动车组给水系统设计及材质选择

杨旭颖 周文涛 刘瑞聪 柯壤琼

摘要：指出了动车组给水系统是动车组设计的重要组成部分，关系到动车组乘客的饮水安全问题，同时动车组的饮用水为热水供应，水箱、管道、阀门、配件、密封件材质的选择关系到对水质指标的影响，动车组的饮用水供应必须满足生活饮用水的卫生标准。基于目前文献资料，综述了动车组的给水系统设计的依据及要求，并分析了各管材对动车组饮用水的影响，为保证给水系统水质，提出了结合动车运行实际需要分析研究的主要问题。

关键词：动车组;管材;水质;设计

中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0159-03

1引言

在动车组研发过程中，其给水系统和排水系统得到不断优化。由于技术体系的差异，不同型号动车给水系统有所差别，但其设计的基本原理大致相同。但系统材质的选择，对不同材质对水质产生的影响有必要进行研究。本文根据目前国内研究现状，基于相关文献资料，综述了动车组的给水系统设计的依据及要求，分析了水箱、管材、阀门、配件、密封件材质对动车组饮用水的影响，提出了应结合动车运行实际需要分析研究的主要问题。

2动车组给水系统设计要求

（1）给水系统的管道布置要精简。在可能的范围内减少弯曲和衔接头，减少阻力，避免管道漏水。

（2）给水系统管道设计要符合重力压差供水及管道防冻规范。平放的管道需要有一定的角度，方便将水排净。管道要顺畅防止存水结冰。

（3）给水管道需要有恒温保持功能，避免温度在零下摄氏度时结冰或温度升高时管道潮湿。

（4）管道布置时要预防虹吸现象。

（5）管道设计要给后期的养护提供便利。

2.1给水方式

主要供水方式为重力供水、压力供水或组合方式进行供水。

重力给水的储水箱设施位于车厢的顶板上侧，压力给水的储水箱设施位于列车的底部;组合给水的储水箱设施也位于列车的底部，组合给水的设施有一个中间水箱，位于车厢的顶板上侧，利用压力将列车底部水箱存储的水打入位于列车顶部的中间水箱，再利用重力差向各支点需水设备输水。

重力给水方式有設计简便、系统设计安全等优点，但其设计的水箱容量相对较小，仅为300L左右。

压力给水有水箱的容量相对重力给水较大、系统的设计重心偏低的优点，但其系统设计相对重力给水较为繁琐、设计安全可靠性也相对较低。设计的水箱容量相对较大，普遍不低于600。

组合给水有水箱的容量比较大，系统的设计重心偏低的优点，但其系统设计较为繁琐、设计安全可靠性也相对较低。设计的水箱容量相对较大，普遍不低于600L。其操控系统相对于压力给水更优良可靠。

列车在运行中的水量使用情况和列车的整体设计布局是影响给水方式选择的首要因素。水量的使用情况关系到水箱的容量，水箱的容量决定了水箱占用的列车空间面积;列车的整体设计布局关系到水箱的放置位置及其规格，所以列车的水量使用情况是影响给水方式的重要因素。

2.2水箱设计

在动车组系统的给水方式确定下来后，依据水箱和各需水支点在列车布局上的安置关系来设计水箱的布置接口和管道接口是水箱设计的重点程序。管道的接口确定是尤其需要关注的，它直接关系到管道的安置位置和功能。管道的接口基本分为入水的管道接口、给水的管道接口、出水的管道接口、排气溢水的管道接口。给水管道的接口和出水管道的接口普遍布置于水箱的下侧，以便清空水箱的余水，防止温度低时水箱内存水结冰产生危险。入水的管道接口和排气溢水的管道接口的位置在水箱内部的高处，如此能使得水注满水箱，扩大水箱的使用效率，还可以防止注水时产生的压力对水箱造成影响。在设计中通常使用重量轻的材质设计来减少水箱的重量。

其他国家动车组的给水系统是将储水箱安装于列车下，并且各节列车的水箱是相互独立的。储水箱安装于立车下时的供水方式有风压供水和车上给水箱两种。

2.3管道布置设计

供水装置在实际确定其给水的方式以后，入水管道的设计、给水管道的设计、排气溢水管道的设计及出水管道的设计都可以根据列车的空间状况来设计。管道设计均需要权衡其功能和列车的布置空间，并且在设计时务必要注意管道布置的设计需要有足够的倾斜度（根据相关的规定），管道排水时要能够排清所有的管道存水。

在满足布置空间的要求下，可以利用立体弯管来节省管件的配置数量。一般可以将管道和管件相焊接来避免管道路线和衔接处出现漏水现象。

考虑管路布置、水头损失、系统管路的串并联型式，有必要对管路系统进行优化，以减小能量损失。

3动车组给水系统管材及其对水质的影响

管材影响动车组给水水质，管材的选取应考虑各种因素影响，慎重选择。

3.1金属材质

金属管材主要包括铸铁管、球墨铁管和钢管。3种材质的区别在于铸造时的含铁量有差异。以质量分数计，钢管中的铁含量高于99%，铸铁管中的铁含量为92%左右。由于材质的相对密度不同所含杂质不同，对金属表面腐蚀影响严重。

