Karel Michielsen，左耀龄: 现代化陶管、管件和接口是城市污水管道管材的最佳选择(图)

Karel Michielsen，左耀龄
 

陶管是最古老的用于下水管道工程的材料之一。欧洲、美国和世界上很多发达国家仍然大量使用陶管在城市污水排放管道上。而且只要是由专业队伍铺设，它将很容易地有一百年的工作寿命。

近几十年来发达国家的陶管生产技术取得不断的发展，通过采用现代化的技术，几千年来沿袭下来的消极因素已被克服，这里主要指密封系统和材料的强度。以前，下水管道不得不专门用来排除污染的水，而陶管原本就非常普遍地用于此目的上。为了改善排水和因为地表面不断增加的硬化，越来越多的雨水最后进入下水管道。使这些管子直径不断增加。这就意味其它下水管材料也能满足这些新的要求（排放被稀释的废水）。在此期间人们越来越认识到要符合欧共体有关废水净化的指令要求，必须尽可能地在各地源头通过回用，缓冲和渗水手段分流雨水。在发达国家，在各个城市排水系统的边缘建造了大型雨水水库，但是通常耗费更多钱并且常常不足以满足各项排放标准。所以在发达国家与雨污分离的措施主要并列的关注问题是限制流入污水管道的水流和寻求得到封闭的污水管道系统。这些关注问题都导致回到在污水系统中建立较大的排放设施并且自然地导致对陶管材料的重新关注。陶管具有非常长期的概率寿命是众所公认的。对陶管的密封材料，欧洲标准EN 295-3规定了各项密封性能100年的外推法试验。这些试验可用来与对合成材料管子进行的试验进行比较（松弛，蠕变）。与一些合成材料管子试验时确定的曲线不同—对各种带承口的陶管类型的密封材料的性能曲线表现的是一种渐进曲线而不是在某一时间突然跌落的曲线，例如在50年时段以后。图1和图2表明一家很重要的陶管生产厂商，德国Steinzeug-Keramo（施泰恩兆宇哥-凯拉莫公司）使用的橡胶和聚氨酯密封材料的性能随时间逐渐变化的情形。

这些密封到1993年时已经使用了25年。这样，在陶管标准中给出的对宽阔范围的产品系列的各项试验可以很容易的在拆卸下来的管子的密封上重新进行。下一段文章就是对有关聚氨酯密封的描述：在1993年的建设工程中一节已用25年约DN 400的陶管被拆卸下来。这一段管道构成了一个部分封闭系统的一个污水管道系统的一部分。对此部分封闭系统使用摄像机定期检查，从无发现密封故障。这节管子铺设在地下水中，承受着4 m水压。当时所做的混凝土基础已受化学侵蚀。而陶管内外仍完整无损。把混凝土基础拆除并在试验室对陶管的接口进行水压试验，水压5 m水柱，径向剪切负荷25 N/mm直径。

从聚氨酯密封上取材料试样，进行试验并按目前要求进行比较。试验结果满足试验时使用的1991年制订的欧洲标准EN 295的所有的要求。其性质总结在表1中。

硬质聚氨酯	肖氏硬度	抗蠕变强度	形状稳定性	低温特性	抗老化能力	耐化学性
软质聚氨酯	抗拉强度	肖氏硬度	形状稳定性	低温特性	抗老化能力	耐化学性

对软质聚氨酯的变形进行了测量。其值为13.5%。由此产生的计算密封压力值为1.0 N/mm²，所以它四倍于标准要求的最低值0.25 N/mm²。

根据当时的作用现场施加的条件，管子须抵抗一个45 kN/m的破碎负荷，经试验，此管子在82 kN/m负荷时才破碎。

摄影机检查旧陶管表明它们仍然还像新的一样完整无损。因为陶管已经证明具有在含有工业部门的很多区域中输送极端侵蚀性废水的价值。现在陶管常常特别用在扩展区域，那里对土壤保护有更严格的要求，并且因为希望避免对下层土的任何污染。

