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滚塑排水检查井技术现状与发展趋势

时间: 2018-10-18 10:38:34   点击:
  随着我国城镇化的深入推进和雨污分流改造的持续实施,城市地下排水管网得以快速发展和不断完善。据统计,目前全国排水管线的年增长速度为10%。根据市政发展速度和配套比例预测:一个50万人口城市,每年对检查井的需求在1万套左右;全国每年新增和改造的排水检查井数量至少在150万套以上。此外,根据最新住宅设计要求,厨房污水和卫生间污水须分流设计,也使得污水出户管数量翻番,所以目前建筑小区污水检查井的设计数量是以前的3倍以上。每个小区检查井数量少则上百个、多则上千个。按全国每年新增住宅建筑面积约3.6亿平方米的发展速度计算,初步估计每年需排水检查井250万套。综合下来,全国每年仅排水检查井市场需求在400万套以上。
 
  塑料排水检查井因其质量轻、耐腐蚀、强度高、不渗漏、使用寿命长、安装工期短以及采用工厂化专业制作,产品质量有保证等特点,由它与埋地塑料排水管材组合而成的无渗漏排水管道系统,在市政建设和建筑小区得到了广泛应用。
 
  一、行业基本情况
 
  1.1国家政策助力行业发展
 
  我国最早研究开发塑料检查井是在2002年。当时,埋地塑料排水管己在工程中广泛应用,但排水检查井仍然采用砖砌井,不仅由于渗漏造成环境污染,而且造成大量耕地破坏,材料加工过程大量耗费自然资源。用塑料检查井替代砖砌井是解决这一问题的有效途径。广大企业家敏锐地认识到塑料检查井广阔的发展前景,以敢为天下先的勇气开始了塑料检查井的研制开发工作。
 
  国家适时出台政策,助力塑料检查井这一新兴产业的发展。建设部2007年第659号公告《建设事业“十一五”推广应用和限制禁止使用技术(第一批)》第128项推广应用项目规定:塑料排水管道系统应优先采用塑料检查井。之后,四川、山西、上海、重庆、江西、北京、山东、河北和云南等地建设部门先后出台排水检查井严禁使用粘土砖,推广塑料排水检查井的有关文件。
 
  经过近十年的发展,我国塑料检查井产品从最初的自主开发、引进和试用,到现在已经具有相当规模,其中小区井已经得到市场广泛认可,在工程中大量采用;市政井在部分地区开始试用或采用。
 
  1.2塑料检查井行业现状
 
  目前我国塑料检查井品种主要分为直壁井、收口井和管件井,一般采用分离式结构形式,并由井座、井筒、收口锥体、伸缩节、塑料井盖和防护井盖等组成,市政井还需要增加止水环、挡圈、承压圈、防护盖座等附件,各组件之间一般为柔性连接,需要有较好的密封性能。井底分为有流槽、无流槽和带沉泥室等三种形式。加工工艺主要有一次注塑成型工艺、旋转成型工艺、螺旋缠绕工艺、压铸成型工艺、焊接成型工艺、预制拼装工艺等。据不完全统计,截止到2014年中期,中国塑料检查井生产企业已达200家左右,年总生产能力:建筑小区塑料排水检查井约200万只,市政塑料排水检查井约25万只,部分企业还在为上这个项目进行积极地准备。
 
  国内塑料检查井按照用途主要分为两类:
 
  建筑小区井主要用于居住区、公共建筑区和和厂区范围内的道路、绿地以及建筑物周围,直径一般不超过800mm,埋深不超过6000mm,且不提供人员下井操作的空间。这类产品欧洲将其定义为浅井或排水管道辅件,其终端在地面,可以让清洁,检查和测试设备进入和去除杂物,但不提供人员的进入通道,井筒内径小于800mm,一般埋深不超过1250mm,这一点也是欧洲标准与国内标准的主要区别。
 
  市政井主要用于市政道路、公共建筑区、居住区、厂区等城市机动车道周围以及车辆交通区域,直径最大1.2m,埋深不超过7m,可以提供人员下井操作的空间。这类产品欧洲将其定义为交通区的和深埋的人孔井。埋深一般不超过6m,主要用于建筑结构外人行道或车辆交通区域。
 
