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管路系统

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由硬钢管和截止阀构成的复杂系统控制着流体流向建筑物的各个部分。
由硬和截止构成的复杂系统控制着流体流向建筑物的各个部分。

管路系统(英语:Plumbing),或称管道系统管路,是为不同目的输送流体的系统。管路系统会使用管道阀门卡具英语piping and plumbing fitting储罐及其它装置来输送流体。[1]管路系统最常见的用途是输送冷暖气废水饮用水等等,但也有其它用途。[2]

在发达国家,管路系统基础设施对公共卫生环境卫生至关重要。[3][4]另外,值得注意的是,虽然锅炉工英语Boilermaker管钳工英语pipefitter的工作会接触到管道,但他们并不是管道工英语plumber(或简称“管工”),尽管如此,他们也会负责一些管工的工作。

历史

位于英国森麻实郡巴斯的罗马浴场中,带有折叠缝的罗马铅管。
位于英国森麻实郡巴斯罗马浴场中,带有折叠缝的罗马铅管。

管路系统起源于古代文明,如希腊、罗马、波斯、印度和中国的城市——因为他们发展了公共浴池英语public baths,并且需要为更多的人口提供饮用水处理废水[5]在公元前2700年,印度河流域文明的城市居住区出现了带有宽法兰,并利用柏油防止泄漏的标准化土质管道。[6]另一方面,罗马人使用铅管刻文英语Roman lead pipe inscription防止偷水英语Water theft。早期的管道经常以铅制成,如罗马屋顶的管道和排水管,[7]某些屋顶亦会以铅覆盖,除此之外,管道系统英语piping和建筑浴场也会用到铅。[8]

管路系统在古罗马时期英语Sanitation in ancient Rome达到了它的早期巅峰,在该时期,管路系统出现了扩展的渡槽英语Roman aqueduct系统,和瓦片排水,但是也广泛地使用铅管。随着罗马帝国的衰落,供水设施和卫生设施的发展在其后1000年间停滞不前,甚至出现倒退。直到19世纪初,随着现代化密集人口城市的增长,才得到显著的发展。在这段时期,当局公共卫生部门开始敦促安装更好的污水处理系统,以预防或控制流行病的传播。此前,污水处理系统仅仅是收集污水,并将其倾倒在地上或河中。最终,单独的地下水和污水系统取代了开放的污水沟和污水池英语cesspit

今天,多数大城市都会将污水输送到污水处理厂,以便在排入水流或其他水体之前分离废物并部分地净化水。在饮用水方面,从19世纪末到1960年左右,镀锌铁管在美国很常见。在此之后,铜管取代了镀锌铁管。起先是带有喇叭口配件的软铜,后来是使用焊接配件的刚性铜管。

由于人们逐渐意识到铅中毒的危害,因此在二战之后,饮用水系统中铅的使用量急剧下降。此时,作为铅管更好、更安全的替代品,铜管出现了。[9]

系统分类

一座建筑物中的铜管路系统。
一座建筑物中的管路系统。

管路系统或其子系统的主要分类有:[10]

水管

一个铜制水管系统,用于散热器供暖系统。
一个制水系统,用于散热器供暖系统。

水管是一种管子,通常是塑料的或金属的,[a]它将带压的处理过的淡水送往建筑物(作为市政供水系统的一部分 ),并在建筑物中输送。

历史

旧水管,De Marly机械遗迹,靠近法国凡尔赛
旧水管,De Marly机械遗迹,靠近法国凡尔赛

许多世纪以来,是水管的常用材料,因为其延展性使它很容易被塑造英语Metalsmith成所需的形状。铅的摄入会危害健康,但在这件事被充分理解之前,有许多与铅相关的健康问题,包括死产婴儿死亡率高,而铅制水管是一个重要因素。在20世纪早期,铅水管仍被广泛应用,包括许多家庭。此外,铅锡合金焊料被广泛用于焊接铜管英语Copper tubing,但在现代实践中则使用锡锑合金焊料来代替,以避免铅的危害。[11]

