[教学设计]铝塑管接头漏水问题的分析

[教学设计]铝塑管接头漏水问题的分析铝塑管接头漏水问题的分析
摘要:铝塑管是一种近几年推广应用较快的新型管材，铝塑管路系统在工程应用中常有泄漏问题。

管路系统泄漏的原因主要是配套连接的卡套式铜接头应用在热水管路中防泄漏性能差、接头上使用了容易老化失效的密封圈、设计与施工不合理等因素所致。

市面上现有一种新型铝塑管接头——钳压式铜接头可以实现铝塑管路系统的零泄漏。

关键词:铝塑管、接头、系统、泄漏。

近几年来，在国家及地方一系列相应政策文件的指导下，以镀锌钢管为代表的建筑给水金属管呈现出逐渐退出历史舞台之势，而各种塑料管材及复合管材得到了迅速发展。

铝塑管以其优异的综合性能得到了市场的认可，在建筑冷热给水、建筑采暖工程、城镇燃气领域中得到了广泛应用;由于前几年国内铝塑管发展过热过快，接头技术与质量水平参差不齐，劣质接头充斥市场，加上对接头在管路的安装设计及施工等方面因素重视不够，铝塑管在工程应用时存有一些漏水问题。

下文从铝塑管的发展与存在问题、接头结构、材质、设计安装施工等方面分析了铝塑管接头漏水的问题，并阐述了市面上的—种新型钳压式铜接头(防泄漏接头)，可以彻底解决漏水问题，实现了管路系统的零泄漏。

1、国外铝塑管发展概述
1.1 国外铝塑管增长迅猛、优势突现
铝塑管最早在德国和英国实现工业化生产(90年)，经过约两年的推广期，很快在德国、瑞士、比利时、意大利等国推广开来，2001年全欧洲的用量约1亿2千万米，目前已发展到20家生产厂，约150条生产线。

经过十年的发展，无论从产销量、技术进步、质量、品种、行业标准、应用规范和行业管理等，欧洲均处于世界领先地位。

目前欧洲的厂家主要集中在德国、比利时和瑞士，但在意大利和波兰有迅猛发展之势，生产厂家和能力不断提高，而且主要厂家均能保持满负荷生产。

据德国KWD塑料信息中心的统计结果，从92年开始，铝塑管在欧洲的平均年增长率超过20%(图1:Globalpipe.2001.03)。

相对于其它用于自来水系统的管材(图2:Globalpipe.2001.04)，其增长率是最高的。

尽管如此，其绝对量仍然比铜管和PEX管小，但已超过钢管、PPR、PB和PVC-C管。

图1:1992到2004年欧洲铝塑管发展趋势图图2:欧洲各种给水用管材发展趋势图
(单位:百万米) (单位:百万米) 1.2 应用领域
欧洲铝塑管的应用增长主要集中在建筑给水和传统散热器采暖，而在地板辐射采暖的增长不大。

2000年在上述三个领域的应用量分别是6200万米、5800万米和2000万米(图3:Globalpipe.2001.04)。

在整个管系中，铝塑管作为小口径户内用管(dn?32)具有明显的
性能和价格优势，首先dn32以下小管可以盘卷供应，减少运输成本和昂贵的接头，其次因其线膨胀系数小(同铝相当)，且柔性管可自动伸缩补偿，小管在用做热水输送时亦无须作冷热补偿措施。

图4为欧洲不同口径铝塑管的应用分布图。

图3:欧洲铝塑管使用领域分布图(单位:百万米) 图4:欧洲不同口径铝塑管的应用分布图 1.3 配套接头
欧洲铝塑管接头的发展随铝塑管应用的增长而同步发展。

第一代卡套式铜接头(见图5)是靠拧动螺帽，压紧开口环而达到密封目的。

优点是可用通用工具安装，使用方便;缺点是螺帽会因管道系统可能的共振振动而松开，需再次拧紧，故只能明装。

97年以后开始采用第二代钳压式铜接头(见图6)，利用专用钳压工具使不锈钢套产生永久变形，将管材与接头芯体压接成整体。

优点是不受共振影响，密封更安全，安装效率更高;缺点是需使用专用安装工具，这类接头更适合用于工程安装和暗装场合。

图 5 卡套式铜接头图 6 钳压式铜接头、国内铝塑管行业存在的问题
我国对铝塑复合管的研究开发与推广应用，是从九十年代初开始的。

国内自92年即有人在一些高档别墅中使用欧洲进口的铝塑管，95年以后先后有广东、上海等四家企业引进欧洲生产线和检测设备，按欧洲标准生产铝塑管，因其性能一时还
未被人们所认识，加之价格高出镀锌钢管几倍，很难推广开，最早引进的四家企业举步维艰。