  1.3塑料检查井市场前景
 
  党的十八大以后,浙江省委省政府作出了“五水共治”的决策,亦即:治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水,并明确提出,要以治水为突破口推进城镇建设的转型升级。该项目计划从2014年开始,在今后3年内由四级政府共出资700亿元,集中解决城镇和乡村的“五水”问题。目前,浙江省各地县已经因地制宜,制定了具体方案,正在如火如荼的实施这一庞大工程。广大塑料检查井生产企业抓住这一机遇,将近年来积累的产能和技术能力集中释放,纷纷在各工程项目中中标,部分名牌产品在一段时间内甚至出现供不应求的局面。塑料检查井在城市污水管网改造工程中已经展示出不可替代的作用。据了解,我国江苏、广东和山东等省市也将出台类似的水网改造计划。我国经济目前正经历从高速发展期回落到稳定发展期的阶段,保增长和环境治理必然是各级政府施政的重要目标之一,相信其他省市在未来5-10年内也会制定类似的计划或规划。该计划的实施将极大推进我国“美丽乡村”的建设,同时也为我们塑料检查井企业乃至塑料管道行业提供难得的发展契机。
 
  我国幅员辽阔,各地自然环境和生活习惯差异很大。例如:南方多雨,地下水位较高,而北方干旱少雨,地下水位较低,因此对检查井的强度要求不同;我国南北方气温差异很大,对材料的抗冲击能力要求区别很大;另外,地区间人口密度和生活习惯都会影响检查井的选型和使用。面对这一难得的机遇,塑料检查井企业必须从技术上做好充分的准备。
 
  二、滚塑检查井技术现状
 
  2.1滚塑井企业概况
 
  滚塑井的起步虽然晚于注塑井,但由于加工设备和模具投资较少,投资回收期短,项目容易决策,因此其发展速度很快。在不到5年的时间内,滚塑井生产企业虽然规模较小,但数量已经于注塑井企业相当,总的产能和产量也仅次于注塑井而居于第二位。甚至在大型的异型和厚壁的检查井生产方面以及高寒地区对冲击性能要求较高的环境下的使用还形成了一定优势。目前国内普通滚塑井厂家生产315mm到1500mm的检查井,最大可以生产2400mm的滚塑井。
 
  滚塑检查井生产链主要包括:滚塑设备制造、模具设计和加工以及滚塑检查井的生产加工等。
 
  2.2滚塑加工设备
 
  目前,国内的滚塑设备日益向大型化发展。从直径3000型到6500型的穿梭滚塑机和长度15000型摇摆式烘箱滚塑机已经投放市场,在能源方面可使用电、煤、柴油、液化气或天然气。随着人们对成本控制和安全环保等方面意识的提高,采用电磁加热和生物燃料供热的滚塑机也开始推广使用,这种新型的滚塑机可以大大降低能源消耗以及减少对高品质能源的依赖,降低单位加工成本。生产设备的技术进步为我们提供了解决滚塑工艺生产效率较低、能耗较高问题的新的方案。
 
  2.3滚塑加工用树脂
 
  滚塑检查井生产用的树脂,也开始向专业化方向发展。从今年年中召开的全国滚塑专业委员会获悉,目前已经有企业可以提供滚塑检查井专用料,该专用料由聚乙烯基础树脂经改性而成,在保证较好的流动性情况下提高了材料的刚性,从源头上保证产品质量。此外,国内树脂磨粉设备的质量、以及生产效率也取得较大进步,可以满足滚塑材料的制备。
 