尽管罗马人使用铅管很普遍,他们的渡槽英语Roman aqueduct却很少使人中毒。在世界的其它地区,铅管导致中毒的现象很普遍;而罗马的水不同,它含很高,会在管壁形成一层水垢,从而避免了水与铅直接接触。当时的铅中毒很广泛,尤其是那些容易获得自来水的人,大量的证据往往令人困惑。[12]铅曾被用于炊具,以及作为加工食品和饮料的添加剂,例如作为葡萄酒的防腐剂,这很不幸。[13]罗马铅管铭文英语Roman lead pipe inscription提供了所有者信息,以防止偷水。

16和17世纪的伦敦及其它地方,使用了木制水管。这种管子的制作方法是,将原木掏空,端部为锥形,并有小孔,以便水能流过。[14]管子之间则使用热的动物脂肪来密封。1800年代的蒙特利尔和波士顿经常这样使用,20世纪的美国广泛地使用了木制拼接管道。这些管道代替了瓦楞铁管道或增强混凝土管道,由短木切下的型材制成。由硬木榫锁定的连接环形成了灵活的结构。在二战期间安装了大约100,000英尺这种木制管道,用于公路旁、军队营地、军港、机场和军工厂的排水沟和雨排。

在耐用塑料材料出现之前,铸铁管英语Cast iron pipe球墨铸铁管英语Ductile iron pipe曾因成本低而长期替代铜。但在过渡到其它金属管时,必须使用特制的绝缘接头,除非是终端配件。这是为了避免不同金属之间的电化学作用导致的腐蚀(参见伽凡尼电池)。[15]

通常使用青铜管接头和短管来连接各种材料。[16]

尺寸与材料

正在安装的塑料水管。请注意,内管是实际输送水的,而外管只是一个保护套。
正在安装的塑料水管。请注意,内管是实际输送水的,而外管只是一个保护套。

应用于管路的PVC管和镀锌钢管,是以IPS(铁管尺寸英语Iron pipe size)来度量的。而铜管、CPVC英语Chlorinated polyvinyl chloridePeX英语Cross-linked polyethylene和其它管都使用名义度量,基本上就是平均直径。这些尺寸方案使过渡配件能够普遍适应。例如,1/2"的PeX管与1/2"的铜管尺寸相同。但是,1/2"的PVC管与1/2"的其它管尺寸并不相同,因此需要使用带外螺纹或内螺纹的配件来连接它们。[17]

管道可以使用刚性“接头”,根据材料的不同,“接头”有各种长度。管材,特别是铜管,是由刚性硬回火“接头”或软回火(退火)的卷制成。PeX和CPVC管材也是由刚性“接头”或柔性卷制成。铜的回火,无论是刚性“接头”的还是柔性卷的,都不会影响其尺寸。[17]

水管厚度和管壁可能有所不同。管壁厚度按不同比例来表示,英国的大口径聚乙烯管用标准尺寸比英语Standard dimension ratio(SDR)来表示,即管径与其壁厚之比。管壁厚度随着管径的增大按比例增加,管径可以是壁厚的20、40、80倍,特殊情况下还可以更高。该比例很大程度上取决于系统的工作压力,压力越高则要求管壁越厚。铜管有四种壁厚:DWV型(壁最薄;仅允许作为UPC排水管)、M型(薄;通常只允许作为IPC排水管)、L型(较厚,用于水管和供水服务的标准壁厚)和K型(最厚,通常在地下用于主管和水表之间)。由于管道是商品,因此管壁越厚意味着初始成本越高,通常也更具耐用性,并适应更大的压力公差。

管壁的厚度并不影响管的尺寸。[18]1/2"的L型铜管与1/2"的K型或M型铜管具有相同的外径。其它的管道度量系统也一样。因此,当壁厚增加时,由于内径减小了,压力损失会略有增加。换句话说,1英尺的1/2"L型铜管的流量略小于1英尺的1/2"M型铜管。[来源请求]

材料

古代的供水系统依靠重力来供水,使用的管道或水渠通常由黏土、竹子、木头或石头制成。供水管道,尤其是水管,会使用箍以钢带的空心原木。在接近500年以前,英国就使用原木来分配水了。美国的城市从18世纪后期到19世纪,开始使用空心原木。今天,大多数供水管道由钢、铜和塑料制成; 而大多数排水管则由钢、铜、塑料和铸铁制成。[19]

管路系统中直的部分被称为“管”。管通常由铸造焊接而成,也可以通过挤型而成。通常,厚壁管可以使用螺纹连接或焊接,而薄壁管则需要特殊的连接技术,例如钎焊压缩装配英语Compression fitting卷边英语Crimp (joining),或用于塑料的溶剂焊接英语Solvent welding。在管道及配件英语Piping and plumbing fitting中,更加详细地讨论了这些连接技术。

