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[摘要] 本文结合某污水处理场地下管道改造应用PE管材的工程实例，论述了PE管材的特点，并与钢管进行了比较，论述了PE管材的施工关键点，同时提出施工中应注意的问题，最终得出PE管材非常适用于污水处理场地下管道的结论。
[关键词] PE管材 污水处理 地下管道 应用
1.污水处理场管线的使用特点
污水处理场一般说来主要担负着处理公众的生活污水、企业的生产废水的任务，管线是污水处理场最重要的设施之一，是联接污水处理场中各构筑物的不可或缺的单元。管线中的介质具有成分复杂、PH值不稳定、腐蚀性较强、颗粒杂质多等特点，尤其是输送活性污泥的管线甚至容易受到微生物的侵蚀。总之，污水处理场中的管线有着独特的使用特点。
2.某污水处理场PE管材的使用背景
该污水处理场，承担着处理厂区生活污水和化工、化纤装置生产废水的重要任务，初建于1978年，后进行扩建，目前设计处理水量3万吨/日。经过20多年的使用，很多管线相继出现以腐蚀泄漏为主的各种问题，影响了正常生产，于是对污水处理场地下管网进行了改造，将原有问题较多的碳钢管、铸铁管更换为PE管。
3.PE管材的特点
PE材料即聚乙烯，是塑料材料中用量最大的品种，它是由聚乙烯合成的高分子材料，PE管材在国外上世纪80年代开始就有了较多的应用，而在我国从上世纪90年代末期才开始使用，在近几年才有了较快的发展，主要应用领域为供水和燃气，在污水处理装置中应用PE管材还极为少见。PE材料按照国际上统一的标准划分为五个等级：PE32级、PE40级、PE63级、PE80级和PE100级。用于给水管道PE管的材料为高密度聚乙烯HDPE，其等级是PE80、PE100两种，在上述污水处理场地下管道改造中应用的就是PE100（GB13663）。
3.1 PE管材具有良好的抗腐蚀性能
PE管材除少数强氧化剂外可耐多种化学物质的腐蚀，土壤中存在的化学物质不会对管体造成降解作用，生活污水、生产废水中的有机物和其它成分更难对其腐蚀或氧化分解，无电化学腐蚀，同时PE材质不会受微生物侵蚀，也不会促进微生物的生长繁殖。这是PE管应用在污水处理场中最具价值的优点。
3.2 PE管材具有良好的抗冲击性能
PE管道具备独特的柔韧性，易弯曲，其断裂伸长率均超过500％，弯曲半径可以达到管道直径的20～25倍，因此耐冲击能力非常强，有重物压过管道时，不容易导致管道的破裂，这点对保证管道的运行安全是非常有好处的。有资料显示，1997年日本坂神地震中PE材料的供水管线都保存完好，而金属材质管线大部分被破坏。
3.3 PE管材具有良好的过流能力
PE管内壁光滑，摩擦系数小，同时不结垢、不滋生细菌，具有良好的水力流通性能，且不随时间变化，水头损失小，节约能源。
3.4 PE管材具有良好的耐磨性能
PE管除具有足够的强度外还具有良好的柔韧性，所以决定了它具有超强的耐磨能力。当介质为含有大量泥沙和各种坚硬颗粒的生活污水、生产废水时更能显露出PE管材的优越性。试验表明，PE管材的耐磨性能是钢管的4倍。
3.5 PE管材具有良好的温度适应能力的超长的使用寿命
PE埋地管道在－20℃～40℃范围内能够保证安全使用50年以上而不影响性能。PE100在介质为20℃条件下使用50年后能保持10MPa的最低强度(MRS)。
3.6 PE管具有良好的施工性能
PE管材质量轻，易于搬运、安装，其柔韧易弯的性能使其能够适应复杂的安装环境，其良好的连接性能能够使工期缩短，成本下降，其光滑的表面能够适应非开挖的安装方式。
4.与碳钢管材的比较
4.1水力条件比较
