Karel Michielsen，左耀齡: 現代化陶管、管件和接口是城市污水管道管材的最佳選擇(圖)

Karel Michielsen，左耀齡
 

陶管是最古老的用于下水管道工程的材料之一。歐洲、美國和世界上很多發達國家仍然大量使用陶管在城市污水排放管道上。而且只要是由專業隊伍鋪設，它將很容易地有一百年的工作壽命。

近幾十年來發達國家的陶管生產技術取得不斷的發展，通過采用現代化的技術，幾千年來沿襲下來的消極因素已被克服，這里主要指密封系統和材料的強度。以前，下水管道不得不專門用來排除污染的水，而陶管原本就非常普遍地用于此目的上。為了改善排水和因為地表面不斷增加的硬化，越來越多的雨水最后進入下水管道。使這些管子直徑不斷增加。這就意味其它下水管材料也能滿足這些新的要求（排放被稀釋的廢水）。在此期間人們越來越認識到要符合歐共體有關廢水凈化的指令要求，必須盡可能地在各地源頭通過回用，緩沖和滲水手段分流雨水。在發達國家，在各個城市排水系統的邊緣建造了大型雨水水庫，但是通常耗費更多錢并且常常不足以滿足各項排放標準。所以在發達國家與雨污分離的措施主要并列的關注問題是限制流入污水管道的水流和尋求得到封閉的污水管道系統。這些關注問題都導致回到在污水系統中建立較大的排放設施并且自然地導致對陶管材料的重新關注。陶管具有非常長期的概率壽命是眾所公認的。對陶管的密封材料，歐洲標準EN 295-3規定了各項密封性能100年的外推法試驗。這些試驗可用來與對合成材料管子進行的試驗進行比較（松弛，蠕變）。與一些合成材料管子試驗時確定的曲線不同—對各種帶承口的陶管類型的密封材料的性能曲線表現的是一種漸進曲線而不是在某一時間突然跌落的曲線，例如在50年時段以后。圖1和圖2表明一家很重要的陶管生產廠商，德國Steinzeug-Keramo（施泰恩兆宇哥-凱拉莫公司）使用的橡膠和聚氨酯密封材料的性能隨時間逐漸變化的情形。

這些密封到1993年時已經使用了25年。這樣，在陶管標準中給出的對寬闊范圍的產品系列的各項試驗可以很容易的在拆卸下來的管子的密封上重新進行。下一段文章就是對有關聚氨酯密封的描述：在1993年的建設工程中一節已用25年約DN 400的陶管被拆卸下來。這一段管道構成了一個部分封閉系統的一個污水管道系統的一部分。對此部分封閉系統使用攝像機定期檢查，從無發現密封故障。這節管子鋪設在地下水中，承受著4 m水壓。當時所做的混凝土基礎已受化學侵蝕。而陶管內外仍完整無損。把混凝土基礎拆除并在試驗室對陶管的接口進行水壓試驗，水壓5 m水柱，徑向剪切負荷25 N/mm直徑。

從聚氨酯密封上取材料試樣，進行試驗并按目前要求進行比較。試驗結果滿足試驗時使用的1991年制訂的歐洲標準EN 295的所有的要求。其性質總結在表1中。

硬質聚氨酯	肖氏硬度	抗蠕變強度	形狀穩定性	低溫特性	抗老化能力	耐化學性
軟質聚氨酯	抗拉強度	肖氏硬度	形狀穩定性	低溫特性	抗老化能力	耐化學性

對軟質聚氨酯的變形進行了測量。其值為13.5%。由此產生的計算密封壓力值為1.0 N/mm²，所以它四倍于標準要求的最低值0.25 N/mm²。

根據當時的作用現場施加的條件，管子須抵抗一個45 kN/m的破碎負荷，經試驗，此管子在82 kN/m負荷時才破碎。

攝影機檢查舊陶管表明它們仍然還像新的一樣完整無損。因為陶管已經證明具有在含有工業部門的很多區域中輸送極端侵蝕性廢水的價值。現在陶管常常特別用在擴展區域，那里對土壤保護有更嚴格的要求，并且因為希望避免對下層土的任何污染。

