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卡箍式铸铁排水管在建筑中的应用

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2013-10-05
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:根据收集到的大量资料,对新型排水管材--卡箍式铸铁排水管的基本情况作了介绍,并对设计采用这种管材的过程中遇到的一些问题提出了自己的看法。   
    关键词:卡箍式铸铁排水管压力试验   
    0引言   
    卡箍式铸铁排水管是一种新型的建筑用排水管材,60年代开始进入国际市场,经过几十年的推广和应用,这种管材已得到国际上的普遍认可。根据美国铸铁排水管协会(CISPI)的统计资料,在过去的几十年中,仅北美地区就有近7.5亿个不锈钢卡箍被用于排水系统中。亚洲的一些国家如日本、新加坡、马来西亚及香港地区的许多工程也都采用了这类管材,其中新加坡还颁布了这方面的产品标准。据了解,世界上目前最高的建筑物马来西亚吉隆坡城市发展中心双塔楼(451.9m),香港的中环广场(374m),上海金茂大厦(88层)等标志性建筑均采用了这种产品。我国的一些企业是从1989年开始根据国际市场的要求,研制和生产这种管材的,1992年开始出口供国际市场。虽然,这种管材与传统的承插式铸铁排水管道相比有许多优点,是一种更新换代产品,但由于这种管材及配件价格相对较贵,所以在国内一直未能得到普及推广,直到1994年上海、广州等地的一些建筑才开始陆续采用这种管材。随着国内整体经济实力的提高,尤其是国家《建筑给水排水设计规范》(GBJ15-88)1997年局部修订条文中增加了第3.3.20A条内容后,这种管材才开始受到人们的重视。遗憾的是,至今我国还未对这种管材制定出统一的产品标准,国内生产企业的产品标准也不一样,大多按照国外标准和订货商的要求生产,加上国内缺乏采用这种管材方面的经验,这就为设计及施工人员设计及安装这种管道带来了一定困难。我院最近在设计一些超高层建筑如健力宝大厦(38层)、广州信德文化广场幅楼(36层),就遇到了类似的问题。以下本人就设计选用这种管材的过程中,了解到的一些情况向读者介绍,并就遇到的一些问题提出个人的看法以供大家参考。   
    1组成   
    卡箍式离心铸铁排水管由无承口离心铸铁管、无承口管道配件、卡箍及橡胶密封圈4大部件组成。   
    1.1无承口离心铸铁管   
    通常采用水平旋转离心式铸造工艺制造。为灰铸铁,管壁厚度均匀,管材材质密实,外壁美观,重量较传统的承插式铸铁管轻,无渗漏。管道的内外壁,普通管一般采用沥青漆保护,高档的采用环氧树脂漆保护,当对耐酸碱要求较高时也可采用搪瓷内衬保护。管道的管径壁厚根据不同的标准而不同,表 1及表2分别为ISO6594标准和美国CISPI301-90标准中对箍式铸铁排水管径、壁厚的规定。   




     与国际标准不同,美国标准采用英制(表2中单位为英寸),且管道又分为端头带突缘的管和不带突缘的管两种,而国际标准只有不带突缘的管的规格。 
  1.2无承口管道配件  
    采用无箱射压造型铸造生产线制造,管径尺寸统一,管壁厚度均匀,外表美观,能与离心无承口铸铁管配套。其防腐保护同管道一样,但其壁厚较管道略厚。  
    1.3卡箍  
    卡箍有很多种构造形式,大多采用螺栓收紧。较为流行的卡箍有按美国CISPI310-90标准生产的不锈钢卡箍及瑞典生产的Sum 型卡箍。按美国标准生产的卡箍主要由不锈钢波纹罩、不锈钢紧箍带及橡胶密封圈组成,11/2″~4″的卡箍采用2条紧箍带,5″~10″的卡箍采用4条紧箍带。每个不锈钢带配一个不锈钢拧紧装置,Sum型卡箍由一个不锈钢紧箍片加上收紧螺拴及橡胶密封圈组成。这种卡箍又分为通用型及加强型(IGH)两种,加强型适用200mm~300mm的管道及瞬间水压达到4MPa~10MPa的管道。  
    1.4橡胶密封圈  