碳钢管表面粗糙，长时间使用容易生锈，生锈后管子内壁的绝对粗糙度会有明显上升，可达原来的3倍以上甚至更高。同时碳钢管内表面滋生细菌，附着微生物，容易截留泥沙，这些都是其水力条件欠佳，过流能力受影响的原因。而PE材质管线表面光滑，不生锈，不容易附着微生物，其阻力系数小，水头损失小，具有相对较好的过流能力。
以该污水处理场的一条生产废水管线为例。管线直径200毫米，流量150m3/h，流速1.33m/s，比较一下二者的水头损失。
表1粗糙系数
PE管 普通钢管
0.009 0.011
根据公式：hf=λ （1）
v=C(RJ)1/2 （2）
C=R1/6（3）
hf ----水头损失
λ----沿程阻力系数
l----管线长度
v----管线断面流速
d----管线内径
g----重力加速度
C----谢才系数
R----水力半径，d/4
J----水力坡度，hf/l
n----粗糙系数
由以上公式可得出：hf1/ hf2=n12/n22=66.9%
即PE管线的水力损失只为钢管水力损失的66.9%。如果将式中流速转换成流量，则可得出Q1/Q2＝n2/n1＝1.22，即PE管线比钢管高22%的过流能力。
4.2经济性比较
表2、表3是河北某企业的管材报价，我们可以从价格上进行分析。（见表2、表3）
可以看出，DN400以下，PE100有较大的价格优势，到DN400时，PE100与20＃钢管价格接近。随着管径的增大，PE管材将比20＃无缝钢管价格高。在污水处理场的地下工艺管线中，最常用的管径为DN150到DN400，所以从材料费用上讲，使用PE管材比使用无缝钢管要经济。
4.3耐腐蚀性能比较
前面已讲过，PE材质具有优异的抗腐蚀性能，而钢管则要面临着电化学腐蚀、微生物腐蚀等诸多问题。在污水处理场实际使用中，钢管腐蚀问题已经严重影响正常的生产，尤其是经过焊接的部分（如管段连接处、法兰焊接处）更是十分脆弱，非常容易引起点蚀泄漏，而PE管则可以完全避免这些问题。在污水处理场中，管道输送的介质主要为生产废水、生活污水和活性污泥等，这些介质有相对较强的腐蚀性，所以PE管材以其优异的抗腐蚀性能与钢管相比具有得天独厚的优势。
4.4施工性能的比较
4.4.1重量轻，易于搬运和安装
PE管比重只相当于无缝钢管的1/8，便于搬运和安装，在大规模地下管道安装时能够给施工带来很大的便利，能有效提高施工效率。
4.4.2柔韧性好，便于施工
PE管是一种高韧性管材、其断裂伸长率超过500％，弯曲半径可以达到管道直径的20～25倍，在施工时，可在管子允许的弯曲半径内绕过障碍，降低施工难度，当管线较长时可采用盘管敷设，在接合处和弯曲处不需要进行费用不小的锚点、支墩，与钢管相比对槽沟要求较低，可减少槽沟开挖的土方量。另外PE管由于其柔韧性好，容易弯曲和穿插，适用于非开挖顶管等多种施工方式。
4.4.3 PE管比焊接耗时短
钢管焊接每道焊口一般在1－2小时，而PE管无论是热熔还是电熔一般在10－40分钟，使用PE管可以极大地提高施工速度。
4.5埋地受力比较
PE管属于柔性管，而钢管则属于刚性管。如不发生明显破坏，刚性管的变形不会超过2%，故而刚性管可以看作一个独立的结构，管材承受全部的外载荷。而PE管由于是柔性管，在埋到地下后，所受的载荷会使其产生变形，因此柔性管可以看作是由管材与周围土壤组成的结构系统共同承受外载荷。在埋地受力方面，与刚性管相比，柔性管的具有如下优势：
（1）变形使得积累的应力能够被释放出来，使得管材周围产生更平衡的土壤压力分布。
（2）刚性管所承受的载荷全部作用在管材上，如负荷超过了管材材料的屈服强度，管材将以突然破裂或裂纹的方式破坏。而柔性管在重载荷下，会产生形变而不是破裂，这种变形通常足以释放积累的应力，而不破坏管材的正常使用，因此柔性管系统可能比刚性管系统能够承受的外载荷还要大。
4.6物理性能比较
(如表4所示）