根據可以從材料結構獲得的化學物理性質，G. Petzow等人的文章^[1]分析了不同污水管道管材的功能特性。為進行該項工作，他回溯了原子和分子之間的化學結合，以及分子微觀宏觀結構組成。對8種本征材料值進行分析。從分析中得出了對用戶非常重要的七種特性的數值。這些數值用一個八角雷達圖形來表示。正八邊形代表最理想的污水水管道材料。Perzow教授得出結論，這種理想材料并不存在。但是陶管材料離此最近。這些性質與最佳值越接近，管道的概率壽命就越長。把這一概率壽命也包括在這八角雷達圖形中。對混凝土管，陶管，不同金屬和不同聚合物（聚氯乙烯，高密度聚乙烯）材料管進行了分析。圖3和圖4是從這篇發表文章中摘錄的兩個例子。

在歐洲18個國家陶管生產是根據歐洲標準EN 295:1991進行的。生產廠家，用戶和質量控制機構共同參與了討論，最終形成了該標準。該標準是在一個高技術水平上形成的。以前陶管標準德國工業標準DIN 1230和英國標準對產品主要特性的要求仍包括在該歐洲標準中。對某些要點甚至要求更嚴格。在該標準中準備提供給污水管道系統的很多技術特性都通過標準試驗給予描述和支持。這不僅說的是陶管材料，也指各種密封。它可以說是對現在存在的管子（歐洲和德國）的最綜合最需要的試驗綱領。在有關下水管道通用性質的歐洲標準（EN 476）中，這些特性和要求只能找到一部分而且僅是淡淡一提。下表給出多種管材的二種重要特性的比較。

表2給出陶管材料的多項物理特性的描述，數值及在實際使用中給用戶帶來的效益。

面3表格給出在對下水管道通用標準，以及在陶管標準EN 295特別規定的，進而在比EN 295要求還要高的WN 295標準中對密封的各項要求。WN 295列出的在一個企業制造標準內容中的一些要求，對這些標準的執行情況Steinzeug-Keramo公司也請外部機構檢查。

陶管經發展已能提供更大的強度。這可以根據不同標準中和生產中的抗壓碎強度值用圖說明。圖6所示為DN 400普通壁厚的管子。與1986年前情況相比較，現在陶管的抗壓碎強度實際上增加了一倍。這是因為進行了深入細致的研究工作，選取更好類型的粘土，采取更好的生產控制，ISO質量系統，以及在改進窯爐控制上的不斷投資。

陶管用于重力排放污水管道中。符合EN 295的管子和管件將可以承受定期的水力學超負荷。在該領域用戶能在很寬廣的范圍上使用陶管，因為有非常大范圍的管件（分叉管，彎頭，漸縮管）和附件（與其它材料管件進行連接所用的特殊連接件）。

陶管具有高性/價比：從對技術規格和安裝污水管道實際成本的分析可以看出管材本身只占整個工程的一小部分。根據安裝下水管道是在敏感區（購物街具有昂貴的街面裝修）還是在次敏感區（例如開闊地）的不同，污水管管材所占的比例將在5%到15%之間變化（這是在德國的情況）。

考慮陶管的很長的概率壽命，適度超出的費用會很容易地被視為合理。即使在對污水管道付出很大關注和資源的城鎮來說，歷史告訴我們一條污水管道很少會在兩代人的時段進行更新，除非它的狀況會造成一個真正的危險。所以更現實的選擇是讓一條下水管道有80年到100年的時間內有良好的狀況。按這一正確的觀點也可以很容易地論證出陶管是最好的選擇。用根據LAWA（德國公共財產確定價值準則）的計算方法，取始終如一的折舊，利息，考慮重新投資和資金折現化，結果顯示如果選取與長期概率壽命有關的陶管的數值，就會取得很高的性/價比值。

