铜管与塑料管的性能比较

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1、用于冷热水配水系统铜与聚丁烯的比较铜管道系统的性能和成本适当的优点在本文对用于建筑施工的可供选择的 管道材料的技术对比中加以了强调。文中讨论了配水系统常见的正常和恶劣运 行条件下材料的性能。注意：本指南适用于工程师、管道系统和供暖承包人、机械技工及其他从事管 道、供暖、空调、冷冻和洒水灭火系统设计和安装的人。本指南是根据试验、 研究、制造、标准和咨询组织提供的资料编写的，铜发展协会（CDA）相信这 些数据是可靠的。但是CDA对该指南以及使用该指南的任何个人和组织不承担 任何责任和义务，也不由此作任何代表或保证。刖 言在过去的几年中，塑料迅速发展，令人注目，寻求替代传统应用中的许多 金属。这些聚

2、合材料的性能如何？这篇报告将聚丁烯和铜作为冷热水配水系统 中的管道材料进行比较，从而部分回答了这个问题。材料在本报告中讨论的铜器件分别是按照ASTM标准规范制造的铜管以及按照 ANSI/ASME B16.8和B16.22制造或锻造管接件。铜被用于各种不同压力的管 道中，例如家庭用水、供暖、洒水灭火系统、空调、工艺用水、融雪、太阳能 供暖和医疗气体系统。自 1930 年推出现代铜管配水系统后，就开始安装并连续 不断地被使用。聚丁烯器件包括按照 ASTM D3309 标准制造的聚丁烯管，以及按照 ASTM F845 标准制造的插入和压接塑料管接件 （但是为聚丁烯以外的材料）。 管径为 1 英寸或

3、1 英寸以上的系统，没有压接管接件。对于管径达2 英寸的系 统，使用聚丁烯或CPVC （氯化聚氯乙烯）塑料的热熔或压合管接件（ASTM D3309）。聚丁烯只是近几年才采用于游览车和住宅的配水系统。系统冷热水配水系统包括供水的配水管道、接头、管接件和控制装置。管道系 统与各种装置连接，包括热水器、水调节器、洗碟机、洗衣机、水龙头、盥洗 室、浴盆以及许多断流、截止、温度和压力控制阀。除了这些连接外，家庭用 水管道系统埋在地下、安装在墙内和地板下，从而经过加热和非加热区。正常运行条件这些系统的正常运行条件包括了达125psi的压力变化（80psi可被认为是最 佳压力）和40-140T的保持水温。环

4、境温度从非加热供水管通过的狭小空间 的冰点以下直到不通风的阁楼的150F。为了说明铜和聚丁烯在正常运行条件下 的性能，我们在强度、耐温、抗冲击、刚性、延展性、水力特性和预期寿命方 面进行比较。强度在管道应用中，强度表示压力承载能力，这对于满足系统供水要求是至关 重要的。管道材料要进行例行的爆裂试验，来显示随着温度变化材料的强度变 化情况。表 1 所示为铜管和聚丁烯管在几种温度下短时爆裂的强度。表1M型铜管和SDR11型聚丁烯管的短时爆裂强度psi温度F铜聚丁烯1/2英寸3/4英寸1/2英寸3/4英寸733708293373565616034172608418386210324125672782

5、56附注2尽管受测短时爆裂强度（表 1）是管形产品的一个重要特征，在供水温度的静水负载下的长期强度是作为压力管道产品的材料适合性的一个更加决定性标 志。表2 在此基础上，对铜和聚丁烯进行了比较，并将强度值转化为额定压力 额定压力是用美国机械工程师协会关于压力管道的标准（ ANSI/ASMEB31）中的标准步骤来计算的。用于金属和塑料的步骤稍微有些不同。用于塑料的那些标准，最近被使用的很多，看来不象用于金属的标准那样保守。表2M型铜管和SDR11型聚丁烯管的长期静水强度3/4英寸 标准尺寸供水温度F基本强度psi铜聚丁烯设计应力psi 铜聚丁烯额定压力psi 铜聚丁烯抗拉强度LTHS（长期静水强