根据可以从材料结构获得的化学物理性质，G. Petzow等人的文章^[1]分析了不同污水管道管材的功能特性。为进行该项工作，他回溯了原子和分子之间的化学结合，以及分子微观宏观结构组成。对8种本征材料值进行分析。从分析中得出了对用户非常重要的七种特性的数值。这些数值用一个八角雷达图形来表示。正八边形代表最理想的污水水管道材料。Perzow教授得出结论，这种理想材料并不存在。但是陶管材料离此最近。这些性质与最佳值越接近，管道的概率寿命就越长。把这一概率寿命也包括在这八角雷达图形中。对混凝土管，陶管，不同金属和不同聚合物（聚氯乙烯，高密度聚乙烯）材料管进行了分析。图3和图4是从这篇发表文章中摘录的两个例子。

在欧洲18个国家陶管生产是根据欧洲标准EN 295:1991进行的。生产厂家，用户和质量控制机构共同参与了讨论，最终形成了该标准。该标准是在一个高技术水平上形成的。以前陶管标准德国工业标准DIN 1230和英国标准对产品主要特性的要求仍包括在该欧洲标准中。对某些要点甚至要求更严格。在该标准中准备提供给污水管道系统的很多技术特性都通过标准试验给予描述和支持。这不仅说的是陶管材料，也指各种密封。它可以说是对现在存在的管子（欧洲和德国）的最综合最需要的试验纲领。在有关下水管道通用性质的欧洲标准（EN 476）中，这些特性和要求只能找到一部分而且仅是淡淡一提。下表给出多种管材的二种重要特性的比较。

表2给出陶管材料的多项物理特性的描述，数值及在实际使用中给用户带来的效益。

面3表格给出在对下水管道通用标准，以及在陶管标准EN 295特别规定的，进而在比EN 295要求还要高的WN 295标准中对密封的各项要求。WN 295列出的在一个企业制造标准内容中的一些要求，对这些标准的执行情况Steinzeug-Keramo公司也请外部机构检查。

陶管经发展已能提供更大的强度。这可以根据不同标准中和生产中的抗压碎强度值用图说明。图6所示为DN 400普通壁厚的管子。与1986年前情况相比较，现在陶管的抗压碎强度实际上增加了一倍。这是因为进行了深入细致的研究工作，选取更好类型的粘土，采取更好的生产控制，ISO质量系统，以及在改进窑炉控制上的不断投资。

陶管用于重力排放污水管道中。符合EN 295的管子和管件将可以承受定期的水力学超负荷。在该领域用户能在很宽广的范围上使用陶管，因为有非常大范围的管件（分叉管，弯头，渐缩管）和附件（与其它材料管件进行连接所用的特殊连接件）。

陶管具有高性/价比：从对技术规格和安装污水管道实际成本的分析可以看出管材本身只占整个工程的一小部分。根据安装下水管道是在敏感区（购物街具有昂贵的街面装修）还是在次敏感区（例如开阔地）的不同，污水管管材所占的比例将在5%到15%之间变化（这是在德国的情况）。

考虑陶管的很长的概率寿命，适度超出的费用会很容易地被视为合理。即使在对污水管道付出很大关注和资源的城镇来说，历史告诉我们一条污水管道很少会在两代人的时段进行更新，除非它的状况会造成一个真正的危险。所以更现实的选择是让一条下水管道有80年到100年的时间内有良好的状况。按这一正确的观点也可以很容易地论证出陶管是最好的选择。用根据LAWA（德国公共财产确定价值准则）的计算方法，取始终如一的折旧，利息，考虑重新投资和资金折现化，结果显示如果选取与长期概率寿命有关的陶管的数值，就会取得很高的性/价比值。

不透水性	prEN 476	EN 295	其它
从管内 从管外 +角度偏斜 +径向负荷	0.4巴 0.4巴 ＜300     30毫米/米 300-600   20毫米/米 600-1000 10毫米/米 ＞1000    10×1000/DN 10牛/毫米直径	0.5巴 0.5巴 DN＜200 80毫米/米 250-500   30毫米/米 600-800   20毫米/米 DN＞800 10毫米/米 25牛/毫米直径	2.4巴（ATV A142） （德国污水协会规定） 100毫米/米（WN 295） 50毫米/米（WN 295） 30毫米/米（WN 295） 25牛/毫米直径对一般管壁 50牛/毫米直径对增强管壁（WN 295）
土埌不均匀性容许偏差	DN＜300    6毫米/米 DN＞300    2%的DN值	DN＜300    5毫米/米 DN＜600    6毫米/米 DN＞600    1%的DN值	DN＜400 - 4毫米/米 DN＞400 - 1%的DN值（WN 295）
耐化学性	没有专门的条文	装入式结合。pH值2-12，硫酸、硝酸、氢氧化钠、次氯酸钠	pH值1-13（WN 295）
互换性	没有专门的条文	在相同接合系统和抗压碎强度内具有互换性
耐温度变化性	没有专门的条文	80小时：在-10℃和+70℃之间循环变化
长期耐温度性	DN＜200     45℃ DN＞200     35℃	7天在45℃温度
对短期和长期 蠕变的径向负荷试验	没有专门的条文	垂直移动＜6毫米做3个月，当＞6毫米，用承口支持再试验