5.PE管道的施工
PE管由于在日照下容易老化，所以一般不建议架空使用，而大多采用埋地铺设。
5.1沟槽开挖
PE管铺设时沟槽开挖与钢管铺设的要求无太大区别，一般要求比钢管沟槽深20cm，但可以比钢管沟槽窄一些。在遇有障碍物时可沿曲线开挖，管线铺设时可沿沟槽蜿蜒铺设。
5.2管道焊接
PE管道采用熔接连接，分为热熔和电熔两种方式，一般情况都采用热熔连接方式。在保证焊接质量前提下接头强度高于本体强度。使用该方法连接时，采用热熔对接焊机，具体步骤如下：
（1）把待接管材置于焊机夹具上并夹紧；
（2）将管材待连接端清洁干净，然后铣削对接面，使对接面光滑、平整、清洁、垂直；
（3）调整管材、管件的高度，使需焊接的管材、管件端面完全吻合；
（4）放入加热板；
（5）加热完毕，取出加热板；
（6）迅速接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却, 使两端面对接处形成均匀的一圈凸缘；
（7）热熔完成。
热熔焊机操作人员应遵循表5参数进行操作。（如表5所示）
5.3 PE管与钢管的连接
图1
在上述污水处理场地下管道施工中有多处PE管与钢管的连接，采用了钢塑法兰（活套法兰）连接方式，PE管端与塑料法兰根之间采用热熔连接，钢管端与金属法兰连接，如图1所示。
5.4施工中应注意的问题
通过PE管材在某污水处理场中的工程实践，总结出以下三点应注意的问题。
（1）PE管道的焊接技术要求较高，必须由经过专门培训的焊工，严格按照工作参数进行操作都能保证强度要求。热熔对接连接时，要求电压在200～220V之间，如果电压过高，会造成加热板温度过高，电压过低，则对接机不能正常工作；对接时应保持对接口对齐，不然会造成对接面积不够要求、焊口强度不够，以及卷边不对称；加热板加热时管材接口处未处理干净，或加热板有油污、泥沙等杂质，会造成对接口脱开漏水；加热时间要控制好，加热时间短，管材吸热时间不够，会造成焊口卷边过小，加热时间过长，会造成焊口卷边过大，有可能形成虚焊。
（2）应注意焊接环境的影响。首先是环境温度的影响，温度过低会影响加热，从而影响焊接质量，一般0℃以下不再进行焊接操作，最好在5℃以上。另外是风力的影响，风力过大会使加热板加热温度不均匀，也容易使焊接端面受到尘土的污染。
（3）在选择与管材相连的焊制管件的压力等级时，应考虑管材与管件的压力等级的匹配。
6.PE管道的维护
钢管的维护比较麻烦，比如需要定期做外防腐、定期测量管壁厚度等，出现泄漏后堵漏也比较困难。而PE管道则省去了这些程序，管道系统不会因为腐蚀发生问题，同时管道密封性能非常好，焊口的强度高于管道本体。为确保安全生产，防止焊口由于焊接质量断裂，只需准备同型号的电熔套管，万一出现问题将套管套在断裂处通电热熔即可。过程非常简单，容易操作。
7.结论
与钢管相比PE管材具有良好的抗腐蚀性能、物理性能和施工性能，具有较明显的价格优势，具有良好的过流能力，对于污水处理场地下工艺管道应该推广应用PE材质。通过上述污水处理场的应用实践，也证明了PE管材完全能适应介质成份复杂多变的情况，完全能够满足工艺要求。
参考文献:
[1] 何龙新 等，室外聚乙稀管应用及生产浅析，福建建设科技，2002，（2）：47-48；
[2] 梁前明，pe管材的新发展及其工程应用前景，国外建设科技，2003，（5）：15-16；
[3] 李雄彪，upvc给水管的现状与发展，中国农村水利水电，2003，（12）：50-52；
[4] 沈之基，给水管材发展再探讨，给水排水，2000，（8）：60-63；
[5] 西南交通大学编，水力学，人民教育出版社，1979年6月；
[6] 杜伟国编，管道施工技术，上海科学技术出版社，2001年6月
作者简介：
