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铜管用于供暖系统的优越特性,使用成本分析和比较

[ 关键词:铜管用于供暖系统 发表日期:2020-08-03 10:39:35 ]

  铜管作为优质管材在高品质建筑供暖系统中被大量采用。本文将为你介绍铜管用于供暖系统的优越特性,对其在各种条件下的耐腐蚀性能及其它性能进行了分析,指出了铜管在设计及施工中应把握的问题。通过回访客户使用情况及市场调研,对铜管在建筑工程中的使用成本进行了分析和比较,建议在供暖工程中采用性价比优良的铜管。

一、铜管的耐腐蚀性能

1、氧化腐蚀

  金、银和铜等贵重金属同属化学元素周期表的IB族,该族元素的共同特点是化学稳定性很好。铜在常温下,抗氧化性能较好,大气中含有很多种气体,其中含量较多的是氧气、水蒸气、CO2、SO2等。在这种条件下,铜的表面会缓慢地生成很薄的一层氧化铜或碱式碳酸铜和碱式硫酸铜的结合体,俗称铜绿。铜绿自身的组织致密,与铜基体的结合紧密,从而形成防止基体金属继续腐蚀的保护膜。因此,铜长期处于大气中不会被腐蚀损坏。

2、酸、碱腐蚀

  金属在水中的腐蚀,有电化学腐蚀和化学腐蚀两种。以电化学为主,两者互相关联。电化学腐蚀是电极电位差引起的电子流动而产生的腐蚀,水中的电极电位是以氢离子的电位为零作基准对比而产生的。铜在水中的电极电位是正值,铜原子中的电子不会流向氢离子。因此,铜原子在水中是不会与水中电离的氢离子交换电子而发生放氢反应从而产生腐蚀的。铜只有在离子状态,才有可能发生水合或与其它相关离子发生反应而产生腐蚀。所以,铜在水中不易失去电子而被腐蚀。

  供暖用水进入锅炉前要经过软化处理,目的在于最大限度地除去水中的钙、镁离子,或将其减少到一定程度。最常用的软化处理方法是离子交换法,这需要加入氯化钠来进行反洗。这样一来,就会有部分微量的氯随着软化水进入锅炉及管道。氯进入水中后与水反应,生成活性氧和盐酸(电离出H+和Cl -),氢离子和氯离子一般对铜都不产生腐蚀。然而,活性氧会氧化铜,使铜从原子状变成离子状,为铜的腐蚀创造条件。

  氯与水反应:Cl2+H2O=2HCl+[O]

  铜本身属惰性金属,一般条件下分子结构很难改变,因此腐蚀铜管的前提是活性氧含量要达到一定的浓度。经正常的软化设备处理过的软化水中,氯的含量很低,被分解后所形成的活性氧含量更是微乎其微,尚达不到对铜管形成腐蚀的浓度。所以,软化水是否对铜产生腐蚀,关键在于软化后水中的离子含量,特别是阴离子含量。应用时应按水质本身的情况进行具体分析,不能一概而论地认为是软化水就会对铜产生腐蚀。

  此外,自来水处理的过程中,有的地方还采用加入漂白粉的方式消毒,那么,自来水中的余氯对铜管会产生多大影响呢?国家饮用水标准的余氯量规定是<0.3mg/L。国外资料表明,含氯<0.5 mg/L就不会对铜产生腐蚀。这说明水中含有轻微的余氯不会对铜管产生明显的腐蚀,但是不可否认它是铜产生腐蚀的重要因素之一,需要引起足够的重视。所以,采暖循环水中的余氯含量应控制的低些为好。

  铜在水溶液中是耐腐蚀的,但在微酸性溶液中的耐腐蚀性能又如何呢?所谓酸性水溶液就是水中的氢离子多了,即pH值小于7的情况。此时,铜的电极电位是正值,不会与氢离子交换电子而产生腐蚀,所以,铜在非氧化性酸溶液中是耐腐蚀的。据《金属腐蚀与保护》一书中介绍,铜在60%以下的硫酸溶液中是耐腐蚀的;在40℃条件下,55%硫酸水溶液中的腐蚀仅0.07mm/年,在10%盐酸水溶液中腐蚀仅0.08mm/年。由此可见,pH值为6.0以上的极微酸性水溶液对铜管来说腐蚀很小。也就是说,供暖用水的pH值控制在6.0以上,便完全可保证铜管的使用安全,而一般市政供暖水的pH值都在8.0以上。

  铜在一般酸性水溶液中是耐腐蚀的,但当酸性水溶液中含有氧,特别是活性氧时,铜就会被氧化成铜离子,然后被腐蚀掉。所以,含有硝酸、铬酸等氧化性酸的水溶液会对铜产生腐蚀。一般水中的含氧量比大气中少的多,国家供暖用水的pH值标准是8.0~9.3之间,属偏碱性的水。铜管在碱性水溶液中的耐腐蚀性更强,可以保证安全使用。