直到97年建设部经过调研、认证以后正式下文，在新建住宅中限制使用镀锌管，推荐使用铝塑管等新型管材以后，铝塑管市场一下子热起来，并在以后几年内成为国内一个新的投资热点。

据估计，2001年国内铝塑管的使用量约2亿3千万米，比1999年的约7000万米增长1倍多，主要应用于建筑给水、传统采暖和地板采暖、室内燃气用管和太阳能热水器用管、空调用管等。

经过短短四、五年的高速发展，铝塑复合管行业有了长足的进步，尤其对淘汰传统镀锌钢管，引领健康新生活方面作出了不可磨灭的贡献，但也暴露出不少严重问题:
2.1 对铝塑管投资过热，行业技术水平参差不齐
由于前几年行业内对铝塑管性能和国内外市场前景过于夸大其词的宣传，加上国内外部分设备厂家的推波助澜，导致该行业过急、过滥的投资。

据不完全统计，2000年行业投资达到最高潮时，一度有600家生产厂，生产线规模超过700条，全部产能超过20亿米/年。

而当年国内的实际使用量还不到2亿米，导致大量的设备和厂房闲置，有些厂花数千万元进口的设备甚至连一米管都没有生产过。

以目前的市场容量，铝塑管行业100,150条线的规模已经足够。

因此，500多条生产线将被闲置，至少损失几十亿元的投资，怎不令人扼腕叹息,
全行业技术水平参差不齐，具体表现在装备水平、成材率、原料配比、质量管理水平及接头配套技术等方面不同厂家之间相去甚远，只
有个别厂家配有专职研发队伍，行业内只有少数几家企业通过ISO质量认证。

大多数企业还没有建立完善的质量保证体系，甚至连基本的检测测试设备都没有，由于其不合格管材流向市场，在一段时间内影响了铝塑管的声誉。

2.2 铝塑管专用接头技术整体质量水平不高，铝塑管接头常出现泄漏问题。

铝塑管专用接头技术整体质量水平不高，具体表现有以下几方面:
2.2.1 行业内只有极少数龙头企业能自行设计、加工、供应配套接头外，绝大多数厂家是用别人的接头配套安装，接头质量无法保障，且与管材尺寸公差配合不好而造成漏水或渗水。

2.2.2 对接头技术细节重视不够，如对长期密封性能起决定作用的接头O型密封圈的重要性认识不足，O形圈的压缩永久变形率，国外标准要求20%，而国内则没有要求，绝大多数厂家忽略了这个指标，也无能力监控，国外早已广泛使用耐候性更好的三元乙丙橡胶，而国内仍在大量使用传统的丁睛橡胶密封圈，丁睛橡胶密封圈是很难保证50年使用寿命的。

还有，卡套式接头中使用的C型环要求有很好的回弹性，以保证密封效果，这就需要用含铜量较高的62铜制造(接头本体一般用59铜)，但是否所有厂家都能保证其材质则很难讲。

各级技监部门对管材的监控测试是有力的，但对接头的监控力度尚有待加强。

2.2.3 国外已于97年开始大量使用结构更合理、密封性更好的钳压式接头。

而国内除极少数大企业在2000年推出钳压式接头外，目前绝大多数使用的仍然是卡套式接头。

卡套式接头应用于冷水管路中，密封性能很好，漏水可能性极小，但用于温度超过70?以上的采暖管路工程中，在水温下降过程中容易出现漏水现象;另外也有不少用户使用一些不适合铝塑管用的外密封型(密封圈设于铝塑管的外层)接头、砂铸铜接头等低档接头，使用这些低档接头，常出现漏水现象。

