发泡塑覆保温安全型自来水金属管的研制及分析

1、发泡塑覆保温安全型自来水金属管的研制及分析陈仁慈 周宝发一、前言众所周知，传统的镀锌钢管作为冷水管道使用5年左右及热水管道使用2年左右极易生锈，导致管壁锈蚀后粗糙结垢、堵塞、水流量减少、水龙头损失大、易泄露、易生细菌影响水质，在保养维修时极易破坏建筑物，故物业管理需投入大量的人力、物力、财力等缺陷，在国外工业发达国家早已被淘汰。上海市建设委员会于1998年3月12日率先发文沪建材98第0141号通知：在本市工程中实施禁止使用镀锌给水钢管的规定后，全国各地相继发文禁止设计使用镀锌给水钢管，就此引起一场“建材用给水管道的大革命”，全国各地先后出台推广应用塑料给水管、不锈钢水管、纯铜水管及其各种金属

2、塑料复合给水管，新型管材层出不穷。目前家庭装饰中因给水管系统质量问题引起的纠纷日益增加，由于各种各样的管材、质量参差不齐，管件不能配套不久便发生接头渗水、管材耐压不够发生爆裂、防冻保温效果差引起管材外表结露而损坏地板、墙体磁砖，粗制滥造的管材和管件如同在住宅里埋下的“定时炸弹”，严重危害家庭和建筑工程的安全和质量，“管材热”须冷思考。“管材热”的冷思考之一是需理性投资，避免盲目投资造成的经济损失；冷思考之二是管材市场必须规范管理，有关部门正确引导管材行业健康发展；冷思考之三是开发更完善的管道系统。因环境变化，所输送流体的不同以及管道材质的差异，输送液用管道的防腐、防冻和保温技术一直是世界各国进

3、行研究的主要课题，管道保温是减少热损、节约能源的重要方面；管道的防冻、防腐是保证流体输送正常、延长管道寿命和减少管道损坏的另一重要方面；管道保温、防冻、防腐研究的重点是如何选择最佳保温结构和材料以及如何实现工业化生产。管道传统的保温方式是将保温材料通过手工绕包或穿套在管道外表，这样的方式需要消耗大量的人力、物力、不仅劳动强度大，操作人员的安全也存在一系列的问题，还常常因手工操作不当引起材料的浪费或包缠方法不够正确而引起的保温效果差，造成能源和经济的损失，有时也因保温材料选用不当或外保护层起不了保护作用而造成不必要的经济损失保温金属管道是一个重要应用领域是卫生饮用水的输送系统，特别是涉及到千家万

4、户的自来水冷热供水系统，随着镀锌管被逐渐禁用、铜管和不锈钢管使用量的增大，新型卫生金属管道在推广应用时的保温、防冻、防腐问题显得特别重要。宝洋公司于1996年向市场推出塑覆铜管技术和生产线后，使铜管在民用市场的应用份额日益增加，第1代塑覆铜管已占上海新型绿色管材市场的10以上。由于当时的氮气发泡塑料技术应用尚未成熟，第一代塑覆铜管虽在一定程度上起到防腐作用。但在实际使用中缺陷明显，急需改进。1994年欧洲室内水管以安装总长度为12.69亿米，其中金属管占67，到1999年安装长度增加为16.05亿米，其中金属管占64，铜水管占20。随着民用建筑装潢市场的升温，保温金属管(铜管、不锈钢管)在给水

5、输送工程中将有广阔前景。发泡塑覆保温铜管主要应用于输送饮用水、卫生用水和民用天燃气、煤气、氧气及对铜无腐蚀作用的其他介质。二、产品设计和研究1材料研究适合饮用水输送材质标准的聚乙烯塑料和纯紫铜管作为保温铜水管的首选基材，通过成熟的气体发泡塑料技术和挤出复合技术作为产品的加工工艺，设计合理的产品结构和生产线，是本产品研究的三个重要方面。1.1内层铜水管材的特点：由于镀锌管被禁用之后，铜水管就是可选用的主要金属管材，本产品采用无缝T2Y2型紫铜管，含铜量99.90，作为发泡塑覆保温铜水管的基材。纯紫铜管集金属管材与非金属管材的优点，具有：强度大比塑料管材坚硬，具有一般金属的高强度；韧性好比一般金属