  综上所述,铜管在正常的酸性水和碱性水溶液中耐腐蚀性能是较好的,将铜管应用在采暖系统中是安全的。

3、冲刷腐蚀和点蚀

  当水中含有氧、硫酸根、碳酸根、SO2、CO2等成分时,易使其产生一层极薄的氧化铜(铜绿)附着在铜的表面,防止铜管被深层腐蚀。如水中含有细沙粒和铁制品的腐蚀产物(氢氧化铁)的粒子时,这些颗粒流动冲击铜的表面,会将保护膜冲掉,形成冲刷腐蚀。冲刷腐蚀多数发生在铜管的弯头处。

  但是,这种情况很少发生,一般地水都会经过沉淀、过滤处理,循环使用的水也要经过过滤处理,将其中的粒子去除后使用。

  在整个供水系统中,通常还有许多钢、铁质的设备和零部件,钢、铁在微酸性溶液中会很快产生腐蚀,如果没有过滤装置,腐蚀产生的氢铁化合物会在系统中流动时破坏铜管的表层保护膜,对铜管形成连续性冲刷腐蚀。为了避免冲刷腐蚀,建议在供暖系统管道的使用上,安装焊接时尽量选用硬钎焊,焊条选用铜银合金焊条,尽量避免使用锡焊及含锌的焊条。整个采暖系统配套设施的选用上,尽量采用铜或铜合金产品,如紫铜、黄铜管件、黄铜阀门等,在配套末端散热器的选择上,建议选用经济、实用、美观的纯铜散热器或铜铝复合散热器,建议在循环系统加装配套过滤器。

  金属在水中的腐蚀分全面腐蚀和局部腐蚀两大类。金属不怕全面均匀腐蚀,最怕局部腐蚀,也就是点蚀。点蚀是一种特殊的局部腐蚀,又称坑蚀或孔蚀,导致金属产生小孔。形成点蚀的因素很多,各种因素又互相影响。

  铜在极个别情况下的热水系统中偶尔也会产生点蚀,主要是由水质引起的。据有关报道,各国产生点蚀分两大类,第一类是在硬水中产生,腐蚀产物是CaCO3和Cu(OH)2,内部含有CuO和CuCl2。第二类是在处理软水中产生,腐蚀产物是CuSO4(OH)6和Cu2O,内部是Cu2O。铜产生点蚀的原因很多,从实例调查和实验结果来看,比较统一的看法有以下几点原因:

  (1)硫酸根和碳酸氢根的比例

  硫酸根离子和氯离子是腐蚀性阴离子,根据实验数据和实例统计,当[SO42-]/[HCO3-]>1时容易产生点蚀,小于1不容易产生点蚀,最好是小于0.5。

  (2)水的流速

  水的流速过快会产生冲刷腐蚀,反之流速过慢也会产生点蚀。根据实验,流速小于0.5m/s容易产生点蚀。这可能是因为附着在金属表面的水层不动为氧化反应创造了条件。反之,水的流速越快,水内含的各种杂质破坏了铜表面的氧化层,对铜管的冲刷越厉害,当保护膜被冲刷掉后,又会形成新的保护膜,然后又被冲刷掉,又生成……,最终导致铜管被腐蚀掉。所以,建议将系统水的流速控制在0.6~1.0m/s。

  (3)其它因素

  如水中的溶解氧是促使铜管发生点蚀的因素之一,因此,应控制水中的氧含量。日本的《建筑用管道腐蚀对策指南》认为,水中如果存在大量硫化物、氧、氨,会产生较大的腐蚀性。

总之,尽管铜管用于供暖是公认的好材料,在热水系统中发生点蚀的情况也极个别,但是也应引起注意。以往应用中的经验值得借鉴,在使用的过程中,应当特别重视水质,使水质达到标准要求,保证系统设备及管道的使用寿命。

4、铜管的抗结垢性能

  钙、镁等的碳酸盐、硫酸盐及其固体悬浮物以及化学、电化学腐蚀产物(如铁锈)等是造成管道内壁结垢的物质基础。管道内表面粗糙不光洁,包括加工过程形成管内壁粗糙度和腐蚀造成的斑点小洞,为这些物质创造了沉积结垢的条件。碳酸盐与一般物质不同,其溶解度随着温度升高反而降低,造成盐类析出,增加沉积。同时,温度越高,管道的腐蚀反应越快,腐蚀产物越多,同样加速结垢。铜管的生产工艺为冷拔无缝铜管,不仅管壁光洁,还具有杀死微生物的功能,钙、镁离子形成的沉淀物颗粒无法附着在铜管的管壁上,所以,金属管道中,铜管是非常不易结垢的。其它金属管道由于生产工艺不同,内壁不是很光滑,会不同程度地产生结垢现象,铜管和不锈钢管要比钢管和镀锌钢管好得多。通常,在船的钢板外表面镀上一层铜,就是为了避免海水中微生物沉积在钢板上影响船的航行速度。