    美国标准的密封圈采用聚氯丁橡胶制造而成,这种橡胶耐磨,耐油脂,耐化学物品,耐日晒,耐臭氧,耐热,耐冷,且抗老化。据资料介绍由杜邦(DUPONT)研究所研制出的聚氯丁橡胶产品已成功地使用了几十年。我国一些厂家生产的橡胶圈有的采用聚氯丁橡胶,也有的按国家标准 GB9876-88生产,或采用其它品种的橡胶。  
    2与其它排水管材的比较  
    2.1与传统的承插式铸铁管比较  
    2.1.1重量较轻  
    卡箍式铸铁排水管均采用离心铸造,壁厚均匀,重量较轻;而传统的承插铸铁排水管国内大多采用连续铸造及砂模铸造生产,壁厚往往不够均匀,重量较重。以DN100口径为例,两种管材壁厚及重量的比较如表3。  
    表3两种管材壁厚及重量比较  

    2.1.2抗震性能好  
    国家《建筑给水排水设计规范》(GBJ15-88)1997年局部修订条文中增加的第3.3.20A条,对高层及超高层建筑中铸铁排水管材提出了抗震方面的要求。规范这样规定是合理的,根据日本的一些资料介绍,传统承插式铸铁排水管为钢性联接,在建筑的层间位移达到10mm左右时就会出现漏水现象;在高层及超高层建筑中由于地震或风压所引起的层间位移往往可达20mm~40mm。卡箍式铸铁排水管为柔性接口,两管间的轴向偏心角可达 5°,完全能够满足抗震的要求。  
    2.1.3安装、更换管道方便  
    卡箍式铸铁排水管由于重量较轻,且采用卡箍接头为“活接头”,管与管之间、管与配件之间无套叠,无论安装及拆卸、更换管道都要比传统承插铸铁排水管道方便。人工费自然也就低。
2.1.2抗震性能好 
    国家《建筑给水排水设计规范》(GBJ15-88)1997年局部修订条文中增加的第3.3.20A条,对高层及超高层建筑中铸铁排水管材提出了抗震方面的要求。规范这样规定是合理的,根据日本的一些资料介绍,传统承插式铸铁排水管为钢性联接,在建筑的层间位移达到10mm左右时就会出现漏水现象;在高层及超高层建筑中由于地震或风压所引起的层间位移往往可达20mm~40mm。卡箍式铸铁排水管为柔性接口,两管间的轴向偏心角可达 5°,完全能够满足抗震的要求。 
    2.1.3安装、更换管道方便 
    卡箍式铸铁排水管由于重量较轻,且采用卡箍接头为“活接头”,管与管之间、管与配件之间无套叠,无论安装及拆卸、更换管道都要比传统承插铸铁排水管道方便。人工费自然也就低。 
    2.1.4噪音低 
    由于采用柔性橡胶连接,可以有效地防止卫生器具等产生的噪音通过管道进行传递。 
    2.1.5美观 
    由以上比较可见卡箍式铸铁排水管是传统铸铁排水管的换代产品,各方面的性能都比传统承插铸铁排水管要好,应该给予推广。唯一的缺点就是这种管的材料价格较高,目前阶段只适于在超高层建筑、比较重要的公用建筑、及对抗震有较高要求的建筑物中推广使用。 
    2.2与UPVC排水管道比较 
    2.2.1噪音低 
    铸铁排水管质量较大,它比质量轻的其它管道如UPVC管,ABS管,铜管,镀锌钢管更难引起振动,因而对直接通过管壁传递的噪音有良好的隔音作用。另外,由于采用氯丁橡胶接口,使振动的传递也受到削弱。据美国一些实验室的试验表明,卡箍式(或柔性接口承插式)铸铁排水管系统,与传统承插铸铁排水管系统、UPVC排水管系统、ABS排水管系统等相比是最安静的排水系统。 
    2.2.2防火性能好 
    UPVC管虽然为难燃自熄型管材,但在明火的作用下,如超过一定温度,仍会引起管道弯曲、变形以至破坏不能使用,甚至火势还会沿排水立管、地漏、清扫口与卫生器具的接管而向上蔓延。虽然《建筑排水硬聚氯乙烯管道工程技术规范》(CJJ29-97)第4.1.15条对高层建筑中UPVC管立管及横支管明装时,如何采取防止火灾贯穿的措施提出了几点要求,但卫生间处的接管如何防止火势向上蔓延则未有交待。所以至今一些地方的消防部门仍不赞同在高层建筑尤其是超高层建筑中采用UPVC管。 
    2.2.3寿命长 
    UPVC管的理论寿命约为30~40年,而实际上是很难达到的,目前许多生产厂家为了争取市场,降低生产成本,而采用再生塑料或增加添加剂含量的做法,使得UPVC排水管的寿命大打折扣。 
    而卡箍式铸铁排水管的寿命则超过建筑物的预期寿命,虽然氯丁橡胶圈的寿命没有铸铁管寿命长,但更换橡胶圈比更换整个管道系统还是经济的。在国外比较重要的建筑物仍多采用铸铁排水管,而普通住宅才采用UPVC排水管。 
