[12-11 17:00:46] 来源：http://www.tmgc8.com 市政工程 阅读：3888次
摘 要：提出了中小口径输配水管网采用超高分子量超强复合（UPSUP）管和PE100或钢丝网骨架聚乙烯复合（PSP）管的设想；并建立了UPSUP 和PE100 或PSP 给水管水力计算参数表等，为新型聚乙烯管在给水工程中的推广应用提供依据。
关键词：超高分子量聚乙烯超强复合管 输配水管网 水力计算参数表 给水工程 推广应用
1 前言
城镇市政给水工程的一个重要环节是输配水管网的建设，其投资占整个工程建设的65%左右。我国自来水行业上世纪以来主要沿用传统铸铁管或钢管作为市政给水管道，近年来各地推广应用球墨铸铁管代替传统金属管方兴未艾。随着国内外化学建材制造业的发展，人们对水质的要求不断提高，一种更环保、性能更优良的聚乙烯（PE）给水管逐渐被认识和使用。新世纪伊始，《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T 13663-2000 国家标准[1]、《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101-2004 行业标准[2]、2004 年3 月18 日《关于发布（建设部推广应用和限制禁止使用技术）的公告》（建设部第218 号）和2004 年7 月7 日《关于发布（建设部2004 年科技成果推广项目）的通知》（建科函[2004]142 号）发布以来，高密度聚乙烯（以下简称PE100）给水管在全国得到广泛应用。在新建和扩建的众多城镇管网设计中,dn≤400mm 的中小口径管道，大多采用PE100 给水管代替其他管材。
2 超高分子量聚乙烯超强复合管的问世
国家科学技术部发展计划司于2000 年11 月以国科计字[2000]056 号《国家科技成果重点推广计划指南项目》（2001）（以下简称《指南》）把超高分子量聚乙烯[3]~[8]（以下简称UHMWPE）管材生产技术列入化工类新材料、新产品的国家科技成果重点推广计划指南项目之一，并公布了UHMWPE 管材生产技术。《指南》对UHMWPE 管材的评语为“该项目采用连续挤出方式生产UHMWPE 管材，项目工艺先进，无三废排放，设备创新程度高；其抗冲击性是PVC 管材的20 倍，普通PE 管材的5 倍；耐磨性是钢管材的4～7 倍，PVC 和普通PE 管材的10 倍；且具有高抗腐蚀性和杰出的耐候性（特别耐低温）和抗老化性，该工艺和产品填补了国内空白，其主要性能指标已达到国际同类产品先进水平”。近年来随着国际 PE 管原材料价格飙升的趋势，为最大限度抑制纯PE 管生产成本，2004 年以来有关企业利用钢丝网作为中间层骨架，研发了超高分子量超强复合（UPSUP）管和钢丝网骨架聚乙烯复合（PSP）管[9]，使复合管在比纯PE 管壁厚减小反而性价比更优的条件下，满足建设市场对给水管材日益增涨的中价位高质量的需求。下面以 PN=1.0MPa、dn=108（110）～630mm 十种规格为例，建立UPSUP和PE100（dn=110～200mm）或PSP（dn=250～630mm）管水力计算表格，为新型聚乙烯管在给水工程中的推广应用提供依据。
3 建立水力计算表
查《给水排水管网系统》[10]，较光滑的圆管沿程水头损失可按(3.6)式计算：
1 .852 4 .87
10 .67 1 .852
C D
h q L
W
f = （3.6）
式中 hf——沿程水头损失，m（10kPa=1.02m≈1m）
q——流量，m3/s
L——圆管长度，m
D——圆管计算内径（相当于dj），m
CW——海曾-威廉粗糙系数，塑料管取150
查《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》JC/T 838-1998 行业标准[11]
附录D3.1，Hazen-Williams 的C 也是150；但再查《建筑给水排水设计规范》
GB 50015-2003[12（] 以下简称《建水规》）的表达式为i=105Ch
-1.85dj
-4.87qg
1.85 （3.6.10）：
式中 i——管道单位长度水头损失（kPa/m）
dj——管道计算内径，m
qg——给水设计流量，m3/s
Ch——海澄-威廉系数，塑料管Ch=140
市政管网水力平差计算以(3.6)式为依据，非管网平差按曼宁(Manning)公式
计算时，各种文献均规定铸铁管的n=0.013，塑料管（含玻璃钢管）的n=0.009，同等流量和内径时，塑料管i 是铸铁管i 的(0.009/0.013)2 即0.479 倍，而按(3.6)