郝连松，男，高级工程师，长期从事设备管理、工程管理工作。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
[关键词] PE管材 污水处理 地下管道 应用
1.污水处理场管线的使用特点
污水处理场一般说来主要担负着处理公众的生活污水、企业的生产废水的任务，管线是污水处理场最重要的设施之一，是联接污水处理场中各构筑物的不可或缺的单元。管线中的介质具有成分复杂、PH值不稳定、腐蚀性较强、颗粒杂质多等特点，尤其是输送活性污泥的管线甚至容易受到微生物的侵蚀。总之，污水处理场中的管线有着独特的使用特点。
2.某污水处理场PE管材的使用背景
该污水处理场，承担着处理厂区生活污水和化工、化纤装置生产废水的重要任务，初建于1978年，后进行扩建，目前设计处理水量3万吨/日。经过20多年的使用，很多管线相继出现以腐蚀泄漏为主的各种问题，影响了正常生产，于是对污水处理场地下管网进行了改造，将原有问题较多的碳钢管、铸铁管更换为PE管。
3.PE管材的特点
PE材料即聚乙烯，是塑料材料中用量最大的品种，它是由聚乙烯合成的高分子材料，PE管材在国外上世纪80年代开始就有了较多的应用，而在我国从上世纪90年代末期才开始使用，在近几年才有了较快的发展，主要应用领域为供水和燃气，在污水处理装置中应用PE管材还极为少见。PE材料按照国际上统一的标准划分为五个等级：PE32级、PE40级、PE63级、PE80级和PE100级。用于给水管道PE管的材料为高密度聚乙烯HDPE，其等级是PE80、PE100两种，在上述污水处理场地下管道改造中应用的就是PE100（GB13663）。
3.1 PE管材具有良好的抗腐蚀性能
PE管材除少数强氧化剂外可耐多种化学物质的腐蚀，土壤中存在的化学物质不会对管体造成降解作用，生活污水、生产废水中的有机物和其它成分更难对其腐蚀或氧化分解，无电化学腐蚀，同时PE材质不会受微生物侵蚀，也不会促进微生物的生长繁殖。这是PE管应用在污水处理场中最具价值的优点。
3.2 PE管材具有良好的抗冲击性能
PE管道具备独特的柔韧性，易弯曲，其断裂伸长率均超过500％，弯曲半径可以达到管道直径的20～25倍，因此耐冲击能力非常强，有重物压过管道时，不容易导致管道的破裂，这点对保证管道的运行安全是非常有好处的。有资料显示，1997年日本坂神地震中PE材料的供水管线都保存完好，而金属材质管线大部分被破坏。
3.3 PE管材具有良好的过流能力
PE管内壁光滑，摩擦系数小，同时不结垢、不滋生细菌，具有良好的水力流通性能，且不随时间变化，水头损失小，节约能源。
3.4 PE管材具有良好的耐磨性能
PE管除具有足够的强度外还具有良好的柔韧性，所以决定了它具有超强的耐磨能力。当介质为含有大量泥沙和各种坚硬颗粒的生活污水、生产废水时更能显露出PE管材的优越性。试验表明，PE管材的耐磨性能是钢管的4倍。
3.5 PE管材具有良好的温度适应能力的超长的使用寿命
PE埋地管道在－20℃～40℃范围内能够保证安全使用50年以上而不影响性能。PE100在介质为20℃条件下使用50年后能保持10MPa的最低强度(MRS)。
3.6 PE管具有良好的施工性能
PE管材质量轻，易于搬运、安装，其柔韧易弯的性能使其能够适应复杂的安装环境，其良好的连接性能能够使工期缩短，成本下降，其光滑的表面能够适应非开挖的安装方式。
4.与碳钢管材的比较
4.1水力条件比较
碳钢管表面粗糙，长时间使用容易生锈，生锈后管子内壁的绝对粗糙度会有明显上升，可达原来的3倍以上甚至更高。同时碳钢管内表面滋生细菌，附着微生物，容易截留泥沙，这些都是其水力条件欠佳，过流能力受影响的原因。而PE材质管线表面光滑，不生锈，不容易附着微生物，其阻力系数小，水头损失小，具有相对较好的过流能力。