  2.4滚塑加工模具
 
  模具设计是滚塑检查井制造的核心技术,得到一套比较完整的检查井规格至少需要60套模具。滚塑检查井的技术进步也主要体现在模具的创新。国内第一代滚塑井主要是根据国外的样品进行模仿。因为当时对国外应用条件并不了解,且模具设计加工水平有限,产品结构单一、强度较低,壁厚不均匀;井座采用内插式与支管单层连接,单层受力容易产生变形,只适合埋地很浅、直径较小的检查井;此外,井座导流槽不明显,影响使用功能;模具的拆装过于复杂,难以适应大规模生产。第二代滚塑井结构得到大幅度改进,增加了导流槽,对加强筋进行了重新设计,克服了滚塑工艺材料密度较低,刚性不足的缺陷;支管采用承口联接并增加了加强筋,提高了密封性能。但由于产品自身太重,增加了成本,用户难以接受,且仍然存在模具拆装过于复杂的问题。目前市场上较为流行的第三代滚塑检查井在以下几方面得到了进一步改进:1)支管承口采用双层结构,增加了强度,不易发生形变;2)上井口、井身和直管承口采用实心结构,且井身加强筋经圆弧过渡,进一步增加了井体的刚性;3)对原材料的配方进行调整,除改善了产品的机械性能外,还可以增加各种着色剂以及增加防霉和抗菌功能;4)参照注塑井的经验,对加强筋的分布进行重新设计,导流槽的设计也进一步向注塑井靠近;5)1000mm以上检查井井座带有收口;6)模具进行人性化设计,拆装更为快捷便利。
 
  在模具加工制造方面,为了提高加工效率和加工精度,国内已有企业将多用于汽车模具制造的无模成形先进技术,成功移植到检查井模具制造当中。该方法是一种不需要任何模具却可以获得精密几何尺寸金属板件的成形方法。具体方法为先将复杂的三维数字模型沿高度方向分层,形成一系列断面二维数据,并根据这些断面轮廓数据,从顶层开始逐层对板材进行局部的塑性加工。在计算机控制下,安装在三轴联动的数控成形机床上的成形压头,先走到模型的顶部设定位置,对板材压下设定的压下量,然后按照第一层断面轮廓,以等高线的方式,对板材施行渐进塑性加工。在模型顶部板材加工面形成第一层轮廓曲面后,成形压头再压下一个设定高度,沿第二层断面轮廓运动,并形成第二层轮廓曲面,如此重复直到整个工件成形完毕,然后进行焊接拼装,完成模具制造。
 
  目前国内滚塑检查井模具制造企业,产业集中度非常高,据了解,仅苏南一家企业就承担了国内70%的滚塑井模具设计加工和制造。
 
  2.5滚塑检查井技术水平
 
  从对滚塑检查井的测试结果看,目前市面上较好的滚塑井完全可以通过现行建设部标准规定的各项性能指标。对于欧洲标准要求的结构完整性,仅限于我们完成测试的样品,已有企业通过了水深3000mm(H=3)的真空负压试验。滚塑工艺的优点之一是同一套模具,可以通过适当增加供料量增加壁厚,进而提高井座的刚性。从这个意义上来说,滚塑井座完全有能力通过水深更深的结构完整性试验。由于聚乙烯材料的模量比聚丙烯的模量平均低约30%,且聚乙烯的密度又比聚丙烯高,达到同样的强度,其厚度和重量自然比聚丙烯材料的注塑井高。但在实际使用当中,由于聚乙烯材料韧性好,在高寒地区安装和应用具有独特的优势。近期又有企业对滚塑模具结构进行了全新的设计,材料采用茂金属催化剂生产的新型聚乙烯树脂,加工出来直径1000mm滚塑井座样品已经送达我们测试中心进行系统的评价,期望得到满意的结果。
 
  滚塑和注塑检查井的主区别是井座的加工工艺不同,对大部分厂家来说,井筒和其他部件大致形同,不再赘述。但市场上确可以见到井筒、井座以及锥体等一次滚塑成型的检查井。从工艺特点来说,根据具体工程要求,量身定做一次成型的滚塑整体检查井的方法是可行的,且完全可以避免各组件之间的渗漏,缺点是必须根据订单制作模具,由于体量太大,耗能高且生产效率较低,综合成本很高,又难以解决长距离运输问题,这种方法更适合进行大型储存和运输罐体的制作,不太适合检查井的生产。
 
  在现有技术条件下,从原料、能耗、设备和模具投入、效率和市场需求等各方面综合评价,注塑井和滚塑井仍然是各有优势。一般认为,注塑工艺比较适合大批量1000mm以下口径的检查井,滚塑井则更适合于中等批量,口径较大的检查井,二者将处于竞争中的长期共存,直到某种技术实现质的突破。
 
  三、塑料检查井标准与规范现状
 
  3.1塑料检查井现行标准
 
  对国内塑料检查井影响最大的标准是CJ/T 233-2006《建筑小区排水用塑料检查井》和CJ/T 326-2010《市政排水用塑料检查井》两个建设部标准。两个标准的编写主要参考了欧洲标准BS EN 13598.2-2004《在交通区的和深埋的人孔井和检查井规范》。
 