3、铝塑管接头漏水问题
这几年，铝塑管凭其优异的性价比优势，成为家装市场深受用户好评的一种给水管材;然而在谈到铝塑管的不足之处时，用户常指出铝塑管接头容易漏水的问题，特别是经过大的温差变化，由于铜接头与铝塑管两种材质的膨胀系数相差大，更容易在连接处产生漏水现象。

接头漏水的原因主要与接头的结构类型、密封圈材质性能、使用条件、接头在管路中的安装设计、安装施工等有关。

3.1 接头的
结构类型不同，接头的密封性、连接可靠性能、适用范围、使用寿命也不同。

不根据使用条件来选购接头，可能导致接头漏水。

接头的分类、性能、适用范围如下:
3.1.1 按连接端的夹紧方式来分主要有:螺母卡套式接头(见图5)、钢套钳压式接头(见图6)、承插式接头(见下图)。

螺母卡套式接头仍是目前国内用量最大的一种，主要优点是安装方便简单，无需专用工具，接头规格主要是2632及以下规格，适用于冷水、燃气管路中。

由于这类接头的芯体长度只有钳压式铜接头芯体长的1/3，其耐冷热循环性能不如钳压式接头的好，除非密封圈的性能指标很高，一般不推荐螺母卡套式铜接头用于冷热水循环管路中。

钢套钳压式接头是铝塑管最先进的一种接头，其连接可靠性最高，耐冷热循环性能最好、它可实现铝塑管材连接的零泄漏，这类接头的适用范围最广泛，应用于冷热给水、采暖、燃气领域中;可明装，也可暗装，接头规格从1014,6075规格都有。

但钳压式接头安装需用专用钳压工具(后文详细介绍分析了这种接头);
承插式接头属外密封型接头，其连接寿命短，因为铝塑管的铝层可接触管内介质，使用一段时间后连接处容易造成铝层的腐蚀，导致铝塑管的内外层聚乙烯与铝层离层，影响密封。

3.1.2 按材料来分有:铜接头、塑料接头;
铜接头的连接牢固性能、可靠性要高于塑料接头，这是因为铝塑复合管属于柔性管道，其连接是通过机械挤压夹紧式管件，让管材连接处的内外层受压产生变形，压紧密封件来实现连接的，铜接头比塑料接头的夹紧力大，强度高;
塑料接头比铜接头的成本价格要低，适用于压力较低的冷水、纯净水场所;
3.1.3 按密封件设在管子的内壁或外壁来分:有内密封型接头、外密封型接头;
内密封型接头可以保护铝塑管管端铝层不接触管内的介质，防止铝层的腐蚀，连接寿命长。

为保证铝塑管路系统的正常运行，选用内密封型接头来连接是个最基本的要求;美国标准ASTM F1281-1998、F1282-1998(铝塑复合压力管)中附录A1的A1.2条有明确规定:“所设计的接头应密封在管子的内壁表面，使管内的介质不与管的切割末端接触。

”。

外密封型接头，寿命不长，不适合铝塑管用。

国内外多年的应用实践也证实了这一点。

3.1.4 按铜接头坯料的工艺分有:锻压接头、砂铸接头。

锻压接头的材质密度高，耐压力较高，质量较好;
砂铸接头的生产成本与价格比锻压接头的要低，但其材质密度小，耐压力低，容易泄漏，不推荐使用。

3.2 热水管路系统中连接处出现渗水的一个最主要原因是接头上使用了劣质的密封圈，密封圈失效所致;铝塑管与金属接头因膨胀收缩引起的泄漏问题并不是难以解决的技术问题。