不透水性	prEN 476	EN 295	其它
從管內 從管外 +角度偏斜 +徑向負荷	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/毫米直徑	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/毫米直徑	2.4巴（ATV A142） （德國污水協會規定） 100毫米/米（WN 295） 50毫米/米（WN 295） 30毫米/米（WN 295） 25牛/毫米直徑對一般管壁 50牛/毫米直徑對增強管壁（WN 295）
土埌不均勻性容許偏差	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）
耐化學性	沒有專門的條文	裝入式結合。pH值2-12，硫酸、硝酸、氫氧化鈉、次氯酸鈉	pH值1-13（WN 295）
互換性	沒有專門的條文	在相同接合系統和抗壓碎強度內具有互換性
耐溫度變化性	沒有專門的條文	80小時：在-10℃和+70℃之間循環變化
長期耐溫度性	DN＜200     45℃ DN＞200     35℃	7天在45℃溫度
對短期和長期 蠕變的徑向負荷試驗	沒有專門的條文	垂直移動＜6毫米做3個月，當＞6毫米，用承口支持再試驗

此外，在近年來進行了大量的工作使用戶鋪設管道更加方便。對直徑200 ~ 400的管子插入力量大大減少，只需一根撬杠就能很容易地把它們互相滑入。對DN 200到DN 300的管子，插入力只是80到200千克力。而對DN 300到DN 400的管子，插入力是以前數值的大約一半。結果，保證了組裝的簡單，但所有關于密封的要求均得到滿足。

根據鋪設管道施工的新的歐洲標準，也允許使用壓縮空氣在施工現場進行試驗，作為管道密封的試驗。在這方面也做了大量工作，對陶管管道的這些試驗已多次成功地進行。

產品認證：舉德國Steinzeug-Keramo公司為例，它的各種陶管產品由多個質量控制機構根據歐洲標準EN 295進行定期試驗，標準中規定了進行各項定期試驗的最低時間間隔。

質量認證：為了進一步提高和加強質量水平，Steinzeug-Keramo公司已連續努力很多年開發一個質量體系。早在1989年已經授予Steinzeug-Keramo公司質量認證證書ISO 9002和EN 9002，這是經英國標準學會（BSI）深入細致的驗證后授予的。當時Steinzeug-Keramo公司由兩個機構認證ISO 9002，即BQA（比利時質量組織）和BSI（英國標準學會）。

陶管生產有計劃地使用不破壞環境、不破壞農田的天然原料，即各種類型的粘土，粘土熟料（回用的陶管材料）和水。這些原料是充裕的。在很多國家實際上大量存在，也都能滿足對所需用不同類型粘土的性質的很高的要求。恢復后取土坑可做成景觀或用于垃圾填埋，只要密封粘土層的各項功能可以有效防止對地下水的污染。和很多其它各種管材不同，陶管的原料準備在單獨的生產企業中進行，從粘土到制成產品的過程被安排在一個連貫的生產工藝中，從而從運輸和能源回用上大大節約了能源。而其它管材的確得有原料的準備，而常常是一個耗能巨大的工藝過程——陶管生產中最大能源輸入只是在燒制材料的工藝過程。

描述各種下水管道管材的生態平衡的很多研究文章也可利用，在這些文章中介紹了產品從搖籃到墳墓的歷史，它不僅限于能量消耗也包括所有與環境有關的物質（SO₂，NO_X …）。

表6給出從Jeschar教授等人發表在“Korrespondenz Abwasser”（德國《廢水通訊》雜志）^[2]上的研究文章摘錄下來的聚氯乙烯管和陶管的能源消耗。從中可以看到生產一公斤聚氯乙烯管材比生產一公斤陶管管材需要的能源要多十倍多。

為了正確比較每米污水管道的能源消耗量，很明顯密封也應考慮進去。對目前使用的各種污水管管材的能耗可見圖9。從圖中可以看出在需要耐腐蝕管材的地方（混凝土管耐磨蝕性能低，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。當把這個比較用在一個實際項目中也考慮管件，考慮各種管材的概率壽命時，這種差別會更大。

從該比較中可以看出陶管明顯地是最不損壞環境的材料中的一種。



 

陶管不僅出色地滿足對下水管道的傳統的各項要求，還預先想到了在不久的將來會更加關注的新的趨勢和各種要求。例如，在陶管標準中正在把耐高壓清洗能力作為一個試驗參數編入。由瑞士蘇黎士市技術部門進行的一項比較性研究顯示陶管得分非常高。試驗開始時用不同的噴嘴把凈水噴射各種不帶管件的下水管道管子。壓力不斷增加直到出現管壁的損壞。