6、易弯曲、易扭转、不易裂缝、不易折断；延展性强可制成薄壁铜管及配件，重量轻，仅为同径钢管的1/3。纯紫铜管材的适配性强：纯紫铜管材及其配件品种规格较齐全，直径范围大，可从6mm250mm任意选用，能满足工程安装中管道布线和互相连接的一切需求；尤其在现场施工中管件的临时截断、折弯、打痕和焊接等都轻松自如。纯紫铜管材经久耐用：铜是一种质地坚硬的金属，在化学活性排序中的序位很低，比氢还靠后，仅高于银、铂、金，因而性能稳定不易被腐蚀；用铜制的管材、配件及容器可以用于输送冷热水、海水、油类、酚、醇和非氧化性有机流体及煤气等，用途广泛；不污染流体，不易积存污垢，一已完工可长期使用，几乎无需修理更换。纯紫铜管

7、材卫生健康：铜能抑制细菌生长，保持饮用水清洁卫生；据资料介绍，供水中的大肠杆菌在铜管道内不能再继续繁殖，99以上的水中细菌在进入铜管道5个小时后自行消失。纯紫铜管材具有不可渗透性：铜制管材及其配件坚固密实，铜的表面形成了一层密实坚硬的保护层，无论是油脂、碳水化合物、细菌和病毒、有害液体、氧气或紫外线均不能穿过它，也不能侵蚀它污染水质；寄生物也不能栖息于铜表面使其软化，这是塑料管道不能做到的。 1.2食品级聚乙烯塑料具有优良的电绝缘性和机械性能，良好的化学稳定性，低的透气性和小的吸水性，比重小，无毒性，具有优良的抗腐蚀性和易于成型加工特点。选择聚乙烯塑料作为发泡体层和保护层的基材，配以发泡助剂、

8、泡体稳定剂、抗氧剂、加工助剂、着色剂、光屏蔽剂等，与铜管共挤出“一步法”成型，产品可达到标准要求。2气体发泡塑料和共挤出研究2.1N2发泡塑料讨论塑料泡沫如何才是最佳的隔热保温效果?实验证明物理发泡方式(气体)因泡体具有封闭的气泡结构而比化学发泡方式(化学发泡剂)的开孔结构的隔热能力提高数倍。封闭的气泡中填充气体种类也直接影响泡体的隔热能力，空气的导热系数(0，kcal/m.h.)为0.021，而空气中N2的导热系数为0.0172，且来源广泛，价格便宜，用N2充填气泡形成的泡体其隔热效果具有较低值。泡体配方的研究经多次试验，在N2挤入塑料熔体压力为0.20.4MPa的条件下。2.2保护层塑料的

9、讨论发泡塑覆保温铜管的泡体表面有一层外表保护，除了起到保护发泡体易受损坏外(具有一定机械强度)，还应有防腐、抗光热老化、防火阻燃作用。2.3塑料共挤出讨论经过表面处理和预热处理的铜管连续不断通过塑料共挤出复合模具，塑料发泡体首先包覆铜管，外保护塑料层再包覆发泡体形成三层复合管，共挤出模具的合理结构最重要。复合管共挤出时工艺控制对产品尺寸和稳定性有很大影响，典型挤出复合模具温度控制为1603。3产品研究3.1图(1)为发泡塑覆保温铜管产品结构图。图中三层结构在工艺上实现“一步法”成型，此种金属复合管具有合理的结构，三层材料有机组合，各尽其能。铜管起安全输送卫生饮用水作用，也便于安装连接；N2充填