此外，在近年来进行了大量的工作使用户铺设管道更加方便。对直径200 ~ 400的管子插入力量大大减少，只需一根撬杠就能很容易地把它们互相滑入。对DN 200到DN 300的管子，插入力只是80到200千克力。而对DN 300到DN 400的管子，插入力是以前数值的大约一半。结果，保证了组装的简单，但所有关于密封的要求均得到满足。

根据铺设管道施工的新的欧洲标准，也允许使用压缩空气在施工现场进行试验，作为管道密封的试验。在这方面也做了大量工作，对陶管管道的这些试验已多次成功地进行。

产品认证：举德国Steinzeug-Keramo公司为例，它的各种陶管产品由多个质量控制机构根据欧洲标准EN 295进行定期试验，标准中规定了进行各项定期试验的最低时间间隔。

质量认证：为了进一步提高和加强质量水平，Steinzeug-Keramo公司已连续努力很多年开发一个质量体系。早在1989年已经授予Steinzeug-Keramo公司质量认证证书ISO 9002和EN 9002，这是经英国标准学会（BSI）深入细致的验证后授予的。当时Steinzeug-Keramo公司由两个机构认证ISO 9002，即BQA（比利时质量组织）和BSI（英国标准学会）。

陶管生产有计划地使用不破坏环境、不破坏农田的天然原料，即各种类型的粘土，粘土熟料（回用的陶管材料）和水。这些原料是充裕的。在很多国家实际上大量存在，也都能满足对所需用不同类型粘土的性质的很高的要求。恢复后取土坑可做成景观或用于垃圾填埋，只要密封粘土层的各项功能可以有效防止对地下水的污染。和很多其它各种管材不同，陶管的原料准备在单独的生产企业中进行，从粘土到制成产品的过程被安排在一个连贯的生产工艺中，从而从运输和能源回用上大大节约了能源。而其它管材的确得有原料的准备，而常常是一个耗能巨大的工艺过程——陶管生产中最大能源输入只是在烧制材料的工艺过程。

描述各种下水管道管材的生态平衡的很多研究文章也可利用，在这些文章中介绍了产品从摇篮到坟墓的历史，它不仅限于能量消耗也包括所有与环境有关的物质（SO₂，NO_X …）。

表6给出从Jeschar教授等人发表在“Korrespondenz Abwasser”（德国《废水通讯》杂志）^[2]上的研究文章摘录下来的聚氯乙烯管和陶管的能源消耗。从中可以看到生产一公斤聚氯乙烯管材比生产一公斤陶管管材需要的能源要多十倍多。

为了正确比较每米污水管道的能源消耗量，很明显密封也应考虑进去。对目前使用的各种污水管管材的能耗可见图9。从图中可以看出在需要耐腐蚀管材的地方（混凝土管耐磨蚀性能低，不宜用于城市生活污水管道），陶管在低能源消耗方面得分最高。当把这个比较用在一个实际项目中也考虑管件，考虑各种管材的概率寿命时，这种差别会更大。

从该比较中可以看出陶管明显地是最不损坏环境的材料中的一种。



 

陶管不仅出色地满足对下水管道的传统的各项要求，还预先想到了在不久的将来会更加关注的新的趋势和各种要求。例如，在陶管标准中正在把耐高压清洗能力作为一个试验参数编入。由瑞士苏黎士市技术部门进行的一项比较性研究显示陶管得分非常高。试验开始时用不同的喷嘴把净水喷射各种不带管件的下水管道管子。压力不断增加直到出现管壁的损坏。

