摘要：通过设计工作中实践经验,针对PVC管的性能及特性,重点介绍了PVC管在管线设计中应注意的几点问题。
关键词：抗拉强度 弹性系数 内外压强度 水头损失 流量 伸缩量 支撑间距 PVC管(全称聚氯乙烯塑胶硬质管)的应用，始于第二次世界大战后的1940年，由欧洲、美国、日本等工业国家相继开发、推广。在我国近二、三十年来，因建筑业、工商业及农渔业的蓬勃发展，由于PVC管具有优异的特性及符合经济实用的价值，促使其使用量与日俱增，在建筑工程、一般土木工程、自来水工程、下水道工程、电讯工程、农渔业工程等，皆普遍、广泛应用。笔者在几年的设计工作中大量接触到有关PVC管的管线设计，特总结出以下几点应注意的问题，与大家共同探讨。1. PVC管的抗拉强度 1.1 PVC管的抗拉强度，是将试片以10mm/min的拉引速度，测定其断裂时最大荷重，除以试片的最小断面积而得。 1.2 PVC管的抗拉强度与温度的高低变化有密切的关系，温度提高时, 抗拉强度、弹性系数会相对的降低;温度降低时, 抗拉强度、弹性系数会提高，而温度低于0℃时会逐渐有脆性现象，故在管线设计上需留意温度的条件。 1.3 参照图1，是PVC管的抗拉强度与温度的关系曲线图，温度在20℃时， 抗拉强度可达530kg/cm2，如在40℃时，则会降至400kg/ cm2。 1.4 图2为PVC管长期间负荷后的抗拉强度变化曲线，该曲线与疲劳曲线很相似，但当其负荷时间延长时，其强度则随时间的增长而逐渐降低，伸长率则有增加的趋势，因此PVC管在管线设计上仍需考虑到长期使用的强度变化问题。 1.5 参照图2，PVC管的强度虽然随负荷时间而减低，但其减低率亦随时间的增加而越来越小，约到1000小时后几乎不再减低。其长期抗拉强度约为瞬间抗拉强度的1/2，此强度既是PVC管的长时间强度，或持久性强度，是一般设计的依据。 1.6 PVC管的设计使用年限，均依据图2的关系曲线设定为50年，但如果 PVC管埋在地下而不露出配管，其寿命应可超过50年。2. PVC管的弹性系数（杨氏系数） 2.1 材料的应力与所产生变化之比，称为“弹性系数”，公式: E=S/△。 2.2 弹性系数的测定方法，除可由荷重试验依上式计算外，也可用振动方式作间接测定，图1的弹性系数曲线是由振动方式测定所得的结果。该弹性系数与温度的关系曲线上，有两个转移点，第一次转移点显示PVC管开始软化，第二次转移点因其极限伸长率渐小，强度增加，但是延性渐消失，冲击强度变弱，开始有脆性发生。 2.3 PVC管在常温的弹性系数约2.8~3.4×104kg/cm2，在外压强度的计算上，一般采用3╳104kg/cm2。3. PVC管的内压强度 3.1 PVC管瞬间的爆破水压，可由下列Naday式计算获得。 PB=2tf/Dm=2tf/（D-t）=4tf/（D+d） 式中： PB：瞬间的爆破水压（kg/cm2） f：抗拉强度（一般采用500 kg/cm2）（kg/cm2） t：管厚（cm） Dm：PVC管中线口径（cm） D：PVC管外径（cm） d：PVC管内径（cm） 3.2 PVC管的最高常用水压，一般所采用的安全系数S=6。 3.3 PVC管的使用温度，一般以常温最适合，如使用温度提高，其耐内压强度的比率应相对加以降低，其各种温度下的耐内压比率可参照表1采用。表1 PVC管使用温度与耐压的关系使用温度（℃）202530405060使用压力比率（%）1009585653510 4. PVC管的外压强度 4.1 PVC管所承受的外压，来自土压和轮压，可由Janssen式计算。 垂直土压：PE=Bρ〔L-（2Ktanθ）/2Ktanθ〕 垂直轮压：PM=（L+i）W/（L+h）（b+2h） 式中：B：新挖掘的管沟宽度（计算采用50cm）（cm） ρ：覆盖土壤的密度（0.0018kg/cm3）（kg/cm3） h：覆土高度（cm） i：车轮荷中的冲击率（一般采用0.3） W：轮胎荷重（后轮一轮）（kg） L：轮胎的接地长度（cm） b：轮胎的接地宽度（cm） K=（1-sinθ）/（1+sinθ）表2 20吨卡车的车轮尺度与荷重20吨卡车WLb8000kg52cm20cmexp（n）=en