6、度）AS（允许应 力）HDS（静水设计应力）P= 2St(D-0.8t)(ANSI/ASME B31)P= 2St(D-1)(ASTMD2837)73A36,0001,9209,0001,000610200B66,0002,03616,5001,0001,243201180A36,0007609,000500610100B66,90092616,7004001,25880.5200A36,000*9,000*610*B63,60082715,9004001,19880.5附注 2（A）按照 ANSI/ASME B31 标准的最低标准要求。（B）根据实际实验数据得到的计算结果。（*）将聚丁烯用于

7、ANSI/ASME B31不认可的高于180F的温度中。表 2 左边的栏目对铜和聚丁烯的基本强度进行比较。两排数据是指每种材 料在各种温度下的情况。A排数据显示了按照ANSI/ASME B31标准对压力管道 的最低标准。作为对比，B排是以实际强度试验数据为基础，根据标准步骤得 到的计算结果。对于铜来说，在温度较低的家庭热水系统中，基本值是极限抗 拉强度，就是指金属在拉力试验中的抗断强度。对于聚丁烯来说，被称为长期 静水强度（LTHS）的相应值，是根据ASTM D2837的强度试验结果推断而估计 的。表中所示的基本强度特性用来确定设计应力，设计应力是材料在长时期内 能够承受的不会出现故障危险的应

8、力级。这些设计值在当中的栏目进行比较。 对于铜来说，允许应力等于抗拉强度的四分之一。对于聚丁烯来说，静水设计 应力是根据ASTM D2837计算的，转换为LTHS的一半左右。广义地说，铜的 允许压力隐含的安全系数是聚丁烯的两倍左右。以设计应力为根据的额定压力在右栏进行比较。铜的额定压力比聚丁烯大3 至15倍。这些额定值是根据右栏上部所示的设计公式计算的。聚丁烯在180F 时的额定值实际上小于配水系统中合理预期的压力级（ANSI/ASME B31不许可 聚丁烯在180F以上的温度中使用)。 铜的长期优点可能比表2 中所示的数据更多。 对表2中A排和B排数据进行比较，铜的实际强度试验结果几乎是相应

9、最 低标准值的 2 倍，而聚丁烯的试验结果是稍微高于最低标准值。 对设计应力值和基本强度值进行比较，铜的隐含安全系数几乎是聚丁烯的2 倍。 比较额定压力公式，把铜的壁厚减少到原来的 0.8。在聚丁烯的计算公式中， 包括整个壁厚。金属行业中设计方法的特点是比较保守，而塑料行业采取更加自由的设计 方法，但安全系数较低。耐温家庭配水系统中所有部分都从属于内部水温的变化或它们外部周围环境温 度的变化。温度变化引起材料膨胀或收缩，造成管道支承件间下垂或拉紧。这种对接 头的额外应力会减短系统的使用寿命。在40-160F的温度范围内，铜和聚丁烯的线性膨胀系数分别为9.4X10-6/F 和7.98X10-5/

10、F。运用标准方程式If=I (1+At),以100F温度变化为条件，100 fo 英尺管道上的预期膨胀(或收缩)，对铜来说，大约是1 . 1英寸，而对聚丁烯来 说，超过 9.5 英寸。这种在聚丁烯管件上度过的变动产生了在铜管道系统不会存 在的设计问题。如果忽视这个问题，就会在供水中出现麻烦。抗冲击管道系统任何时候都可能受到压力波动和冲击数。供水压力意外的变动或 快速关闭阀门都会引起压力突变。为了使供水运行令人满意，家庭配水系统必 须能承受这些意外的冲击。由史蒂文斯技术研究所开发和实施的试验(4)测试了铜和聚丁烯系统抗压力 冲击和抗快速温度变化的能力。试验过程如下：冷水， 60F， 2 分钟在基