5、铜管的耐温度变化性能

  众所周知,铜管具有优异的耐高低温差变化性能。铜管能在-200℃至200℃之间的温度条件下,保证不产生弯曲现象、不变形,遇明火不燃烧,遇热不会释放出有毒气体,在冷、热水的极端温度范围内,耐热均很好。

  温度变化(Δt)对热水管道使用性能的影响,主要在于管道的热胀冷缩特性以及由此产生的蠕变疲劳性方面。在这方面,塑料管道的热膨胀系数较大,在热水管道供水、停水之间,塑料管道的热膨胀系数是铜管的十倍。当然,任何一种管道都存在热胀冷缩的现象,铜管也不例外,只不过相对其它材质的管道而言,线性膨胀系数小了许多。铜管的线性膨胀系数为0.018mm/m·k,当温度上升60℃时,1m长的铜管会增加1mm。在一定长度的直线管段上,由于温度上升会造成管道产生热应力,导致管道接口或支架的破坏。通常情况下,要求在工程安装的时候,每10m长直线管段中要考虑采取相应的措施,如安装伸缩结。不过一般情况下,直线管段一般都不会超过10m。根据解放军某部住宅楼供暖系统管道施工安装的实际经验,安装暗埋供暖及热水管道时,为了确保安全,万无一失,在每个弯头处,加装塑料或其它材质的弯头管套也是有必要的。明装管道若不超过10m,就可以不必考虑膨胀问题。

6、铜管的耐压及抗老化性能 

  铜管的韧性好,能承受较强的压力。一般条件下,外径为15mm,壁厚为0.7mm的铜管,能承压4.8MPa,即能承受48kg的压力。这就是现代高层建筑为什么都将铜管作为首选管材的原因。

  铜管、不锈钢管、普通钢管、镀锌钢管等金属管道的机械性能,在水温高低变化的条件下都能保持不变,故金属管道的压力承受能力也不会降低。

  各种金属都不存在老化问题。在正常使用时,长时间阳光下暴晒部分,不会因为暴晒的原因产生分子结构变化,也不会发生老化变脆等现象。

铜管应用设计和施工中应把握的问题 

  由上面分析的铜管特性所决定,在铜管供暖系统的设计和施工中,应当注意把握以下几个方面的问题: 

  1)了解当地供暖水质(pH值),以便采取相应的措施,避免水质不合格而影响管道寿命。

  2)为避免出现铜管冲刷腐蚀,在整个管道循环系统的配套设施方面,不得使用铸铁配件或阀门,不宜使用钢管及其它非铜金属管道与铜管配套使用,管件、附件宜采用铜制管件,铜管与钢制设备相连接时,应采用铜合金配件(如钢铜法兰等)。

  3)应注意管道的连接,如引入管、支出管接出及水表接口处应采用便于检修的缧纹管件或法兰连接,不宜暗埋。铜管暗埋部分,埋地管道安装要采用硬钎焊方式焊接。

  4)引入管穿过地下室外墙或地下建筑物墙壁时,应预留孔洞,临时打通的孔应设管套,避免破坏管子表层,影响使用寿命。并应考虑建筑沉降等不利因素,管道不应穿越建筑物的沉降缝,伸缩缝,如必须穿越时,应设管道伸缩和简切变形的补偿装置。

  5)管道穿越楼板、承重墙时,应设钢质、塑料管套,穿越楼板管套上端应高出室内地平50mm,下端与楼板地面持平,穿墙管套与两边墙面平齐。

  6)由于铜管导热系数较高,明装部分供暖管道,为了避免烫伤,宜采用塑覆铜管,塑覆层既能保温又可以隔热,保证日常使用的安全。

  7)施工过程中,要防止对铜管有腐蚀作用的酸、碱性物质接触铜管,焊药或焊膏使用时注意不要过量,焊接后应将多余的焊药焊膏擦去,以免腐蚀铜管。

  8)弯曲的管道调直时,外径小于108mm的铜管,可采用冷调法,大于108mm的管道宜采用热调法。调直后认真检查,有凹陷、开裂、破损现象的管道禁止使用。

二、铜管的性能价格比分析

  在人们的传统概念中,铜是“贵金属”,在建筑工程中应用铜管是大材小用,且成本太高。为了对铜管的性能价格比给予正确的评价,现结合工程实例和建材市场现状加以分析。

1、铜管及其它管材在供水工程中的成本比较

  上海现代建筑设计集团有限公司等有关单位,于2001年3月联合进行了一项科研项目,题目为《住宅建筑各种给水管材的技术经济分析及对比研究》。课题对PP-R管、PVC-U管、衬塑钢管和铜管等6种有代表性的管材,本着公正、公平、公开的原则,分别就上海市的多层住宅和高层住宅进行了技术经济比较。我们可以借鉴这项研究成果,因为铜管无论用于供水还是供暖,管道系统安装施工的成本基本上是一致的。