铝塑管路系数的渗水现象多数是发生在热水管路中，而且往往是管内水温下降过程中才出现渗漏，而在升温或恒温过程中不出现渗漏。

为何会出现这一独特现象呢,下面从接头与管材的连接密封机理方面来作分析。

前面已指出，铝塑管的连接是通过机械挤压夹紧式接头，让管材连接处的内外层受压产生变形，压紧密封件来实现连接的。

当管路内水温有升降变化时，连接处的接头与管材的膨胀量与收缩量相差较大;铝塑管的内层聚乙烯的线膨胀系数是13,18×10-5,铜接头的的线膨胀系数约1.7×10-5，，两者相差一个数量级，差别较大;
在升温过程中，接头、管材、密封圈都有一定的膨胀，且管材、密封圈的膨胀量比接头要大得多，由于管材的外层压接有不锈钢套或压紧环，管材的膨胀量主要
是朝向接头芯体，这使得接头与管材的连接部位随着温度的升高而接合得愈来愈紧，因而升温过程是不会泄漏的;
在恒温过程中，连接部位的管材、接头、密封圈处于稳定、紧密接合状态，一般也不会泄漏;
在降温过程中，接头、管材、密封圈都有一定的收缩，管材的收缩量较大些，这将导致接头与管材的连接处产生微缝隙。

产生了微缝隙后，如果密封圈具有良好的回弹性能(低的压缩永久变形率)，密封圈可始终处于微压缩状态，始终紧靠接头芯体的密封面及管材的内层表面，可防止漏水现象发生;但如果密封圈的回弹性能不符合要求，密封圈经冷热交变后失去弹性及密封性能，因而管内介质便会从微缝隙中泄漏。

我们对出现渗水的接头作了大量调查与测试，有这样的结论:铝塑管用于热水管路发生连接泄漏原因大多数是因为接头上使用了劣质的密封圈，密封圈失效所致。

关于接头上的关键元件——密封圈的性能指标及要求，国内与国外的差异特别大，国内的密封圈性能质量也参差不齐，厂家对密封圈的重要性认识不足。

国外早已广泛使用耐候性更好的三元乙丙橡胶密封圈，而国内仍在大量使用传统的丁睛橡胶密封圈，丁睛橡胶是很难保证50年使用寿命的;铝塑管用密封圈的一个主要性能指标——压缩永久变形率，国外标准要求?20%，而国内则没有要求，绝大多数厂家忽略了这个指标，也无能力监控。

表1 日丰管件用O型橡胶密封圈技术要求
性能单位指标要求
硬度 IRHD 60,70
拉伸强度 MPa ?9
扯断伸长率 % ?250
压缩永久变形125? 22h % ?20
应力松弛125? 168h % ?20
耐水浸泡性100? 168h % ?5 3.3 设计、安装施工不当引起漏水
具体有以下几方面的安装使用不当:
3.3.1 接头芯体安装插入到管材内的深度不到位，管材端口未剪平，管材端面不平度相差过大;
3.3.2 管材端口未整圆或倒角，或者因接头与管材的匹配性差等原因，使接头芯体安装后密封圈移位或断裂; 3.3.3 卡套式接头的螺母未拧紧;钳压式接头的钳压压缩量不够，或安装时因钳压多次，不锈钢套的压缩塑性变形被破坏; 3.3.4 管路中的水温超过95?;
3.3.5 较大(3240以上)规格的热水管管路中未考虑管材的热胀冷缩量，未设计安装膨胀节;
3.3.6 热水管路中选用了耐冷热循环性能差的卡套式铜接头或塑料接头，使用一段时间因螺母的松动而出现渗漏; 3.3.7 安装时接头的内、外牙互配过紧，使用一段时间后因内外牙的胀紧力作用，很容易使接头的内牙端出现开裂而出现漏水。

3.4 使用了劣质接头引起泄漏。

前面已分析指出，国内市场上铝塑管用接头除了卡套式铜接头、钳压式铜接头这两大系列接头占主导地位以外，还有其它多种结构类型的接头，不同类型接头的性能差异较大;劣质接头有以下几类:
一是指不符合标准要求的外密封型接头、砂铸接头或者连密封圈都不设有的接头，这类接头短期内使用不渗水，但使用一段时间后极容易漏水;
二是指接头尺寸公差与管材的配合要求相差较大的接头，接头与管材的匹配性差，配合太松，容易漏水;配合太紧，安装时易损坏密封圈，密封圈受压过大，易老化，也容易漏水;
三是指密封圈的性能指标达不到要求的接头;
四是铜接头的材质脆性较大，接头加工后存有较大的内应力，使用时容易开裂的接头。

4、钳压式铜接头——铝塑管不漏水接头，是铝塑管连接的最佳选择钢套钳压式铜接头是欧洲已广泛使用的接头，也是目前国内铝塑管行业最先进的一种接头，有人也叫不漏水接头，它必将成为铝塑管连接的最佳选择。