用于饮用水供应和分配的镀锌钢,其标称管道尺寸英语Nominal Pipe Size通常为38英寸(9.5毫米)至2英寸(51毫米)。今天的新建住宅已经很少使用这种管道了。根据美国国家标准管螺纹(National Pipe Thread,NPT)的标准,钢管使用锥形外螺纹,与弯头、三通、接头、阀门和其它配件上的锥形内螺纹相连接。镀锌钢管(通常在管道行业中简称为“镀锌管”或“铁管”)相对较贵,并且由于重量较大且需要套扣设备而难以使用。它仍然被保留下来的普遍用途包括,修复现有的镀锌管系统,以及在酒店、公寓和其它商业建筑中满足通常建筑规范英语Building code的阻燃性要求。它也非常耐用,且能够抵抗一定的机械损伤。黑漆钢管是用于自动喷淋和天然气的最广泛使用的管材。

大多数典型的单户住宅系统并不需要超过34英寸(19毫米)的供水管道,成本是原因之一。另一个原因是,随着时间的推移,钢管内部镀锌涂层的锌会发生脱落,从而造成内部生锈和形成矿物沉积而阻塞管道。用于饮用水配送的镀锌钢管,其使用寿命约为30至50年,在具有腐蚀性水污染的地区其寿命更短,而且这种情况并不少见。

二十世纪下半叶,铜管被广泛用于生活用水系统。由于铜价大幅上涨,对铜产品的需求下降,导致对替代产品的需求有所增加,包括交联聚乙烯英语Cross-linked polyethylene不锈钢

塑料

为水槽供水的塑料冷热水管
为水槽供水的塑料冷热水管

塑料管广泛用于生活供水和排水英语Drain-waste-vent system(Drain-Waste-Vent,DWV)管道。作为主要材料的聚氯乙烯(PVC)是在19世纪开始实验性生产的,但直到1926年才开始实用性生产。当时BF古德里奇公司(BF Goodrich Co.)的沃尔多·塞蒙英语Waldo Semon开发了一种塑化PVC的方法,使其更易加工。PVC管于1940年代开始制造,并在二战后德国和日本的重建期间被广泛用于排水管道。在1950年代,西欧和日本的塑料制造商开始生产ABS树脂管。生产交联聚乙烯英语Cross-linked polyethylene(PEX)的方法也是在1950年代开发的。塑料供水管,以及各种材料和配件,变得越来越普遍。

  • 聚氯乙烯(PVC)/氯化聚氯乙烯英语Chlorinated polyvinyl chloride(CPVC)——硬质塑料管类似于PVC排水管,但管壁更厚,以承受市政水压,于1970年左右推出。PVC代表聚氯乙烯,它已成为金属管道的常见替代品。PVC应当仅用于冷水或通风。CPVC可用于冷热饮用水供应。根据规范要求,应使用底漆和溶剂水泥进行连接。[20]
  • 聚丙烯(PP)——该材料主要用于家庭用品、食品包装和临床设备。[21]但自1970年代初以来,全世界越来越多地将其用于家用冷热水。PP管是热熔英语Heat fusion的,不适合使用胶水、溶剂或机械配件。PP管通常用于绿色建筑项目。[22]
  • 聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)——柔性(通常为灰色或黑色)塑料管,连接着带倒钩的配件,并用铜压接环固定到位。PBT最早的制造商管材与配件(tubing and fittings)因该系统故障导致的集体诉讼而陷入破产。[来源请求]不过,PB和PBT管已经重返市场,并且有了新的规范,通常首先用于“暴露位置”,如立管。
  • 交联聚乙烯英语Cross-linked polyethylene(PEX)——交联聚乙烯系统,采用带倒钩的机械连接配件,以及压接的钢环或铜环。
  • 聚乙烯储罐——塑料聚乙烯蓄水池、地下水箱、地上水箱,通常由线性聚乙烯制成,适合作为饮用水储水箱,可以是白色、黑色或绿色。
  • 铝塑管——即PEX-Al-PEX,在PEX层之间夹有一层铝管,并以改良的黄铜压缩配件连接。2005年,有大量这种配件被召回。[需要解释]