只有陶管能分別用350巴和500巴高壓噴水沖洗，經常需要疏通下水管道的私人公司從這里可以得出他們自己的結論。

在第二系列對管材的試驗中，考慮在污水下水管道的實際情況，以一種更復雜的方式進行。試驗在一根直管子里重復30次。使用砂子和粉狀材料的沉積物進行。而沉積物的組成由漢堡市決定。在該試驗中惟一令人滿意的管材是陶管。

其它陶管證明它具有理想的適應將來更苛刻要求的，重要特性是：在高水溫，在用水量低造成的高濃度和硬化表面脫離時的耐化學性。形成生物產生的硫酸在將來會很普遍，這是因為將來要連接各個分管網，要實現在系統中存儲的最佳化，以及使壓力管道的整體化。這意味著當下水管道輸送時，廢水將會更具厭氧性和形成生物產生硫酸的理想條件。陶管材料對這種形式的侵蝕具有特殊的忍耐能力。

在鋪設分流系統污水管道中，使用陶管就具有許多經濟上的優點。因為管壁表面光滑和耐侵蝕，陶管具有它本身的絕對的水力學效益。陶管不會老化，它能承受負荷，而這些負荷可能會在多次挖掘作業的過程中發生變化。陶管能永遠保持它的剖面尺寸。這就意味著在廢水管道開始的一個區域能以直徑200 mm的管道很容易的開始，管內污水輕度污染能有足夠的流量存在以保持管壁剪切應力高于一個最低值。根據Macke^[3]的研究。無沉積物運動的管壁剪切應力必須最少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），這就意味著對粗糙系數0.5的陶管，最低坡度必須是8‰。對直徑DN 250的管道這個值是6‰。這些坡度在排水系統的開始處是很容易獲得的。不能把準則通用化，最小直徑的確定仍然必須根據水力學參數。因為可以設想分流系統是發展趨勢所以大量的雨污分離工作將會繼續，在可以預見的將來存在著一種危險，即在系統上游支流位置存在非常大的管路。只有較小直徑，不太昂貴，具有稍微更陡的坡變，從而有更大自清洗能力的管子才能被鋪設在已經鋪滿電纜和其它管道的道路表面里并保留較多的空間。

如果考慮長折舊期，投資給陶管通常是最經濟的方案。按LAWA準則推薦的折舊期80到100年將使天平朝陶管傾斜。這樣每年僅1%的折舊率變為可能。



 

陶管以一種不平行的方式集合了對污水管道重要的性質。承包商有時看到耐沖擊性能不如混凝土管是一個負面方面。然而，顧主看這個問題常常從另一方面—如果承包商對管材不是特別小心而造成損壞，在驗收工程時這些問題會查清楚并做修理。可是對其它材質管道來說，常常在擔保期之后才出現鋪設時造成的損壞，這時對顧主造成的經濟損失反而更大。

承包商定期參加技術培養保持了解最新的鋪設條件和措施以更容易地使用管材完成工作。從而通過鉆孔，減少插入力和增加抗壓碎強度值等巨大的努力而獲得穩定的和可靠的連接。一體裝入陶管的密封使用25年其尺寸仍然極為穩定。在現場使用陶管的切割專用工具就比鋸斷合成材料的管子快得多。這大大保證了鋪設進度。

奧地利排水協會（Abwasserzweckverbände in Austria）的諸多工作中的一項是負責維護和保養他們的下水管道系統。他們的一項研究表明陶管下水管道的維護成本與其它管材比較是最低的。

陶管出色地經得起用高壓清洗進行的維護（見上文介紹），如果確實需要修理，有很大范圍的附件可以選用。隨后向陶管下水管道的連接不會有任何問題，因為它們的圓剖面形狀永久地保持。




  

在荷蘭易遭沉降的地下陶管也已挖出并移送到其它工程項目中使用。從它們隨后的使用中證明陶管和它們的密封再次利用是可能的。

從以上六點論證確實說明在絕大多數場合下，陶管是用在將來的功能優越的污水輸送系統的材料。

陶管以一種理想的方式集合了一個下水管道系統需要的所有特性，這也給陶管一個較長的壽命。這些特性對顧主和投資者都是適宜的。畢竟，并不是每一代人能建造他們自己的污水管道系統，陶管的壽命是這么持久，使人們也不必這樣做。