  在我国塑料检查井处于起步阶段,对产品理解不深、应用经验严重不足的背景下,积极采用国外先进标准,其思路是完全正确的。这两个标准的出台,解决了标准“有”的问题,为促进塑料检查井的发展起到了非常关键的作用。此外,该两个标准第一次将国外检查井的大量测试项目和测试方法引进国内,填补了我国检查井测试技术的空白,这些工作都具有开创性。当然,由于当时的产品水平所限以及测试手段不完备,标准制定存在较大困难并具有一定的局限性。
 
  3.2标准存在的主要问题
 
  最主要的问题是没有将井座的长期性能评价方法列入标准。井座的长期性能是通过负压试验测定井座结构的完整性来评价的。该试验要求在环境温度下,在不少于1000h内,不断记录流体截面中点的竖直形变和水平形变。将所得时间~变形的数据根据ISO9969进行外推,预测检查井50年的形变。要求试验结束后检查井应不出现裂缝或银纹,预计50年竖直H的变形小于主排污管外径的5%,预计50年水平W变形小于主排污管外径的10%。由此可见,短期负压试验代替不了长期性能的预测。
 
  另一个问题是标准对系统性试验强调不够。国外标准对井座与井筒,井筒与其它附件如:伸缩节、锥体之间等都分别有较为严格的密封性能要求。两个国内标准这方面要求不严,导致部分企业对系统密封性没有给予应有的重视。
 
  第三个问题是两个标准间缺乏协调性。欧洲标准主要以埋深分为浅井(不超过1.25m)和人孔井(不超过6m),并分别制定标准。他们的理念是埋的越深,水位越高对井座要求越高,地表部件承受竖向荷载较大。我国小区井标准适用范围为埋深6m,市政井标准为埋深7m,实际上这一点对井座的性能要求应该是相当的,应该根据水深有统一的测试要求。对于接近地表部分的检查井部件,应该按照所承受的负载等级分别进行测试。
 
  3.3关于塑料检查井应用技术规程
 
  2013年建设部的CJJ/T 209-2013《塑料排水检查井应用技术规程》正式发布。该标准对塑料检查井的要求除满足上述建设部两个标准外,还将欧洲市政井标准BS EN 13598.2-2009的主要性能要求纳入其中,特别是增加了井底座稳定性能测试,可以根据不同水深,在实验室对井座的长期性能做出评价。该标准的实施将逐步消除目前检查井使用中的最大隐患,也为塑料检查井下一步的技术改进指出了方向。需要注意的是,根据欧洲标准,水深H不会超过6m,亦即负压不会超过-0.6bar,建设部的规范较欧洲标准进一步提高了稳定性试验的负压条件,是非常难以通过的。
 
  此外,CJJ/T 209-2013提出了井座轴向静荷载试验要求。根据该要求,900-1000mm的井座埋深若为5-6m,需要进行190kN,1000h的静荷载试验,该项要求十分苛刻!根据我们掌握的情况,目前国内注塑和滚塑井座等主流产品的抗轴向静荷载能力不会超过100kN。若达到这一要求,塑料检查井的成本将成倍增加,是生产企业和用户所不能承受的。换言之,轴向静荷载要求实际上将塑料检查井的埋深限制在3m以内,这显然是业内不愿意看到的。对于这一指标要求,建议进一步进行研究。
 
  四、发展趋势和建议
 
  4.1尽快制订科学合理的国家标准
 
  我国塑料检查井产业已经具有相当规模,应用范围已经涉及市政、工业和居住区以及村镇建设等各领域,但行业标准与地方标准、产品标准与应用规程之间的技术要求还不统一,这种现状是目前造成产品质量参差不齐的重要原因之一,有时候甚至对企业和用户产生误导。标准化的现状和技术水平落后于产品发展速度,急需国家标准出台。据了解,目前国家标准委和国家标准化协会已经立项或计划立项编制塑料检查井标准。塑料检查井的国际标准为ISO 13272:2001,其内容与欧洲标准相同。鉴于采用国际标准是我国的国策,因此可以预计,所编制的国家标准与目前行业内广泛认可的欧洲标准BS EN 13598.2-2004的性能要求不会有太大差异,但由于国内实际情况比国外复杂,使用环境更加苛刻,未来国家标准的部分技术指标会略高于国外标准。
 