如今的供水系统使用高压泵网络,建筑物中的管道则由铜、[23]黄铜、塑料(尤其是被称为PEX的交联聚乙烯英语Cross-linked polyethylene,估计在单户住宅中的使用率达60%[24])或其它无毒材料制成。由于其毒性,美国大多数城市在1920年代已逐渐淘汰铅供水管道,[25]尽管铅管在1980年代还被美国管道规范所批准。[26]而铅被用于饮用水的管道焊接,直到1986年才被禁止。[25]排水管线由塑料、钢、铸铁或铅制成。[27][28]

图集

  • 俄罗斯梅季希的水管纪念碑
    俄罗斯梅季希的水管纪念碑
  • 用于压力容器的特制水管。该水管道可以保持高压水,并且相对较细。
    用于压力容器的特制水管。该水管道可以保持高压水,并且相对较细。
  • 混凝土水管
    混凝土水管
  • 以不锈钢攻套管将阀门(红色)连接到一条现有的水管线(白色管道)。在新连接的后面做了一个混凝土推力块。
    以不锈钢攻套管将阀门(红色)连接到一条现有的水管线(白色管道)。在新连接的后面做了一个混凝土推力块。

配件

除了长管以外,管路系统中也会使用管道配件,如阀门、弯头、三通和接头。[29]管道和配件会使用管架英语pipe hanger绑带英语strapping来固定。

取水设备英语Plumbing fixture是使用水的可更换设备,可以连接到建筑物的管路系统。它们被认为是“固定装置”,因为它们是建筑物的半永久性部件,通常不是单独拥有或个别维护的。终端用户可以看得见取水设备,而取水设备也是为他们设计的。取水设备的例子有:抽水马桶[30]小便斗坐浴桶莲蓬头浴缸、公共设施和厨房盥洗盆饮水喷头英语drinking fountain制冰机、增湿器、空气清洗器(air washer)、喷泉和洗眼装置。

密封

螺纹管道的接合处会使用生料带管道涂料英语pipe dope密封,许多管道设备则会使用管工腻子英语plumber's putty封在其安装的表面上。[31]

设备和工具

管工正在紧固供气管道上的装置。
管工正在紧固供气管道上的装置。

管路设备通常藏在墙里,或者位于公共设施空间,而不为公众所见。它包括水表、膨胀水箱、防倒流设备英语Backflow prevention device水过滤器英语Water filter紫外线杀菌英语Ultraviolet germicidal irradiation灯、硬水软化器、水加热英语Water heating器、换热器、仪器仪表和控制系统。

管工要做好工作,需要很多工具。虽然许多简单的管工工作可以只靠几种常用的手持工具来完成,但那些更复杂的工作则需要专门的工具,这些工具是专门设计的,它们能使这些工作变得更加容易。

专用的管工工具包括管扳钳英语Pipe wrench扩口钳英语Flaring pliers、管钳、弯管机、截管器、板牙,以及连接工具,如焊枪和压接工具。并且人们也在不断开发新的工具,来帮助管工更高效地处理问题。例如,管工用摄像机来检查隐蔽的泄露或其它问题,他们将水射流和连着钢缆的高压泵用于非开挖下水管线更换。

过多雨水造成的洪水或下水道堵塞,可能需要专门的设备,例如设计用真空来抽取原始污水的重型泵车。[来源请求]

问题

房屋的管路系统中已经证实存在细菌。[32]几个世纪以来,人们已经知道社区供水系统可以传播像伤寒和霍乱这样的水传播疾病英语waterborne diseases,但是最近才认识到“伺机性房屋管路系统病原体”;1976年发现的嗜肺军团菌鸟分枝杆菌英语Mycobacterium avium绿脓杆菌是最常发现的细菌,免疫力低下的人吸入或摄入这些病菌就有可能受感染。[33]这些伺机性病原体可以生长在水龙头、淋浴头、热水器和管壁等处。这些地方有利于细菌生长的原因包括“高表面积与体积比、间歇性停滞、低消毒剂残留和升温循环”。高表面积与体积比(例如比较大的表面积)使得细菌可以形成生物薄膜,保护细菌免受消毒影响。[33]