式进行管网平差时，考虑使用20 年的铸铁管CW=90～100 可取100 与（3.6.10）式Ch=100 一致，塑料管i 是铸铁管i 的（150/100）-1.852 即0.472 倍，对照曼宁及
海曾-威廉两种公式的相应比值为0.479 及0.472，基本持平，因此，建筑给水塑料管按《建水规》[12]取Ch=140；而市政输配水PE 管则按文献[10][11]取CW=150。
美国的有关资料指出，UHMWPE 管的内壁比其它塑料管光滑得多，CW 试验值为155～165 可取160。当C 值为150 时，公式（1）及公式（2）可用于PE 管道
水头损失和平均流速的简化运算：
I=AQ-1.852, A=9.95504×10-4dj
-4.87 （1）
式中 I——PE 管道单位长度水头损失，10kPa/m≈m/m
Q——给水设计流量，m3/s
A——比阻，(m3/s)-1.852
dj——PE 管道计算内径，m
v=KCQ, KC=1.27324dj
-2 （2）
式中 v——PE 管道平均流速，m/s
KC——流速系数，m-2
为便于计算，笔者将UPSUP 和PE100 或PSP 给水管不同管径当PN=1.0MPa的dj、KC、Q、A、I 值列于表1 及表2。由于UHMWPE 管的耐磨性是PE100管的3.5 倍，因此，理论上其使用65 年仍可保持内壁越磨越光滑的特性。当采用CW=160 时，表1 中的A 值应乘以0.88734 的修正系数。
表 1 PN=1.0MPa 给水管水力计算参数
管材
dn×en
/mm
dj/
mm
KC/
m-2
Q1/
(m3.s-1)
Q2/
(m3.s-1)
A/
(m3.s-1)-1.852
I1/
(m.m-1)
I2/
(m.m-1)
108×6 0.0960 138.2 0.0072 0.0145 90.0289 0.009686 0.035419
160×8.5 0.1430 62.26 0.0161 0.0321 12.9287 0.006174 0.022162
200×10 0.1800 39.30 0.0254 0.0509 4.21566 0.004684 0.016971
250×10 0.2300 24.07 0.0415 0.0831 1.27770 0.003524 0.012751
300×11 0.2780 16.47 0.0607 0.1214 0.50763 0.002831 0.010222
355×13 0.3290 11.76 0.0850 0.1701 0.22351 0.002326 0.008405
400×14 0.3720 9.201 0.1087 0.2174 0.12289 0.002017 0.007280
450×15 0.4200 7.218 0.1385 0.2771 0.06805 0.001749 0.006318
500×16 0.4680 5.813 0.1720 0.3441 0.04017 0.001542 0.005570
U
P
S
U
P 630×19 0.5920 3.633 0.2753 0.5505 0.01279 0.001173 0.004234
110×6.6 0.0968 P 135.9 0.0074 0.0147 86.4629 0.009787 0.034890
E 160×9.5 0.1410 64.04 0.0156 0.0312 13.8467 0.006238 0.022518100 200×11.9 0.1762 41.01 0.0244 0.0488 4.67729 0.004824 0.017416
250×10.5 0.2290 24.28 0.0412 0.0824 1.30510 0.003552 0.012822
315×11.5 0.2920 14.93 0.0670 0.1340 0.39960 0.002676 0.009661
355×12 0.3310 11.62 0.0861 0.1721 0.21701 0.002313 0.008340
400×12.5 0.3750 9.054 0.1104 0.2209 0.11817 0.001996 0.007210
450×13.5 0.4230 7.116 0.1405 0.2811 0.06573 0.001735 0.006267
500×15.5 0.4690 5.788 0.1728 0.3455 0.003976 0.001539 0.005555
P
S
P 630×22 0.5860 3.708 0.2697 0.5394 0.01344 0.001187 0.004284