铁在水中会产生电化学反应造成管道腐蚀。当pH值大于4时，水处于近中性和偏碱性的状态，铁在水中反映会腐蚀生成Fe（OH）2，反应式如下：

2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）z

如果水中含有氧气，那么Fe（OH）2的稳定性就会降低很多，会被氧化为Fe（OH）3，反应式如下：

4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）。十

Fe（OH）3在管壁会形成不平整的沉淀层。另外，如果Fe（OH）3部分脱水会产生铁锈，反应式如下：

Fe（OH）3→Fe2O3·nH2O

如果管道内壁有铁锈，必然污染供水水质。

金属材质的管道内壁的生锈腐蚀污染量较大，且其增加量也普遍较大，小口径的管道相对大口径的增加量会更大。铁锈溶入水后会产生锈味儿并且会使人味觉产生不愉快的感觉。金属材质的管道内壁有了锈垢后会滋生细菌使微生物可以附着在上面肆意生长形成生物膜，国外对管道滋生的生物膜进行了研究，检测了28种细菌。生物膜的老化和脱落会造成臭和味的指标以及色度指标的增加，并且微生物在生长繁衍的过程中会逐渐对下毒物质产生抵抗力，很难消除。所以管道内部的污染垢层会不断增加使得管道污染愈发严重，并且减小了管道的有效面积，降低输水效率。

3.2塑料材质

随着社会建材的发展，工程塑料已经成为给水工程和各水厂处理程序中重要的管件材料。工程塑料具有抗腐蚀能力好，安装便捷等优点。通常在给水管网中使用的热塑塑料有2类，分别是聚氯乙烯塑料（PVC），聚乙烯塑料（PE）;它又可分为低密度聚乙烯塑料（LDPE）、中密度聚乙烯塑料（MDPE）、高密度聚乙烯塑料（HDPE）和玻璃钢塑料（GRP）。

塑料材质在水环境中有时会发生溶解反应，会有化学物质流人管内的水中造成污染。造成污染的物质可能是反应产物也可能是杂质等。

塑料管中的聚合物等可能会发生氧化等反应使得塑料管性质发生改变，并且这种改变是不可逆的，也可能会污染水质。PVC管在第一次与水接触的时候会使其中含有的酸渗到水里造成管内水的铅污染。

3.3新型材质

为了减轻管路和管件的质量，目前更多采用薄壁不锈钢管（壁厚1.5mm左右）。随着社会的发展建材技术不断革新，重量轻便并且连接可靠的PE材质的管和铝塑材质的管成为新的选择。

4阀门及水箱材质对饮用水水质的影响

供水系统的阀门主要有闸阀、止回阀等。阀门的结构和材质的选择会影响到供水的水质。材质直接影响水中微生物指标、物理化学指标以及感官指标。阀门材质有不锈钢、铸铁、铜以及非金屬材料。不同的材料应用的管径有所差异，非金属的一般用于DNS0以下的管道，其材料成分与非金属材料的管一致，都是通过了环保检测的，不会给水造成二次污染，非金属阀门配件的主要材料是铜合金，但因为其使用量很小所以对水质的影响基本可以忽略。不锈钢材料的阀门也不会给水造成二次污染，但是考虑到其成本并未广泛使用。

4.1阀门材质对水质的影响

4.1.1阀门主体承压件

主要包括阀盖、阀体等。

（1）铜合金。铜合金包括黄铜合金和青铜合金，两种合金都有铅。常用的黄铜合金（HP59-1和ZCuZn40Pb2），其中铅含量占合金的2%左右。

实验证明：铜合金检测指标很难符合相关卫生标准要求。且合金与水接触时间越长，铅的溶出量会随之增加。虽然人们在饮水时会有服人体内的铅的风险，但铅的溶出量对人体是否有危害还需要进一步研究。

与动车组上给水系统的各个组件相比，阀门对水质的影响极低。

（2）铸铁。铸铁的成分中含有铁、碳和硅。其中碳和金属元素有着不同的电极电位，具有腐蚀性，会产生铁、锰等金属性易腐蚀物质。

4.1.2配件

标准配件表面镀锌，虽然和水部分直接接触，但长期使用不会生锈腐蚀。

4.1.3密封件

密封件有硬密封和软密封两种，其中硬密封材料材质为不锈钢和铜合金，软密封材料材质为聚四氟乙烯（PTFE）和橡胶的。其中PTFE的性能很好，无异味、抗腐蚀和抗温能力很好，不会对水质产生影响。橡胶则会产生异味，但其可塑性好，不过由于橡胶对水中的耗氧量的影响难以符合饮用水的指标认证。

4.2动车组水箱材质的选择

关于水箱的材质要求有相关规范规定。其中UIC563-1990和TB/T3337-201中对于相关供水和卫生的装置材料都提出了相应的基本要求，水箱的材料要求是在材料的选择中使用抗腐蚀、抗生锈和防毒等相关材料（如不锈钢、铜质材料），使用材料的表层材料应具有容易清洁、不褪色、不会受清洁剂的影响、抗磨、不易脏等特点。

在选择水箱的材料时需要其能够防腐蚀、无毒害，通常使用不锈钢、铜、PE等材料。考虑饮水习惯在动车组各车厢都配备开水炉，使用的水箱材质一般为不锈钢。由于列车运行中，水波会对水箱产生冲击。故在水箱箱体内设置防波板，防波板还可以增加支撑水箱稳固性能。但长期运行过程中可能产生的疲劳破坏（尤其是焊接部分）需要进一步研究。

5需要研究的问题

为保证给水系统水质，建议进行以下问题研究：①不同水温、不同存储时间水箱材质（不锈钢、铜、PE）对水质变化的影响，②管路材质（不锈钢、PE、铝塑管）对水质变化的影响，③水储存时间对水质变化的影响，④环境温度对水质变化的影响，⑤电热水壶工作条件对水质变化的影响，⑥现有卫生保护措施、维护清洁措施对水质变化的影响。

6结语

水质的要求在不断提高，为保证供水系统对水质不产生影响，不产生跑冒滴漏现象，对水箱、管道及配件材质的选择要在满足相关标准的基础上，针对动车组实际运行情况开展必要的试验研究及理论分析，以充分保证动车饮用水系统安全。