规范

用于把持和旋动管子的管钳(英语:Pipe wrench)
用于把持和旋动管子的管钳英语Pipe wrench

在人口密集地区的大部分管道工作是由政府或准政府机构来规范的,因为这直接影响到公众的健康、安全和福利。住宅和其它建筑的管道安装和修复工作,通常必须按照管道和建筑法规来进行,以保护建筑中的居民,以及为未来的买家确保安全、高质量的结构。如果工作需要许可证,管道承包商通常需要从代表住户或业主的当局获得资质。[来源请求]

澳大利亚

在澳大利亚,负责管路监管的国家管理机构是澳大利亚建筑法规委员会(Australian Building Codes Board)。他们负责制定国家建筑法规(National Construction Code,简称NCC)的第3卷管路条例2008[34]和澳大利亚管路法规。[35]

每个州级政府都有他们自己的管理局和法规来给管工颁发执照。他们还负责对NCC上列出的法规进行解释、管理和执法。[36]通常,建立这些管理局唯一的目的就是在各个州/领地来规范管路相关活动。然而,一些州级监管法案已经很过时了,其中一些法案仍然基于十多年前实施的地方政策。这导致当前政策未涵盖到的管路监管问题越来越多,因此,许多政策目前正在进行更新以涵盖这些新问题。这些更新包括,更改颁发执照所需的最低经验和培训要求,新的和更具体的管道类型的附加工作标准,以及将澳大利亚管道规范(Plumbing Code of Australia)纳入州法规,以使全国的管道法规标准化。[37]

英国

英国的专业机构是管道和暖气工程特许协会英语Chartered Institute of Plumbing and Heating Engineering(教育公益组织),但是实际上该行业仍然是几乎不受控制的;[38]并没有一个系统来监控无资质的管工,或那些选择自己进行安装和维护工作的业主的活动,尽管他们操作不当时会产生健康和安全问题;参见世界卫生组织(WHO)和世界管路委员会英语World Plumbing Council(WPC)共同发布的《管路系统与健康》(Health Aspects of Plumbing,简称HAP)。[39][40]WPC随后向世界卫生组织派出了一名代表,来推进和管路系统与健康相关的各种项目。[41]

美国

在美国,管路系统规范和许可一般都是由州和地方政府控制的。在国家层面,由美国国家环境保护局来指导如何让管材和配件构成无管路系统,以遵循《饮用水安全法英语Safe Drinking Water Act》(SDWA)。[42]

一些在美国广泛使用的标准是:[来源请求]

  • ASME A112.6.3 - 楼层与沟渠排水
  • ASME A112.6.4 – 屋顶、地板和阳台排水
  • ASME A112.18.1/CSA B125.1 – 管道供应配件
  • ASME A112.19.1/CSA B45.2 – 铸铁搪瓷和钢搪瓷管道装置
  • ASME A112.19.2/CSA B45.1 – 陶瓷水管装置

参见

参考来源

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  2. ^ Blankenbaker, Keith. Modern Plumbing [现代管路]. 古德哈特–威尔科克斯英语Goodheart–Willcox (英语). 
  3. ^ Health Aspects of Plumbing [管路系统与健康]. 
  4. ^ Plumbing: the Arteries of Civilization [管路:文明的动脉], Modern Marvels video series, The History Channel, A+E电视网, 1996 (英语) AAE-42223
  5. ^ Archaeologists Urge Pentagon To Keep Soldiers From Destroying [考古学家敦促五角大楼阻止士兵的破坏行为]. Herald-Journal. 2003-05-19 [2013-12-27] (英语). 
  6. ^ Teresi, Dick. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science--from the Babylonians to the Maya [失落的发现:现代科学的古老根源——从巴比伦人到玛雅人]. 纽约: 西蒙与舒斯特. 2002: 351–352. ISBN 0-684-83718-8 (英语). 
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  8. ^ Historical production and uses of lead [历史上铅的生产和使用] (PDF). ila-lead.org (英语). 
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注释

  1. ^ 用来制造水管的材料有PVCPPPE球墨铸铁铸铁,早期还用过

延伸阅读

  • 迪克·特雷西英语Dick Teresi. Lost Discoveries: The Ancient Roots of Modern Science--from the Babylonians to the Maya [失落的发现:现代科学的古老根源 - 从巴比伦人到玛雅人]. 纽约: 西蒙与舒斯特. 2002: 351–352. ISBN 0-684-83718-8 (英语). 

外部链接

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