e=2.71828自然对数的底由Janssen式计算的土压、轮压与埋设深度的关系见表3表3 20吨卡车的土压、轮压埋设深度（cm）306090120150180210土压（kg/cm2）0.0530.0990.1380.1710.2000.2240.24520吨卡车轮压（kg/cm2）1.1600.44310.2250.1370.0920.0660.05120吨卡车冲击轮压（kg/cm2）1.7400.6470.3380.2060.1380.0990.077土压+冲击轮压（kg/cm2）1.7930.7460.4760.3770.3880.3230.322注: 冲击轮压=轮压×1.5 4.2 PVC管的埋设深度，一般在公路上，配合土压、轮压的条件，应埋设1.2~1.5M的深度，人行道为0.9M，住宅巷道为0.6M。 4.3 PVC管能承受的耐外压强度，由下式计算： PS==0.559E()3 式中：PS：PVC管能承受的耐外压强度（kg/cm2） F：单位长度的耐压荷重（kg/cm） △Y：受压后的口径压缩量（cm） E：PVC管的弹性系数（kg/cm2） t：PVC管的厚度（cm） r：PVC管的半径（cm） 注: PVC管的弹性系数，一般采用3×104kg/cm25.PVC管的伸缩问题 5.1 PVC管与其他材质相同，具有热胀冷缩的特性，其线膨胀系数，也随温度的高低而有变化，一般以0~100℃的平均值表示，参照图3当温度增高时其线膨胀系数亦随之增加，常温下线膨胀系数在6~8×10-5/℃，管线设计中一般采用7×10-5/℃。 5.2 PVC管因材质的热胀冷缩，其管线受气温的变化，将会产生伸缩，其伸缩量可由下列公式计算。 △l=（Q1-Q2）L·a 式中：△l：管线伸缩量（cm） Q1-Q2：温度差（℃） L：直线配管长度（cm） a：线膨胀系数（℃-1） 5.3 PVC管的管线设计中，直线配管必须考虑伸缩问题，尤其露出配管更应留意，若采用活套管，因活套管的承口本身就是一种伸缩接头，所以不必考虑本项问题。但露出配管采用TS冷接法，配管直线长度超过50M，就应安装伸缩接头或Ω状伸缩接头（ExpansionJoint），而活套管施工时，应依规定预留间隙，才可发挥伸缩效果。6.PVC排水管的流量计算 6.1 PVC管的排水流动，一般靠管线的坡度来达成流动效果(以泵输送,不在本文叙述范围中)。由于PVC管的内壁很光滑，其粗糙程度系数为0.009(铸铁为0.015)，故在相同的内径之下，PVC管的流量远较金属管为大，且长期使用管内不会粘附水垢，故流量始终不至有低落的变化，在加PVC管的优异耐酸、耐碱、耐腐蚀特性，为下水道工程管线最实用的管材之一。 6.2 PVC排水管的流量计算，可用Maning式计算。 Q=A·V V=R2/3·I1/2 式中：Q：流量（m3/sec） A：流水断面积（m2） n：粗糙系数 R：径深（m） I：管路的坡度（以分数或小数表示） R=（满管或半管，R=） S：流水断面弧长（m） 粗糙系数：PVC管：0.009 水泥管：0.013 铸铁管：0.0157.PVC管的水头损失与流量 7.1 自来水管因直线配管长度，管内水的流速产生的摩擦水头损失可由下式计算。 h=λ·……………………（1） 式中： h：损失水头（m） λ：摩擦系数 l：配管长度（m） d：管内径（m） V：流速（m/sec） g：重力加速度（9.8m/sec2） I=（动水坡度）………………（2） 由（1）、（2）式，可得 V=（2g）0.5λ-0.5·I 0.5·d 0.5 7.2 流量计算 Q=（2g）0.5λ-0.5·I 0.5·d 2.5=3.4776λ-0.5·I 0.5·d 2.5 3.4776λ-0。5= C（流量系数） 由以上得：Q= C·I 0.54·d 2.27（适用于口径在63mm以下的管子） 流量系数：C=215 Q=0.2785C·I 0.57·d 2.63（适用于口径在75mm以上的管子） 流量系数：C=1408.PVC管外露配管的支撑间距表4 PVC管外露配管的支撑间距 单位:m标称管径直向支撑间距横向支撑间距11/4''（40Φ）以下 1.51.011/2''（50Φ）～21/2''（50Φ）2.01.53''（90Φ）以上2.52.0