.22%；环境温度为-10 ℃时，包裹保温棉厚度为0 mm和40 mm的PPR管(新管道)立管内水温降至0 ℃所需时间，比相同条件下的PPR管(旧管道)立管内水温降至0 ℃所需时间分别增加了16.67%和15.38%，但是，包裹25 mm厚度保温棉的PPR管(新管道)立管内水温降至0 ℃时间，却比相同条件下的旧管道内水温降至0 ℃时间缩短了27.27%。同样，对于内衬塑镀锌管的新旧不同的管道内水温降至0 ℃所需时间的数据也与PPR管类似。由此可知，相同材质同一种厚度保温棉、新旧不同的立管内水温降至0 ℃时间无明显规律，有时旧管道内水温下降慢、有时新管道内水温下降慢、有时无明显差异。经过分析，这可能与旧管道内结垢厚度及密度等密切相关，结垢物非金属材质会对导温性产生影响[11]，从而影响管道的抗低温性能。

4 结语

(1)在不同环境温度和不同保温棉厚度的条件下，3种管道材质中，不锈钢管道对立管内水温保温效果最好，即不锈钢管的抗低温性能最好。但当环境温度达到-10 ℃时，不锈钢管和内衬塑镀锌管的抗低温性能都较好。未来苏州工业园区立管铺设可根据现场实际需求，并综合考虑管道特性及成本等因素进行管道材质的选择，使管道材质选择达到最优化。

(2)由保温棉厚度的分析可知，包裹保温棉厚度越厚对立管内水温保温效果越好，即立管的抗低温性能越好，且包裹保温棉的措施对内衬塑镀锌管和不锈钢管的抗低温性能的提高最显著，包裹40 mm厚度的保温棉最大能将立管的抗低温性能提高6.6倍。因此，在寒冷气候下，用户可使用保温材料对家中的水管立管进行包裹，这样通过简单的保护措施能够避免立管冻裂的情况发生，从而保证居民的用水安全。

(3)从新旧程度不同的管道来看，相同环境温度、相同管道材质和相同保温措施下，并不是新管道的抗低温性能就高于旧管道的抗低温性能，旧管道中的结垢物反而能影响其抗低温性能。因此，在关注旧管道防冻裂的同时，也不能忽略对新管道的防护。