注：I=AQ1.852,v=KCQ, Q1 与Q2 为 v=1 与2m/s 时的流量，I1 与I2 为v=1 与2m/s 时单位
长度管道的沿程水头损失m/m。以设计某管段Q=480L/s=0.480m3/s 为例，若选用UPSUP 管，PN=1.0MPa，欲控制v 在1～2m/s 之间，取dn×en=630×19，实际v= KCQ =3.633×0.480=1.74（m/s），实际I=AQ1.852=0.00977×0.481.852=0.003285（m/m），介于I1 与I2 之间。
4 UPSUP 和PE100 或PSP 管材性价比
4.1 管材机械性能
UPSUP 管材内外层为UHMWPE 主材料，而PSP 管材内外层为PE100 主材料，为便于比较把UHMWPE 和PE100 管材的机械性能列于表2。
表 2 UHMWPE 及PE100 管材的机械性能
抗冲击强度/（kJ.m-2）
管材
分类
热变形
温度/
℃
拉伸断
裂强度
/MPa
23℃ -10℃ -40℃
磨擦
系数
/mm3
耐疲
劳性
基数
抗环境
应力
开裂
耐老化
使用寿
命/a
UHMWPE 85 35 ＞100 ＞110 ＞130 0.08 ＞20 ＞2000 65
PE100 71 22 18 13 6.7 0.28 1 1000 50
注：对输水管道而言，其内壁磨擦系数越小则耐磨损能力越强，UHMWPE 管材的耐磨性是PE100 管的3.5 倍。
4.2 管材价格
以PN=1.0MPa 的UPSUP 和PE100 或PSP 管材市场价格为例列于表3。
表 3 UPSUP 和PE100 或PSP 管材的市场价格
UP dn/mm 108 160 200 250 300 355 400 450 500 630
S
UP
单价
/(元.m-1)
62 130 192 242 321 449 546 659 782 1173
dn/mm 110 160 200 250 315 355 400 450 500 630
PE100
/PSP 单价
/(元.m-1)
77 153 237 371 533 680 827 1084 1273 2200
注：UPSUP 管按0.101（dn-en）en 计算市场单价，平均值比PE100 或PSP 管低38%。4.3 输送流量
在管道水头损失相等的条件下，流量与A-1/1.852 成正比，据此列出PN=1.0MPa
不同管径的UPSUP 和PE100 或PSP 管道的输送流量于表4。
表 4 UPSUP 和PE100 或PSP 管道输送流量
dn/mm 108 160 200 250 300 355 400 450 500 630
A(表1) 90.029 12.929 4.2157 1.2777 0.5076 0.2235 0.1229 0.0680 0.0402 0.0128
UP
S
UP Q(相对) 98 104 106 101 88 98 98 98 99 103
dn/mm 110 160 200 250 315 355 400 450 500 630
A(表1) 86.463 13.847 4.6773 1.3051 0.3996 0.2170 0.1182 0.0657 0.0398 0.0134
PE100
or
PSP Q(相对) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
注：UPSUP 管道输送流量PE100 或PSP 管道的99%，基本持平。因UHMWPE 管材耐磨损能力特别强，
使用时间越长其内壁越光滑。
5 环境温度与允许工作压力
在20℃以上环境温度范围内，聚乙烯管材的允许工作压力与其环境温度的
高低成反比，其调整系数根据国内某企业标准和文献[1]列于表5。
表5 不同环境温度下UHMWPE 和PE100 管道压力的调整系数
使 用 温 度/℃
管材
-10 -5 0 5 10 15 20 23 26 28 30 32 35 36 38 40
UHMWPE 1.10 1.10 1.10 1.08 1.06 1.03 1.01 1.00 0.97 0.95 0.93 0.88 0.80 0.79 0.76 0.74
PE100 — — — — — — 1.00 0.96 0.92 0.90 0.87 0.84 0.81 0.79 0.77 0.74
注：PE100 管道环境温度低于-10℃时，调整系数呈下降趋势。UHMWPE 管则相反，特别适宜在寒冷地区
使用。
6 结语
①UPSUP 和PE100 或PSP 管都是国家推广使用的环保型产品，其接口均为热熔连接。 dn≤400 中小口径管材，适合作为埋地敷设[2]的输配水管材。