以该污水处理场的一条生产废水管线为例。管线直径200毫米，流量150m3/h，流速1.33m/s，比较一下二者的水头损失。
表1粗糙系数
PE管 普通钢管
0.009 0.011
根据公式：hf=λ （1）
v=C(RJ)1/2 （2）
C=R1/6（3）
hf ----水头损失
λ----沿程阻力系数
l----管线长度
v----管线断面流速
d----管线内径
g----重力加速度
C----谢才系数
R----水力半径，d/4
J----水力坡度，hf/l
n----粗糙系数
由以上公式可得出：hf1/ hf2=n12/n22=66.9%
即PE管线的水力损失只为钢管水力损失的66.9%。如果将式中流速转换成流量，则可得出Q1/Q2＝n2/n1＝1.22，即PE管线比钢管高22%的过流能力。
4.2经济性比较
表2、表3是河北某企业的管材报价，我们可以从价格上进行分析。（见表2、表3）
可以看出，DN400以下，PE100有较大的价格优势，到DN400时，PE100与20＃钢管价格接近。随着管径的增大，PE管材将比20＃无缝钢管价格高。在污水处理场的地下工艺管线中，最常用的管径为DN150到DN400，所以从材料费用上讲，使用PE管材比使用无缝钢管要经济。
4.3耐腐蚀性能比较
前面已讲过，PE材质具有优异的抗腐蚀性能，而钢管则要面临着电化学腐蚀、微生物腐蚀等诸多问题。在污水处理场实际使用中，钢管腐蚀问题已经严重影响正常的生产，尤其是经过焊接的部分（如管段连接处、法兰焊接处）更是十分脆弱，非常容易引起点蚀泄漏，而PE管则可以完全避免这些问题。在污水处理场中，管道输送的介质主要为生产废水、生活污水和活性污泥等，这些介质有相对较强的腐蚀性，所以PE管材以其优异的抗腐蚀性能与钢管相比具有得天独厚的优势。
4.4施工性能的比较
4.4.1重量轻，易于搬运和安装
PE管比重只相当于无缝钢管的1/8，便于搬运和安装，在大规模地下管道安装时能够给施工带来很大的便利，能有效提高施工效率。
4.4.2柔韧性好，便于施工
PE管是一种高韧性管材、其断裂伸长率超过500％，弯曲半径可以达到管道直径的20～25倍，在施工时，可在管子允许的弯曲半径内绕过障碍，降低施工难度，当管线较长时可采用盘管敷设，在接合处和弯曲处不需要进行费用不小的锚点、支墩，与钢管相比对槽沟要求较低，可减少槽沟开挖的土方量。另外PE管由于其柔韧性好，容易弯曲和穿插，适用于非开挖顶管等多种施工方式。
4.4.3 PE管比焊接耗时短
钢管焊接每道焊口一般在1－2小时，而PE管无论是热熔还是电熔一般在10－40分钟，使用PE管可以极大地提高施工速度。
4.5埋地受力比较
PE管属于柔性管，而钢管则属于刚性管。如不发生明显破坏，刚性管的变形不会超过2%，故而刚性管可以看作一个独立的结构，管材承受全部的外载荷。而PE管由于是柔性管，在埋到地下后，所受的载荷会使其产生变形，因此柔性管可以看作是由管材与周围土壤组成的结构系统共同承受外载荷。在埋地受力方面，与刚性管相比，柔性管的具有如下优势：
（1）变形使得积累的应力能够被释放出来，使得管材周围产生更平衡的土壤压力分布。
（2）刚性管所承受的载荷全部作用在管材上，如负荷超过了管材材料的屈服强度，管材将以突然破裂或裂纹的方式破坏。而柔性管在重载荷下，会产生形变而不是破裂，这种变形通常足以释放积累的应力，而不破坏管材的正常使用，因此柔性管系统可能比刚性管系统能够承受的外载荷还要大。
4.6物理性能比较
(如表4所示）
5.PE管道的施工
PE管由于在日照下容易老化，所以一般不建议架空使用，而大多采用埋地铺设。
5.1沟槽开挖