11、本压力上 100psi 的压力冲击热水， 180F， 2分钟结果是聚丁烯系统在5次试验运行中 4次出现故障，而铜系统经过这些压力冲击和热循环周期没有出现故障。刚性用于冷热水配水系统的管道材料需要一定程度的刚性。刚性好的材料可使支承件的间距放宽（承重较轻），使外表美观。 铜和聚丁烯的刚性也在史蒂文斯技术研究所按照 ASTM 标准试验方法D2925进行过研究。（5）180F的水在管道中循环30分钟后，铜管道在建议支承 间距10英尺支点距上挠曲1英寸。而聚丁烯不能保持铜的10英寸支承间距。现在几乎所以标准都只规定支承 件之间32英寸的支点距。对聚丁烯限制的理由可以从图1简表（在170F时） 的试验结

12、果看出。图1在170F水循环30分钟后SDR11聚丁烯管道的挠曲，根据ASTM标准试 验方法D2925试验。聚丁烯管支承间距，英寸附注5 家庭配水系统可能需要定期排水。为了有效地排水，在排水点一定要有恒定的 坡度。需要对聚丁烯系统进行不间断的支承才能得到这个恒定的坡度。延展性延展性是用于配水系统的材料必须具备的品质。延展性允许系统中的一定 部分通过弯曲进行安装，帮助器件与设备或固定装置的最终固定配合。铜可以以比建议所用的聚丁烯短的半径弯曲，而不会压扁、裂开、扭弯。 表3所示的是手工弯曲的建议最小半径指南。铜管的数据是用于L型管道的。 M 型管道由于通常在压延回火时已具备这种性能，可弯曲到比表中

13、所示更小的 半径，但必须使用工具。表3退火铜（L型）管道和聚丁烯管道最小弯曲半径（手工弯曲）最小管子尺寸，英寸弯曲半径，英寸标准管子尺寸英寸铜管大于聚丁烯管面积 的百分率，% (*)1/23/410.569 0.5010.811 0.7151.055 0.9210.2540.5170.8740.1970.4010.6652929311/24.57.03/46.09.017.512.011/9.014.0附注 6、7水力特性由尺寸和孔的光洁度决定的管道材料的水利特性，能以足够的压力送水， 克服静水头，使各种装置、器具和设备工作起来。当对两种具有光洁管壁的材 料，如铜和聚丁烯，进行比较时，内径就成

14、为评估水利特性的主要因素。表4相同外径的M型铜管和SDR11聚丁烯管的内径和横截面积内径，英寸 横截面积，平方英寸铜聚丁烯铜聚丁烯附注 8、9*铜管横截面积一聚丁烯管横截面积 聚丁烯管横截面积表4根据内径和横截面积对铜和聚丁烯进行了比较。表5指出了对应于5psi摩 擦压力损失经过这两种材料制成的管道的水流量。当与相同标称尺寸的聚丁烯 相比时，铜管比聚丁烯管横截面积大29%-31%相应地使水流量大39%-44%。表6表示水以每分钟26加仑的流率、经过1英寸直径的管道、不超过上述 摩擦损失所能流过的距离。这些数据结果表明在许多情况下，为了达到与经过铜管的相同的水流量， 不得不考虑安装较大尺寸的聚丁烯管。表5在每100英尺5psi压力损失时，相同尺寸的M型铜管和SDR11聚丁烯管水流量加仑/分钟聚丁烯1/23/412.51.86.44.612.88.9393944附注 10*铜管水流量一聚丁烯管水流量 聚丁烯管水流量表6以每分钟 26 加仑的流率 1 英寸 M 型铜管和 SDR11 聚丁烯管最大开发长度比较克服摩擦力的具备压力，psi最大开发长度，央尺铜聚丁烯5101520252714552882431095713771附注11预期寿命 被选择用于配水系统的材料应当预期能维持构造物的使用寿命（至少30年 到 40 年）。检查老的系统是检验一种材料在该区