    2.2.4膨胀、收缩系数小 
    UPVC排水管的缺点之一就是线胀系数较大,约为铸铁管的6~8倍,所以UPVC排水管安装时一定要安装伸缩节。伸缩节安装在立管上没有什么问题,但在横管上安装就容易出现漏水现象,使得管道转换层的悬吊横管往往要改为采用造价高得多的柔性接口承插式给水UPVC塑料管。 
    2.2.5耐磨性、耐高温性好 
    UPVC排水塑料管虽然拥有重量轻,耐腐蚀,美观,安装方便,造价低等优点,但与铸铁排水管尤其是卡箍式铸铁排水管相比还是有许多本身难以克服的缺点,笔者认为在高层建筑中还是应当尽量采用铸铁排水管,而在超高层建筑则应优先采用防火性能好,寿命长,噪音低,抗震性能好且膨胀收缩小的柔性接口铸铁排水管。一些地方的政府部门以法规的形式强制要求一律采用UPVC排水管是不适当的。 
    2.3与其它有承口柔性接口铸铁排水管的比较 
    带承口的柔性接口铸铁排水管有十多种接口形式、较具代表性的有承插式及法兰式两大类。与这类管道相比卡箍式铸铁排水管具有以下优点: 
    2.3.1重量轻 
    虽然有些带承口柔性接口铸铁排水管也是采用离心铸造工艺制造,管壁厚度均匀,但由于为了保证承口处的强度,不得不将管子的厚度定得比较厚。两种管材的壁厚、单位重量比较可参见表3。 
    由于单位长度的重量较重,带承口的柔性接口排水铸铁管的造价就较高。 
    2.3.2安装尺寸小、更换方便 
    带承口柔性接口铸铁排水管的接口尺寸较大,尤其是法兰压盖式,无论是在管井内安装还是靠墙安装都不方便,当卫生器具较多时,短管采用较多,管材浪费较大。另外当维修更换管道时要先锯断管子再能退出管子。而卡箍式铸铁排水管的安装尺寸就小的多,广州信德文化广场大楼一个 800mm×600mm管井就安装了5根DN150mm管及两根DN100mm管。另外这种管道采用的是平口联接,安装更换都很方便。 
    带承口柔性接口铸铁排水管唯一优点就是有些接口型式尤其是法兰压盖式的接口处的抗拔出性能较好,因而承压能力一般较卡箍式铸铁排水管要高一些。 
    3产品标准 
    目前笔者所了解到的国际上有关卡箍式铸铁排水管的标准有以下几个: 
    (1)ISO6594标准(国际标准) 
    CISPI301-90标准(美国铸铁污水协会标准) 
    ASTMA888-90标准(美国试验和材料学会标准) 
    以上标准涉及到无承口离心铸铁管及管件。 
    (2)CISPI310-90标准(美国铸铁污水协会标准) 
    ASTMA564-88标准(美国试验和材料学会标准) 
    以上标准涉及到橡胶密封圈,不锈钢卡箍,及管道的试压及安装。 
    (3)其它国家的标准还有 
    WFA48-720(法国) 
    DIN19522(德国) 
    2584/81FromstatensPlanwerK(瑞典) 
    BritishBoardofAgrement——CertificateN°89/2349(英国) 
    SingaporeMoE/SISIP、I130291ML(新加坡)。 
    由于我国目前还未有制定有关卡箍式铸铁排水管的产品标准,这就为设计人员设计选用这种管材带来了一些麻烦,不知选何种标准的产品为好,笔者认为无论是选用进口产品还是选用国内产品都应首先考虑选用按国际标准ISO6594标准生产的管道及配件,这样做一来有利于与国际市场接轨,二来由于国内生产的镀锌钢管,排水铸铁管及UPVC管的管径大多都采用国际标准,采用同一标准的管径有利于管道间的联接,否则往往由于采用标准不同的管材而会导致在卡箍接头处引起密封不好而产生漏水的现象。另外将来制定的国产产品标准的规格也会是按照国际标准进行制定。目前国内厂家能生产多种标准的产品,选用时应当慎重。 
    4设计方面的问题 
    4.1横管的坡度 
    ISO6594标准中三通,四通及弯头所构成的水流转角方向均为88.5°,不论管径大小都一致,由此而得到横管的标准坡度为 tg1.5°=0.026,此坡度与UPVC排水管材管件是相同的,亦是国际上通用的。设计时应尽量采用此坡度。如要加大坡度或要减少坡度可通过管段末端的接口的偏转来达到。 