PE管铺设时沟槽开挖与钢管铺设的要求无太大区别，一般要求比钢管沟槽深20cm，但可以比钢管沟槽窄一些。在遇有障碍物时可沿曲线开挖，管线铺设时可沿沟槽蜿蜒铺设。
5.2管道焊接
PE管道采用熔接连接，分为热熔和电熔两种方式，一般情况都采用热熔连接方式。在保证焊接质量前提下接头强度高于本体强度。使用该方法连接时，采用热熔对接焊机，具体步骤如下：
（1）把待接管材置于焊机夹具上并夹紧；
（2）将管材待连接端清洁干净，然后铣削对接面，使对接面光滑、平整、清洁、垂直；
（3）调整管材、管件的高度，使需焊接的管材、管件端面完全吻合；
（4）放入加热板；
（5）加热完毕，取出加热板；
（6）迅速接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却, 使两端面对接处形成均匀的一圈凸缘；
（7）热熔完成。
热熔焊机操作人员应遵循表5参数进行操作。（如表5所示）
5.3 PE管与钢管的连接
图1
在上述污水处理场地下管道施工中有多处PE管与钢管的连接，采用了钢塑法兰（活套法兰）连接方式，PE管端与塑料法兰根之间采用热熔连接，钢管端与金属法兰连接，如图1所示。
5.4施工中应注意的问题
通过PE管材在某污水处理场中的工程实践，总结出以下三点应注意的问题。
（1）PE管道的焊接技术要求较高，必须由经过专门培训的焊工，严格按照工作参数进行操作都能保证强度要求。热熔对接连接时，要求电压在200～220V之间，如果电压过高，会造成加热板温度过高，电压过低，则对接机不能正常工作；对接时应保持对接口对齐，不然会造成对接面积不够要求、焊口强度不够，以及卷边不对称；加热板加热时管材接口处未处理干净，或加热板有油污、泥沙等杂质，会造成对接口脱开漏水；加热时间要控制好，加热时间短，管材吸热时间不够，会造成焊口卷边过小，加热时间过长，会造成焊口卷边过大，有可能形成虚焊。
（2）应注意焊接环境的影响。首先是环境温度的影响，温度过低会影响加热，从而影响焊接质量，一般0℃以下不再进行焊接操作，最好在5℃以上。另外是风力的影响，风力过大会使加热板加热温度不均匀，也容易使焊接端面受到尘土的污染。
（3）在选择与管材相连的焊制管件的压力等级时，应考虑管材与管件的压力等级的匹配。
6.PE管道的维护
钢管的维护比较麻烦，比如需要定期做外防腐、定期测量管壁厚度等，出现泄漏后堵漏也比较困难。而PE管道则省去了这些程序，管道系统不会因为腐蚀发生问题，同时管道密封性能非常好，焊口的强度高于管道本体。为确保安全生产，防止焊口由于焊接质量断裂，只需准备同型号的电熔套管，万一出现问题将套管套在断裂处通电热熔即可。过程非常简单，容易操作。
7.结论
与钢管相比PE管材具有良好的抗腐蚀性能、物理性能和施工性能，具有较明显的价格优势，具有良好的过流能力，对于污水处理场地下工艺管道应该推广应用PE材质。通过上述污水处理场的应用实践，也证明了PE管材完全能适应介质成份复杂多变的情况，完全能够满足工艺要求。
参考文献:
[1] 何龙新 等，室外聚乙稀管应用及生产浅析，福建建设科技，2002，（2）：47-48；
[2] 梁前明，pe管材的新发展及其工程应用前景，国外建设科技，2003，（5）：15-16；
[3] 李雄彪，upvc给水管的现状与发展，中国农村水利水电，2003，（12）：50-52；
[4] 沈之基，给水管材发展再探讨，给水排水，2000，（8）：60-63；
[5] 西南交通大学编，水力学，人民教育出版社，1979年6月；
[6] 杜伟国编，管道施工技术，上海科学技术出版社，2001年6月
作者简介：
郝连松，男，高级工程师，长期从事设备管理、工程管理工作。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”