下面对其结构、性能作进一步分析。

4.1 铜接头具有优异的综合性能，最适合作为铝塑管用金属接头
铜接头经久耐用;
铜接头的机械性能好，满足铝塑管连接要求;
4.2 钳压式铜接头的材质密度高，耐压力高;表面镀镍，外表更美观，防腐性能更好。

铜接头一般是用标准黄铜HPb59-1加工而成，钳压式铜接头的生产工艺流程如下: 进料—铜棒冷切—冲压(又叫热锻、红冲)—切边—抛丸—机加工—抛光烘干/镀镍—装配-质检-包装
钳压式铜接头本体的坯料是红冲成形的，材质密度高，密度约8.5g/cm3。

接头加工成成品后，无砂眼，长期耐2.0Mpa以下的压力无泄漏。

钳压式铜接头表面进行了镀镍处理，使产品看起来高档、美观，同时增加了防腐蚀性能。

4.3 连接端的结构特征决定了钳压式接头具有多重密封功能，连接可靠性高，使用寿命长。

4.3.1 连接端的结构具有多重密封功能
参见右图8，钳压式接头与铝塑管的连接是这样来实现的:通过钳压工具，让套于铝塑管外端的钢套产生收缩塑性变形，迫使铝塑管端内壁PE/PEX层收缩并咬合至接头芯体外圆表面上的锯齿形环槽中，同时，芯体上的两只O形密封圈也处于压缩状态，紧靠芯体环槽面及管材内壁面，防止管内介质泄漏。

这种连接具有以下多重密封功能:
a、两只O形密封圈的压缩变形形成了两处主要密封功能;
b、接头芯体外圆表面上设有三段锯齿形环槽，锯齿形环槽中填充有铝塑管内壁咬入的PE/PEX层，环槽与内壁咬合层之间形成了三级迷宫式结构，这种结构具有迷宫式密封功能。

假使有微量介质通过了第一级迷宫式结构及密封圈，后一级的迷宫式结构具有阻止介质向管端渗透功能。

c、铝塑管端的内壁塑料咬合层与芯体表面紧密接触，即使密封圈失效，咬入接头芯体环槽的的PE/PEX层本身也具有一定的辅助密封功能。

4.3.2 连接可靠性高，主要有以下几方面理由
4.3.2.1 铝塑管的内层与芯体上的三段锯齿形环槽咬合，外层压接有不锈钢套，这样的连接大大增加了接头与管材之间的抗轴向拉拨力，在高压下，接头很难从管端脱出;
4.3.2.2 插入管材内的芯体部分尺寸足够长，是第一代卡套式接头芯体长的近二倍，这使得连接的可靠性、稳定性比卡套式铜接头的大大增加。

芯体部分长度参见表二;
表2 钳压式铜接头芯体长度单位: mm
接头规格钳压式铜接头芯体长度卡套式铜接头芯体长度
1014,1620 23 10.65
2025,2632 30 10.65
3240,4150 45 --
5163,6075 69 -- 4.3.2.3 采用专用钳压工具安装，可保证每一连接具备一致的紧固与压接效果;保证管材与接头之间的压接配合紧，保证密封性能。