  计算依据是《全国统一安装工程预算定额》,材料包括管材、管件、支架、阀门等,多层高层住宅以室外第一个阀门开始计算。

  铜管给水系统在多层建筑总造价中,百分比只占3.24%;在高层建筑造价中百分比更低,只有1.63%。多层建筑铜管的单位面积造价为30.14元,比PP-R管仅高出4.17元;高层建筑铜管的单位面积造价为20.02元,比PP-R管仅高出3.61元。而且,安装铜管还会带来维修费用低、使用寿命长等优点,有利于满足物业管理要求。从经济和技术性能作综合比较,对于价值数万、数十万的住宅来说,使用铜管物有所值。由此得出结论,开始富裕起来的中国人在给水、供暖系统中完全用得起铜管,铜管将越来越受到广大用户的青睐。

2、了解市场,树立正确的铜资源观

  我国的铜矿产资源确实不算丰富,因此人们普遍感觉将铜管用在给水、供暖系统工程上有些不可思议,认为是大材小用、资源浪费。但目前的实际情况却并非如此。我国已经加入WTO,可以共享国际市场资源。国际市场上,铜产量大于市场需求量。在国内,近10年来铜的销量逐年增加,铜原料库存也超过了10万t,呈现出了供大于求的局面。以外径15mm,壁厚为0.7mm的铜管为例,市场价格也就在每米14元左右,价格与其它材质的管材不相上下,完全可以为用户接受。而从各种性能方面相比较,铜管具有其它材质的管材无可比拟的优越性。铜管优异的性价比,必将成为吸引用户、房地产开发商及建筑商的一个重要因素。

  贫铜国家的概念已是过去式,不应继续成为推广应用铜管的阻力。可以肯定地说,资源的全球化配置使铜的供给量完全可以满足建筑市场的需要,铜管全面进入建筑供暖及给水领域已是大势所趋。

三、建议在供暖工程中采用性价比优良的铜管

  根据以上分析,可以认为铜管是现有管材中用于采暖及热水供应系统中的最佳管道,其主要优点可归纳如下:

(1)铜管在所有热水(包括采暖供热、太阳能系统、生活热水供应等)系统的水温、水压下可安全使用。

(2)铜管在一般淡水和海水中的耐腐蚀(化学、电化学腐蚀)性能良好。

(3)铜管用于供热采暖系统,内壁不结水垢,用于建筑给水系统,还具有杀菌消毒的作用。

(4)优良的性能价格比。

(5)易于安装施工,使用安全,无渗漏隐患。

(6)回收率高,环保性能优异,可100%回收利用。

  随着现代建筑行业的发展,具有优良性能价格比的铜管必将受到广大商家和用户的认可。2000年8月,建设部科技司与国家有色金属工业局规划发展司在北京联合召开了铜管推广应用可行性研讨会;2002年8月,国家建设部召开金属建材推广应用新闻发布会,提出首先逐步在建筑给水工程中推广应用铜管,并建议在上海、北京、重庆、广东、四川、湖北、福建、江苏、浙江、河南等省市建点,逐步推广示范工程。

  目前,北京的许多大型公用和民用普通住宅建筑工程,经过多方面的考察论证后,已经相继选用铜管。在军队工程建设领域,从2001年起,部分住宅工程在给水和供暖系统工程中已开始使用铜管,使用效果得到了一致的认可。

  为配合建筑工程铜材使用的需要,2002年北京市建委有关部门开始着手编制地方使用标准规范:《铜管在建筑给水工程中的应用技术规程》,并已于2003年1月1日正式颁布实施。《铜管在建筑供暖工程中的应用技术规程》也正在组织编制。

  为了保证工程材料质量,规范市场,北京市建委组织北京城建科技促进会等有关单位,正在筹备成立“有色金属建筑技术专业委员会”。国家相关部门鼓励在经济发达地区的住宅建筑及公共建筑给水及供暖系统中使用铜管,以提高我国住宅建筑档次,与国际建筑水平接轨。可以预见,铜管在建筑给水及供暖工程中的市场占有率将会大大提高,铜管的应用前景将十分广阔。

四、总结

  综上所述,铜管作为优良管材在供暖系统中已经得到广泛应用,我们也建议在供暖工程中采用性价比优良的铜管。