    4.2水力计算 
    卡箍式铸铁排水管横管的水力计算公式仍可采用国际上通行的曼宁公式Q=A.V=A/nR2/3.I1/2。与普通铸铁排水管不同的是由于卡箍式铸铁排水管是采用离心浇铸而成,内壁光滑,故其粗糙系数要比普通铸铁排水管小,国外规范推荐使用n=0.012。对于管内加了环氧树脂漆等涂层保护的管道,n值还要小些,但计算时也可按n=0.012计。 
    5安装 
    由于卡箍式铸铁排水管的接口为柔性联接,而吊架的设置应考虑到防止管道下凹。另外卡箍式接口的抗拨出性能略差,接口两端固定和不固定对整个管道系统的耐压能力有很大影响,应当在横管直管段适当位置加设固定支架,以防管子水平方向的位移,在弯头、三通、四通等配件处要加固定支架或支墩以防管道拔脱。立管应在穿楼板处采用专用的承重短管或采用磨擦夹紧式的固定支架以均分管道的重量,防止接口处滑脱。 
    国内产品生产的管道与卡箍都不是同一个厂家,应选择同一标准规格的产品,否则容易因为管道与配件的尺寸对不上而引起接口收不死而漏水的情况。管道的安装可以参照广东省建筑设计院何冠钦主编的《卡箍式铸铁排水管设计、施工指南》。 
    6试压 
    ISO6594及CISPI301-90标准并未提出试压的问题,只有CISPI301—82曾要求管道应能承受50Psi(注:lPsi=0.006894MPa)的水压,而美国CISPI310-90标准则对管道及卡箍有如下要求: 
    (1)水压试验(单口、一端固定、一端自由) 
    直管与管件接口应能承受以下的水压(保持5min) 
    1.5″~5″20Psi0.14MPa 
    6″18Psi0.13MPa 
    8″10Psi0.07MPa 
    10″6Psi0.04MPa 
    达到或超过以上压力又未出现渗漏及拔出的均被认为合格。 
    (2)水压曲挠试验 
    管道水平放置单边固定单边自由,一个接口,管道偏心为每英尺1/2″,压力达到4.3Psi保持5min不渗漏为合格。需要指出的是以上两项试验均是在单端自由的条件下进行的,当两端固定时实际承压能力要提高几倍。 
    6.1污水排水系统 
    室内污水排水系统一般均为非满流,所以系统验收时,排出管只要进行灌水试验,立管及横支管只要进行通水试验即可。对于高层及超高层建筑,有的情况是最低的一个卫生器具或地漏至排出管的高差较高,如发生管道堵塞,至最低一个器具或地漏发生污水溢流时管道内可能会产生较高的水压,以至可能会破坏卡箍式铸铁排水管,为安全起见,这部分管段设计时也可以考虑采用耐压较高的加强型卡箍或柔性接口的排水球墨铸铁管。 
    6.2雨水排水系统 
    室内雨水管道一般也是按无压流设计,但是由于雨水流量较大较集中,在一些情况下也会出现压力流,比如当屋顶的雨水沟坡度设置不好或由于其它雨水斗因塑料袋等杂物而阻塞,雨水未能分流至几个雨水斗而集中至某个雨水斗时,该雨水斗以下的排水立管就会出现压力流的情况。还比如当立管底部出现阻塞时,也会出现压力流或管内承受很高压力的情况,鉴于万一雨水管道破裂会造成较大的经济损失的情况,笔者建议高层及超高层建筑的雨水管道,塔楼屋顶直到底部的雨水管应改为采用承压能力较高的柔性接口排水球墨铸铁管(不用内衬水泥)或钢管,而裙楼部分下面的雨水管仍可采用卡箍式铸铁排水管。 
    7结束语 
    传统的承插式铸铁排水管正受到UPVC等新型排水管材的严峻挑战,卡箍式铸铁排水管的出现为铸铁排水管的生存带来了一线生机。这种管材不但具有重量轻,美观,安装方便等优点,与UPVC排水管相比还有寿命长,耐火性能好,抗震性能好,噪音低等优点,是一种更新换代的新型排水管材,但是这种管材目前还存在造价较高,国内目前还未制定这种产品的标准,及设计安装方面的规范等问题,这就为推广应用这种管材带来了一些困难。各设计使用部门目前在设计选用过程中应注意多收集资料,不断总结经验,生产厂家应尽量降低产品造价,有关部门也应尽快制定这方面的产品标准,及设计施工规范,以使这种新型管材能够早日得到普及推广。
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