  目前,国内对塑料检查井的部分技术指标还存在较大争议,主要原因是所采用的实验室测试方法大都从国外引进或根据类似产品的经验确定,对于能否准确地表征现有产品的性能,缺乏试验数据支撑。根据国外经验,最可靠的方法是通过检查井的实际埋设获取数据,进行试验验证,也就是我们所说的全尺寸试验方法。目前国内已有企业建立了塑料排水系统全尺寸试验装置如图2和图3所示,为开展这项工作创造了条件。
 
  该装置可以根据需要设定实验条件,通过土壤和外部的液压装置给样品施加外部载荷,模拟检查井实际埋设情况。通过定期观察检查井各部分受力情况以及所发生的形变,得到其结构强度以及长期性能数据。例如:针对目前争议较大的轴向荷载这一指标,完全可以通过试验验证数据确定。该项研究工作还可以为企业的产品设计开发和技术改进提供依据。
 
  我国各地对检查井的应用要求以及铺设条件相差很大,各地区和企业也可以根据地方特征,制订地方或企业标准和规范。例如在北部寒冷地区,对产品的抗低温冲击性能和抗跌落性能要求就非常重要,设计时还要考虑冻土层的影响等;我国南方地区在设计时应该更多地考虑地下水的影响,安装时还要考虑采取抗浮措施等。当然,任何行业和企业编写的标准和规范必须高于国家标准。
 
  4.2提高塑料检查井的科技含量
 
  国内塑料检查井生产企业已经接近200余家,但技术水平却严重参差不齐。近年来,行业中的领军型企业充分利用科技手段,推进产品的技术进步。例如一些企业采用产学研合作方式,将有限元分析方法用于模具设计,优化产品结构,降低了研发成本,缩短了研发周期,很快完成产品的更新换代。在材料更新方面,已经有企业将北欧化工近期推出的排污水用高模量聚丙烯牌号BorECO™BA415E等用于注塑检查井并获得成功,产品表现出良好的刚性和冲击性能的平衡特性。近期还有企业将齐鲁石化采用茂金属催化剂生产的PE R334HL牌号用于滚塑井加工,也取得了良好的试验效果。针对滚塑检查井强度较低这一不足,还有的企业计划在模具当中增加辅助加强筋如:在环向增加钢带或正厅嵌入金属笼等;还有的企业希望将发泡工艺用于检查井制作,以在不降低刚性的情况下减少产品重量。当然,这些工作还需要进一步完善,需要进行大量的试验验证。
 
  4.3扩大塑料检查井的应用领域
 
  近年来,一些企业将排水塑料检查井生产技术用于开发其他管道井,扩大了检查井的应用领域且收到了很好的效果。主要品种包括:电力电缆井、通讯井、仪表和阀门井、检查井式水窖、雨水收集渗透井、油污隔离井、雨水格栅井以及化粪池等。一些城市的通讯、电力或燃气等专业部门已经发文全面推广这类专用塑料井。当然,由于各类井用途不同,需要进行技术改进,满足不同功能要求。图4和图5给出了其中代表性的产品。这些塑料检查井的延伸产品也是重要的发展趋势之一。
 
  4.4问题和建议
 
  从工程反馈信息得知,塑料排水检查井推广中还存在一些问题,如质量问题:不同企业的塑料检查井的质量,从结构设计、规格尺寸、原材料使用等各方面相差很大,用户难以辨别。工程招投标采用最低价中标,造成恶性竞争,产品质量得不到保证;价格问题:塑料检查井目前无工程预算、概算定额,建设方主要考虑购买检查井的直接成本,没有计算综合成本,更不会考虑使用塑料检查井带来的环境效益等;施工问题:从事塑料检查井施工的队伍一般由临时拼凑而成,很少经过专业训练,存在大量不按照规范施工,甚至野蛮施工的现象,为塑料排水检查井管道系统运行埋下隐患,影响塑料排水检查井的声誉。这些实际问题仍然需要各级政府继续出台有关政策,对市场进行规范,生产企业也应该加强自律,共同维护好市场秩序。
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