上世紀50年代陶管生產和粘土磚一樣普及，城鄉大量使用當地生產的質量粗糙的陶管用于排水、污水管道。1981年、1984年由國家建材工業局山東工業陶瓷研究設計院負責起草了有關陶管產品的8個標準，1996年、1998年在這八個標準基礎上進行了修訂。修訂時主要參考了或等效采用了美國、英國、德國、澳大利亞、日本等國上世紀90年代的國家標準，形成了中國現行的有關標準：
 

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                  陶管抗外壓強度試驗方法；

④ GB/T 2833-1996                  陶管彎曲強度試驗方法；

⑤ GB/T 2834-1998                  陶管吸水率試驗方法；

⑥ GB/T 2835-1998                  陶管耐酸性能試驗方法；

⑦ GB/T 2836-1998                  陶管水壓試驗方法；

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

有關設計規范和施工驗收標準分別為：GB 0332-2002 給水排水工程管道結構設計規范，GB 50268-97給水排水管道工程施工及驗收規范。

從50年代國內有幾百家陶管廠，到80、90年代近百家陶管廠，到今天散布在黑龍江、山東、河北、江蘇、浙江、上海、廣東十幾家生產廠家。甚至只剩下幾家成規模的廠家。大多數廠家因污水為是鄉鎮企業，生產手段落后，產品強度低，沒有配套可靠的密封和完善的連接配件。在安裝使用中發生嚴重的污水泄露已無法滿足日益嚴格的環保要求，又因廠家常常隨意無計劃在農田及工礦、生活居住區就近取土，破壞農業生產和破壞生活條件、生態條件。很多陶管廠生產被勒令停止，個別城市當局沒有采取認真調查，引進國外生產高技術改進產品質量，使其提高完善使用性能的方法，而簡單武斷地禁止使用。很多廠家生產陶管質量低劣，價格低廉，利潤很低，隨著陶管市場日益萎縮，紛紛轉產生產市場看好的衛生潔具、裝修用陶瓷墻面磚、地面磚或工藝品。國內上述陶管產品標準早應修訂，但幾十年來生產技術沒有改進，產品質量沒有改進，發展方向不明確，沒有修訂的內容。這樣下去目前國內生產的下水管道，污水管道用陶管面臨徹底被淘汰的下場。

世界上發達國家開發現代化高強度帶優質柔性密封的陶管生產技術，歐洲十八個國家共同采用EN 295標準的嚴格要求，進行陶管生產。分別采用歐洲標準EN1610：1998和EN12889：2000用于下水管道污水管道開挖施工，非開挖施工和相應的驗收試驗。歐洲德國Steinzeug-Keramo公司年生產陶管能力達35萬噸，全部生產由計算機、機器人操作。德國公用和私人下水管道總長度的46%為陶管，德國的慕尼黑（1811）、漢堡（1842）、法蘭克福（1867）、史泰琴（1868）、但澤（1871）、柏林（1873）、布雷斯勞（1877）、科隆（1881）和杜賽爾多夫（1884）等城市使用陶管作下水管道達百年以上。杜賽爾多夫城市污水管理部門在管道使用一百年完全折舊后，又延長了其使用期30年，從而大大減輕了用戶對污水處理的負擔。美國使用陶管污水管道百年以上的城市達47個。最古老的屬華盛頓特區（1815年鋪設）。英國使用陶管作污水管道百年以上的城市有7個。中國的天津、上海、青島、武漢等城市使用陶管也有百年以上。這里還指的是傳統的陶管，現代化陶管的壽命會更高。

發展中國家埃及、也門、巴基斯坦、印度、馬來西亞、文萊、印尼目前也大量使用歐洲生產的現代化陶管作城市污水管道、香港和臺灣已分別有500多個工程（各包括幾十個頂管施工工程）使用德國Steinzeug-Keramo公司的陶管，Steinzeug-Keramo公司還按歐洲產品標準在埃、沙特阿拉伯和馬來西亞建造了自動化陶管生產線。

現代化生產的高強度，帶優異不透水柔性密封的陶管和管件最適宜用于城市污水排放管網，在世界各國污水管網中占極高比例，在中國的使用和生產也應得到普遍的重視和積極的發展。