管材的径向压缩量大小参见表三;
表3 管材的径向压缩量比较单位: mm
钢套钢套壁钳卡环压肋接头芯体管材与芯体管材外径压规格钢套内径管材外径管材内径外径厚尺寸尺寸间隙缩量
1014 φ14.5+0.10 φ15.5 0.5?0.05 φ14.2+0.10 φ14.05~14.30
φ9.46~10.30 φ9.80-0.2 -0.17~+0.35 0.325~0.6
1216 φ16.3+0.10 φ17.3 0.5?0.05 φ16.2+0.10 φ16~16.18
φ11.40~12.26 φ11.80-0.2 -0.2~+0.33 0.3~0.54
1418 φ18.5+0.10 φ19.5 0.5?0.05 φ18.2+0.10 φ18.05~18.29
φ13.38~14.23 φ13.80-0.2 -0.21~+0.315 0.325~0.595
1620 φ20.5+0.10 φ21.7 0.6?0.05 φ20.2+0.10 φ20~20.30
φ15.42~16.34 φ15.80-0.2 -0.38~+0.37 0.4~0.7
2025 φ25.4+0.10 φ27 0.8?0.05 φ25?0.05 φ25.01~25.28 φ19.21~20.28 φ19.80-0.2 -0.295~+0.34 0.73~1.015
2632 φ32.6+0.10 φ34.2 0.8?0.05 φ32?0.05 φ32.19~32.50
φ25.31~26.46 φ25.80-0.2 -0.245~+0.43 0.82~1.125
3240 φ40.5?0.2 φ42.3 0.85 φ40?0.05 φ40.16~40.40 φ30.84~32.40
φ31.80-0.2 -0.48~+0.40 0.905~1.075
4150 φ50.6?0.2 φ52.6 1 φ50.2?0.05 φ50.20~50.48 φ39.90~41.36
φ40.80-0.2 -0.45~+0.38 0.975~1.165
5163 φ63.7?0.2 φ65.7 1 φ62.5+0.150 φ63.03~63.60 φ49.43~51.60
φ50.70-0.2 -0.635~+0.55 1.19~1.625
6075 φ75.8?0.2 φ78.2 1.2 φ74.5+0.150 φ75.01~75.62 φ58.01~60.62 φ59.60-0.2 -0.795~+0.61 1.38~1.835 注:表三中的管材与接头芯体间隙及管材外径压缩量均为单边值.
4.3.2.4 钢套经特殊的工艺处理，消除了加工硬化，钳压压接后，钢套产生了永久塑性变形，不回弹，确保长期有可靠的压缩量。

4.3.3 连接端芯体较长，受压接触面积大，压强小，所以这种结构可以特别防止铝塑管内层的“蠕变”;产生了微量“蠕变”、“松弛”现象后，这种结构仍可有效防止管路系统的泄漏。

先来说一下有关“蠕变”的问题。

“蠕变”特性反映的是物品的老化倾向性能，塑料管材具有较大的蠕变性。

在一定的温度、长期外力作用条件下，材料内的应力保持不变，而应变不断增大的现象，称为材料的“蠕变”。

铝塑管连接端长期因热胀冷缩变化后，“蠕变”比较明显，连接处出现“蠕变”、“松弛”现象，管材与接头之间出现微量的间隙。

在这样的情况下，钳压式铜接头仍可有效防止介质的泄漏，理由有几点:
第一、当连接处出现“蠕变”、“松弛”现象后，虽然芯体外圆环槽面与铝塑管内壁面之间出现微间隙，但由于密封圈具有良好的抗蠕变性能与回弹性能，一旦微间隙出现，密封圈始终能迅速恢复部分压缩变形，填充所出现的微间隙，有效阻止管内介质外泄; 第二、连接端的钳压压缩量比因“蠕变”而产生的微间隙量要大几个数量级，无论是否有蠕变情况，三级迷宫式密封功能一直存在。

钳压式接头这种有密封圈及三级迷宫式结构组合而成的多重密封功能可以有效阻止管内介质的外泄。

4.3.4 优质的三元乙丙橡胶密封圈耐老化性能好，使用寿命长，保证管路系统长期无泄漏
管路系统长期运行是否泄漏的一个关键因素是要看密封圈的性能好坏如何。

通常用的密封圈材料主要有三元乙丙橡胶、硅橡胶和丁晴橡胶，三种密封橡胶的性能比较见表4。

表4 密封圈常用橡胶的性能比较
门尼粘度(ML1+4 拉伸强度扯断伸长使用温度范耐油耐水耐老成名称代号相对密度硬度 100?) /MPa 率% 围? 性性化本
0.96,丁晴橡胶 NBR 20,95 30,170 6.89,27.56 100,600 ,50,120 好差差
低 1.02
三元乙丙橡30,EPDM 0.85 40,100 6.89,20.67 100,300 ,60,150 差好好中胶 100
硅橡胶 Q 0.98 20,95 —— 3.45,10.34 50,800 ,120,280 好好好高由表4可知，三种橡胶中硅胶的性能最优，但一来价格昂贵，二是太软易拉断，故综合性价最优的是三元乙丙橡胶，这也为国外多年的应用实践所证明。