只有陶管能分别用350巴和500巴高压喷水冲洗，经常需要疏通下水管道的私人公司从这里可以得出他们自己的结论。

在第二系列对管材的试验中，考虑在污水下水管道的实际情况，以一种更复杂的方式进行。试验在一根直管子里重复30次。使用砂子和粉状材料的沉积物进行。而沉积物的组成由汉堡市决定。在该试验中惟一令人满意的管材是陶管。

其它陶管证明它具有理想的适应将来更苛刻要求的，重要特性是：在高水温，在用水量低造成的高浓度和硬化表面脱离时的耐化学性。形成生物产生的硫酸在将来会很普遍，这是因为将来要连接各个分管网，要实现在系统中存储的最佳化，以及使压力管道的整体化。这意味着当下水管道输送时，废水将会更具厌氧性和形成生物产生硫酸的理想条件。陶管材料对这种形式的侵蚀具有特殊的忍耐能力。

在铺设分流系统污水管道中，使用陶管就具有许多经济上的优点。因为管壁表面光滑和耐侵蚀，陶管具有它本身的绝对的水力学效益。陶管不会老化，它能承受负荷，而这些负荷可能会在多次挖掘作业的过程中发生变化。陶管能永远保持它的剖面尺寸。这就意味着在废水管道开始的一个区域能以直径200 mm的管道很容易的开始，管内污水轻度污染能有足够的流量存在以保持管壁剪切应力高于一个最低值。根据Macke^[3]的研究。无沉积物运动的管壁剪切应力必须最少1.0 N/m²。在不利的充水程度例如h_T/d≥0.10（或者DN 200管道充水高度2 cm），这就意味着对粗糙系数0.5的陶管，最低坡度必须是8‰。对直径DN 250的管道这个值是6‰。这些坡度在排水系统的开始处是很容易获得的。不能把准则通用化，最小直径的确定仍然必须根据水力学参数。因为可以设想分流系统是发展趋势所以大量的雨污分离工作将会继续，在可以预见的将来存在着一种危险，即在系统上游支流位置存在非常大的管路。只有较小直径，不太昂贵，具有稍微更陡的坡变，从而有更大自清洗能力的管子才能被铺设在已经铺满电缆和其它管道的道路表面里并保留较多的空间。

如果考虑长折旧期，投资给陶管通常是最经济的方案。按LAWA准则推荐的折旧期80到100年将使天平朝陶管倾斜。这样每年仅1%的折旧率变为可能。



 

陶管以一种不平行的方式集合了对污水管道重要的性质。承包商有时看到耐冲击性能不如混凝土管是一个负面方面。然而，顾主看这个问题常常从另一方面—如果承包商对管材不是特别小心而造成损坏，在验收工程时这些问题会查清楚并做修理。可是对其它材质管道来说，常常在担保期之后才出现铺设时造成的损坏，这时对顾主造成的经济损失反而更大。

承包商定期参加技术培养保持了解最新的铺设条件和措施以更容易地使用管材完成工作。从而通过钻孔，减少插入力和增加抗压碎强度值等巨大的努力而获得稳定的和可靠的连接。一体装入陶管的密封使用25年其尺寸仍然极为稳定。在现场使用陶管的切割专用工具就比锯断合成材料的管子快得多。这大大保证了铺设进度。

奥地利排水协会（Abwasserzweckverbände in Austria）的诸多工作中的一项是负责维护和保养他们的下水管道系统。他们的一项研究表明陶管下水管道的维护成本与其它管材比较是最低的。

陶管出色地经得起用高压清洗进行的维护（见上文介绍），如果确实需要修理，有很大范围的附件可以选用。随后向陶管下水管道的连接不会有任何问题，因为它们的圆剖面形状永久地保持。




  

在荷兰易遭沉降的地下陶管也已挖出并移送到其它工程项目中使用。从它们随后的使用中证明陶管和它们的密封再次利用是可能的。

从以上六点论证确实说明在绝大多数场合下，陶管是用在将来的功能优越的污水输送系统的材料。

陶管以一种理想的方式集合了一个下水管道系统需要的所有特性，这也给陶管一个较长的寿命。这些特性对顾主和投资者都是适宜的。毕竟，并不是每一代人能建造他们自己的污水管道系统，陶管的寿命是这么持久，使人们也不必这样做。