10、的发泡体起到隔热、防冻保温作用，其封闭的气孔结构起到了保证管道输送畅通、隔热效果极佳以及防潮防露的功能；外保护层具有防止发泡体受损、防火阻燃、具有一定的机械强度和防老化作用，延长了管道的使用寿命。3.2一般家庭用热水的使用温度介于常温和80之间。在此温度范围内，混凝土的热传导系数最大(1.4kcal/m.h.)，水的热量极易流失造成管末端无法达到所需温度；若水管温度直接传热到混凝土中，会造成混凝土经常性热胀冷缩及内应力的反复变化，造成混凝土龟裂及材料疲乏，导致混凝土快速老化；暗埋热水系统管道的保温程度好坏会影响建筑物的寿命以及节约能源问题。图2是发泡塑覆保温铜管的内外表面温度随时间变化图，保温

11、管道内外表面温差达30。图3为第1代塑覆铜管和第2代发泡塑覆铜管管外温度随时间变化图，第2代产品管外温度比第1代产品低12，表面温度降低达21。管道在明设使用时，除了需具备防火阻燃、防烫(人体安全)与节能外，管道在寒冷环境下防冻特别重要，表1为第2代产品与第1代产品在15的环境下管内静止水的结冻数据，实验表明发泡塑覆保温铜管有较为理想的抗冻防冻能力。3.3第2代发泡塑覆保温铜管的导热系数测定，采用管道法，其导热系数经测定，发泡塑覆保温铜管的导热系数为0.0361w/m.k(0)，表2为不同类给水管材的导热系数比较。 =qln(d2/d1) 2l/(t2t1)其中导热系数，w/m.k；q热流密度

12、，w/m；d2，d1 塑覆铜管外、内径， mm；l塑覆铜管实验长度，m；t2t1塑覆铜水管内、外壁温差，。表2显示第2代发泡塑覆保温铜管在目前供水管道中具有最低的导热系数，第2代产品的导热系数与第1代产品比较降低73。发泡塑覆保温铜管是目前最为理想的防冻保温节能型饮用水管材。三、生产技术和产品性能“一步法”成型发泡塑覆保温铜管其工艺流程如下：典型的90型挤出机挤出工艺如下：第1段加热温度110第2段加热温度145第3段加热温度160螺杆转速RPN20生产速度(28铜管为例)5m/min产品性能产品已通过1.卫生防疫部门检验，上海市卫生局已颁发卫生许可证。2.上海建筑材料及构件质量监督检验站报告

13、。3.上海消防产品质量监督检验站报告。4.上海有色金属质量监督检验站报告。四、应用和结论发泡塑覆保温铜管进入市场受到客商普遍赞赏，一方面因其具有独特的防冻保温性能是其它水管道无法比拟的，另一方面是安装可靠(焊接)，并配有自粘式发泡保温带保温管件，图4焊接管件和焊接法，目前卡套式管件正在试用阶段。发泡塑覆保温铜管在九赛沟国际大酒店的热水输送系统、史密斯热水器配套热水系统以及在民用装潢市场开始使用，市场反映极佳。本项目在继续开发之中，发泡塑覆保温不锈钢管、发泡塑覆保温软铜盘管、大尺寸发泡塑覆保温钢管等已立项研究，发泡塑覆保温金属管技术和产品将得到更广泛的用途。本项目的研制结论如下：(1)“发泡塑覆保温金属管”技术、产品先进，填补了国内空白，成果达到九十年代国际先进水平，已申请国家发明专利(已公告)，本成果已经获得上海市高新技术成果转化项目认定A级证书，上海市科学技术成果鉴定证书，上海市新产品鉴定证书等。(2)“发泡塑覆保温金属管”产品具有合理的三层结构，工艺成熟，生产无三废，实现了金属管道防冻保温工业化连续生产。解放了劳动力，具有较好的节