给水系统中PE管与钢管性能比较.docx

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给水系统中PE管与钢管性能比较

给水系统中PE管与钢管、铸铁管、水泥管的应用比较

随着科学的进步和技术的发展，自来水管网的管材也发生了不小的变化，由当初的铸铁管到目前普遍使用的钢管、水泥管，以及越来越受到青睐的PE管。

PE管又称聚乙烯管。

国外从20世纪40年代初就已大规模应用PE管输送城市自来水。

PE管现已发展成为一种成熟的管材，国外发达国家聚乙烯自来水管道应用率已达95%以上。

我国从80年代初期开始这方面的研究工作。

目前，全国已有上百个城市不同程度采用PE管输送自来水，并取得了良好的效果，同时也积累了成熟的经验。

PE管的优势越来越受到关注，传统的钢管、铸铁管、水泥管受到了挑战。

下面就PE管，钢管、铸铁管、水泥管在给水系统中的应用作一下简单的比较。

1．管材的性能比较

1．1    PE管耐腐性能，使用寿命长

钢管耐腐蚀性能差，敷设在地下时需要采取防腐措施，如沥青玻璃布，环氧煤沥青，牺牲阳极保护法等，而PE管则同铸铁管、水泥管一样无须采取防腐措施，施工时既节约了资金又节省了时间。

钢管使用寿命为20年，铸铁管为40年，水泥管使用寿命为30年，PE管则为50年，因此使用PE管可使管网改造时间延长，其一次性投资的经济效果好于钢管和铸铁管、水泥管。

PE管的耐腐蚀性非常好。

例如：

在20℃条件下，它可以安全输送浓度为98%的硫酸。

这在球墨铸铁管是不可想象的。

球墨铸铁管的耐腐蚀性相对较差，从使用寿命来看它无法达到PE管的水平。

而且在整个管道系统的使用维护方面球墨铸铁管必须付出防腐处理费，后期维护费用等。

由此可见，维护费用为零的PE管时管材使用的最佳选择。

1．2    PE管柔韧性好，便于施工

自来水管网在施工过程中，根据策划，设计的要求，需要设置坡度和角度。

钢管为保持坡度和角度，需要采用三通及45°，90°，135°弯头等标准管件，从而增加了管件和接口数量。

铸铁管、水泥管接口虽具有一定的可挠性，但其可挠度只允许在≥6°的范围内进行调节。

PE管由于其自身具有较好的柔韧性，可以蜿蜒敷设，在允许的弯曲半径内无须弯头即可绕开障碍物，减少弯头，利用PE管的柔韧性进行转弯，可有效得降低节点水头损失。

PE管容许弯曲半径见表1。

由于其柔韧性好，较之钢管、铸铁管、水泥管对由于路面载荷的变化及地震等因素，有更好的适应性。

表1PE管道容许弯曲半径

管道公称外径D（mm）

容许弯曲半径R（mm）

D≤50mm

R≥30D

50

R≥50D

160

R≥70D

注：

表1为常温下，当管上无承接头时，PE管的容许弯曲半径。

当管道上有承插接头时，容许弯曲半径不小于125D。

1．3　管道的技术可行性分析（均以dn800给水管作为计算测算）

1、流速计算：

式中  

di:

管材内径（m）

u：

管内水的平均流速（m/s）

 Q：

管材输水量（m3/s）

球墨铸铁管DN800（K9级）流速=1.15 m/s

混凝土管DN800 流速:

=1.15 m/s

PE管材流速:

Φ800×19.6mm（0.63Mpa）管材=1.27米/秒

结果表明,三种管材流速均在经济流速范围之内,是可行的。

1.4　水力计算：

球墨铸铁管水力计算球墨铸铁管内流速＜1.2 m/s时，单位水头损失可由下式计算。

式中:

：

每米管道的水头损失（米）

：

管材内径（m）

：

管内水的流速（m/s）

代入得水力坡降系数

  =0.0029m

钢筋混凝土管水力计算

流速系数C可按下式计算

式中:

：

每米管道的水头损失（米）；

：

管材内径（m）；

R：

水力半径 满流取d/4；

：

管内水的流速（m/s）；

C：

流速系数。

代入得单位水头损失

  =0.00222m

PE管材水力计算

塑料管的沿程损失可计算如下：

水力摩阻系数λ由下式计算

先确定管内流体的雷诺数Re=966216

式中   Re：

管内流体的雷诺数

di:

管材内径（m）

u：

管内水的流速（m/s）

υ：

水在20℃下的粘度=1×10-6  （m2/s）

故Φ800×19.6mm管材λ=0.011

沿程水头损失由下式计算：

=0.0012米水柱

结果表明，PE管材由于内壁相当光滑，单位长度水头损失小于同口径铸铁管材或混凝土管，可有效降低水泵的扬程，节约运行成本。

1.5　水锤压力计算：

对停泵水锤压力增值可由以下公式计算：

其中压力波回流速度

式中

：

水锤压力（m）         

：

流速变化，取平均流速

a：

压力波回流的速度（m/s）

：

水的重力密度取10×103N/m3

 K：

水的体积模量取2200×106N/m2

Ep：

管材的弹性模量，PE管材取3000×106N/m2，球墨铸铁管材160000×106N/m2，混凝土管取206000×106N/m2

di：

管材内径

en：

管材壁厚压力波回流速度计算：

球墨铸铁管材:

=889.8m/s

则水锤压力增值

 =104.4米水柱

钢筋混凝土管:

      =1374m/s

则水锤压力增值

=161米水柱

PE管材  Φ800×19.6mm：

  =267m/s

水锤压力增值

=35米水柱

计算结果表明：

因为PE管材较球墨铸铁管材、钢筋混凝土管材具有更低的弹性模量，水锤压力的增值明显降低，可有效防止水锤压力波动对管材本身造成的危害，提高管道运行的安全性能。

2．PE管连接方式

钢管采用焊接和法兰连接，铸铁管采用胶圈，压兰或V型圈，O型圈连接套连接，水泥管用胶圈连接，PE管较之前三者，大部份情况下都采用热熔连接。

热熔对接连接工艺特点是操作简单，效率高，适合于野外操作。

其接口强度满足管道运行要求，抗拔力较强，施工成本低。

PE管的这种连接方式接头强度很好，打压可一次通过。

同时，采用PE管施工亦较使用钢管、铸铁管、水泥管省时。

尤其是当管径

球墨铸铁管由于一般使用承口连接，一旦完工后发生沉降则刚性连接的封口就成为一个很大的漏点。

PE管由于其柔韧性，所以抗沉降甚至地震方面具有无可比拟的优势。

曾经有PE管材安装在云南丽江，在一次5.8级地震中管材被甩出管沟近2米仍能保持正常工作，管道接口没有发生断裂、渗漏，就是极好的例证。

3．工作量与施工时间的比较

表2工作量比较表

管材

焊工

管工

技工

力工

总人数

PE管

1

2

3

铸铁管

2

2

4

钢管

1

1

2

4

水泥管

1

1

2

4

8

表3工作时间比较表

管材

所用时间（分钟）

合计（分钟）

钢管

打坡口

对活

焊接

23

5

3

15

铸铁管

安装压兰

动对活

班连接

17

3

7

7

PE管

打磨吸热

班连接

冷却

15

5

3

7

水泥管

安环

动对活

班连接

19

3

8

8

表2为4种管材的管线管径同为DN200时，只用一组人员施工所用人员情况比较。

从中可以看出使用PE管所需施工人员最少。

表3为以DN200管线为例4种管材完成同样工作量所需时间比较，从中可看出采用PE管施工亦较使用钢管、铸铁管、水泥管省时。

尤其是当管径

4． PE管与钢管的经济性比较

4.1、PE管具有钢管、铸铁管、水泥管无法比拟的优点，那么，它在价格上是否也同样具有优势呢？

工程造价比较（元/米）

管材名称

管材价格

管沟开挖

管沟基础（m3）

管道基础

回填　

管道防腐

管道安装

直接费

综合费用

综合造价

PE管dn800

892

34

原土夯实1.6

33.84

15.08

976.40

9

985.40

球墨铸铁管dn800

968

34

原土夯实1.6

0.6

33.84

21.93

24.89

1084.36

12.73

1097.09

钢筋混凝土管dn800

400

34

原土夯实1.6

0.6

33.84

36.05

36.05

541.64

19.91

561.55

通过表中的比较，可知PE管在价格上是可行的。

由于小管径PE管管件价格较贵，因此在设计、施工中应尽量减少小管径管件数量，从而降低投资，取得较好的经济效果。

4.2、常年运行费用（能耗）比较：

管网常年运行费用是通过泵站电能消耗来维持的，我们按泵送压力输水部分管线为19公里，管径均为dn800测算， PE管材取代球墨铸铁管材及钢筋混凝土管常年运行耗电量的节约按照下式计算：

式中:

E：

年运行耗电量（KWh）

Q：

日供水量（m3/d）

H：

水泵工作全扬程差（m）

H=（Δh球-Δh塑）×L

Kd：

供水日变化系数取1.2

η：

机泵效率取70%

PE管材与球墨铸铁管相比

PEΦ800×19.6mm管材年节电量

  = 193 万KWh

PE管材与钢筋混凝土管相比

PEΦ800×19.6mm管材年节电量

  = 115.4 万KWh

由此，合理使用PE管材替代球墨铸铁管材及钢筋混凝土管材，日常运行费用仅用电量一项每年即可大幅降低。

4.3、常年运行费用差额折现

在取管道全寿命期均为n=30年（据报道德国发现二战时所铺设PE管材，经检测管材各项标准均在DIN标准之上，寿命已超过其50年的设计寿命），折现率取i=7%（公益性，如商用则为12%），残值为零，管道按当年投资当年运行计算。

则：

△E’=△E×[1+1/（1+i）+1/（1+i）2+1/（1+i）3+…1/（1+i）29]

PE管材与球墨铸铁管相比

PEΦ800×19.6mm管材年节电量193 万KWh则△E’=192×[1+1/（1+7%）+1/（1+7%）2+1/（1+7%）3+…1/（1+7%）29]=192×12.409=2382.3万KWh

PE管材与钢筋混凝土管相比PEΦ800×19.6mm管材年节电量90.5 万KWh则

△E’=115.4×[1+1/（1+7%）+1/（1+7%）2+1/（1+7%）3+…1/（1+7%）29]=1432万KWh

结果表明，当保证50000吨/天的输水状况下,球墨铸铁管及钢砼管在全寿命期间比PE管多支出的运行费用（电耗）折现值如下:

球墨铸铁管与PEΦ800×19.6mm管材相比多支出2382.3万KWh,钢砼管与PEΦ800×19.6mm管材相比多支出1432万KWh

PE管道的寿命比传统管材运行寿命更长。

在全寿命期工程总造价中将年运行费用折现为工程建设时的值能大大降低成本。

管材选择时，选择低摩阻的PE管材，在相同管径的条件下它可有效降低常年运行费用，节约能源，大幅提高输水能力，切实保证管道投资的经济性与功能性的统一。

在出厂水压相同条件下，低摩阻的PE管道可以保证更远距离用户的水压要求，减少二级泵站的设置，有效避免管网中的资用水头（可利用的水压）的浪费，节约能源。

5、管道系统运行过程中水力比较

球墨铸铁管的内壁比较粗糙，光洁度一般不超过Ra6.3，流体的水头损失比较大。

长距离输送时加压站的间距小于PE管，泵站的总功率也需要提高。

PE管的内壁光滑，水头损失比较小，上述投资要小于球墨铸铁管。

在供水管水力计算公式中关于摩阻系数λ的计算公式为：

λ=0.11[（K/D）+（68/Re）。

其中Re为雷诺系数；D为管内径；K为管内壁绝对粗糙度。

PE管K=0.01mm；新的球墨铸铁管K=0.06mm，运行30年后K值将增大5-10倍，而PE管的K值波动不超过5%。

在此公式中，球墨铸铁管的λ值将远远大于PE管。

在海澄-威廉公式中Q=0.2785CD2.63I0.54。

Q为流量；C为海澄-威廉摩阻系数；D为管内径；I为水力坡降。

其中PE管C=155，且不随运行时间变化。

球墨铸铁管新管C=130，运行30年后取90。

由此可见，相同通径条件下，球墨铸铁管的过水能力为PE管的83.87%；运行30年后为PE管的58.06%。

也就是说要达到远期使用效果相同，球墨铸铁管必须大大加大管径以满足过水能力随时间变化造成的损失，因此配套的阀、泵等一系列产品都要加大投资，这在投资上是不经济的。

由此可知PE管过水量大，节约初期建设时的费用。

本处以DN200铸铁管与DN200PE管作对比：

DN200铸铁管：

设定流速为1.5m/s流量为0.1884m3/s比阻为9.029　水力坡度i=9.029×Q2=9.029×0.18842=0.32

PE管道：

PE100DN200PN1.25Mpa壁厚为14.7mm

在与D200铸铁管道同样的水力坡度下

i=0.32=0.000915×Q1.774/de4.774

=0.000915×Q1.774/（0.2－2×0.0147）4.774

=0.000915×Q1.774/0.17064.774=4.2457×Q1.774

Q1.774=0.32/4.2457=0.07537

Q=0.2328m3/s

由以上计算可以看出，在管道运行过程中，PE管的沿程水头损失要比金属管道小得多。

在管道运行过程中，比金属管道有更大的效费比。

6、施工方面的比较

施工方面，钢材的比重是聚乙烯的8倍。

由于球墨铸铁管很重，所以要在平行于管沟的方向修一条施工便道，让运输车辆和吊车到达施工地点卸货；让吊车协助安装。

这在施工上是一笔比较大的费用，尤其在山地、丘陵地区。

PE管比较轻，因此可以人工搬运，特别是在使用大管径管道的时候更能体现其优越性。

球墨铸铁管的管沟沟底必须做基础。

而且由于连接是在沟中进行，所以管沟必须比管材外径宽0.6米以上，以方便工人操作。

在转角、三通等位置还必须加水泥支墩。

在有交通负荷的浅埋地区上方必须做加强保护等。

对于PE管，它可以在地面焊制成400-600米甚至1000米的长管后推入管沟，这样管沟的宽度可以仅仅大于管材外径就可以了;同时沟底不需要做基础;这样可大大减少施工的土方量。

对于有交通负荷的浅埋地区，实践证明只要埋深大于1米即可认为它不影响管材使用。

这在国际标准施工要求中有明确说明。

7、PE管在使用过程中的维修与维护

PE管耐腐蚀性能优于球墨铸铁管，在没有外部因素影响下，整个管网实现零维护。

遭外力破坏后PE管道断水维修作业方法：

采用电熔鞍形管件封堵小孔；采用2个电熔直接修补一段管道；采用法兰连接修补一段管道。

如下图所示：

遭外力破坏后PE管道不断水维修作业方法：

采用抱箍进行维修，采用抢修器进行维修。

8、综合评述与结论

综上所述，PE管材的优点明显，其粗糙系数低，由于塑性管水力坡降较小，相对与其它传统管材而言在出厂水压相同时，在管网相同的地点上用户水压会高于传统管材，可以保证更多用户对水压的要求。

常年运行费用（即水力坡降、能耗）、管径相同时的输水能力，塑料管输水能力较传统管道高。

流量、常年运行费用相同时，塑料管材较传统管道小，与同规格的球墨铸铁管相比有更好的输水能力及更低的运行费用；而其耐腐蚀性、重量轻、安装简便、施工费用低、运行寿命长的特性优于球墨铸铁管。

塑料管道在全寿命期工程总造价中将年运行费用折现为工程建设时的值能大大降低成本由上可知：

大口径PE管材用于给水工程，在技术上是完全可行的，并可提高工程进度，降低施工费用，节约运行成本。