上世纪50年代陶管生产和粘土砖一样普及，城乡大量使用当地生产的质量粗糙的陶管用于排水、污水管道。1981年、1984年由国家建材工业局山东工业陶瓷研究设计院负责起草了有关陶管产品的8个标准，1996年、1998年在这八个标准基础上进行了修订。修订时主要参考了或等效采用了美国、英国、德国、澳大利亚、日本等国上世纪90年代的国家标准，形成了中国现行的有关标准：
 

① JC 705-1998                        化工陶管及配件；

② JC/T 759-1998                     排水陶管及配件；

③ GB/T 2832-1996                  陶管抗外压强度试验方法；

④ GB/T 2833-1996                  陶管弯曲强度试验方法；

⑤ GB/T 2834-1998                  陶管吸水率试验方法；

⑥ GB/T 2835-1998                  陶管耐酸性能试验方法；

⑦ GB/T 2836-1998                  陶管水压试验方法；

⑧ GB/T 2837-1998                  陶管尺寸及偏差测量方法。
 

有关设计规范和施工验收标准分别为：GB 0332-2002 给水排水工程管道结构设计规范，GB 50268-97给水排水管道工程施工及验收规范。

从50年代国内有几百家陶管厂，到80、90年代近百家陶管厂，到今天散布在黑龙江、山东、河北、江苏、浙江、上海、广东十几家生产厂家。甚至只剩下几家成规模的厂家。大多数厂家因污水为是乡镇企业，生产手段落后，产品强度低，没有配套可靠的密封和完善的连接配件。在安装使用中发生严重的污水泄露已无法满足日益严格的环保要求，又因厂家常常随意无计划在农田及工矿、生活居住区就近取土，破坏农业生产和破坏生活条件、生态条件。很多陶管厂生产被勒令停止，个别城市当局没有采取认真调查，引进国外生产高技术改进产品质量，使其提高完善使用性能的方法，而简单武断地禁止使用。很多厂家生产陶管质量低劣，价格低廉，利润很低，随着陶管市场日益萎缩，纷纷转产生产市场看好的卫生洁具、装修用陶瓷墙面砖、地面砖或工艺品。国内上述陶管产品标准早应修订，但几十年来生产技术没有改进，产品质量没有改进，发展方向不明确，没有修订的内容。这样下去目前国内生产的下水管道，污水管道用陶管面临彻底被淘汰的下场。

世界上发达国家开发现代化高强度带优质柔性密封的陶管生产技术，欧洲十八个国家共同采用EN 295标准的严格要求，进行陶管生产。分别采用欧洲标准EN1610：1998和EN12889：2000用于下水管道污水管道开挖施工，非开挖施工和相应的验收试验。欧洲德国Steinzeug-Keramo公司年生产陶管能力达35万吨，全部生产由计算机、机器人操作。德国公用和私人下水管道总长度的46%为陶管，德国的慕尼黑（1811）、汉堡（1842）、法兰克福（1867）、史泰琴（1868）、但泽（1871）、柏林（1873）、布雷斯劳（1877）、科隆（1881）和杜赛尔多夫（1884）等城市使用陶管作下水管道达百年以上。杜赛尔多夫城市污水管理部门在管道使用一百年完全折旧后，又延长了其使用期30年，从而大大减轻了用户对污水处理的负担。美国使用陶管污水管道百年以上的城市达47个。最古老的属华盛顿特区（1815年铺设）。英国使用陶管作污水管道百年以上的城市有7个。中国的天津、上海、青岛、武汉等城市使用陶管也有百年以上。这里还指的是传统的陶管，现代化陶管的寿命会更高。

发展中国家埃及、也门、巴基斯坦、印度、马来西亚、文莱、印尼目前也大量使用欧洲生产的现代化陶管作城市污水管道、香港和台湾已分别有500多个工程（各包括几十个顶管施工工程）使用德国Steinzeug-Keramo公司的陶管，Steinzeug-Keramo公司还按欧洲产品标准在埃、沙特阿拉伯和马来西亚建造了自动化陶管生产线。

现代化生产的高强度，带优异不透水柔性密封的陶管和管件最适宜用于城市污水排放管网，在世界各国污水管网中占极高比例，在中国的使用和生产也应得到普遍的重视和积极的发展。