医用气体管道采用铜管与不锈钢管的技术经济分析教学内容.doc

精品文档医用气体管道采用铜管与不锈钢管的技术经济分析现代建筑设计集团华东建筑设计研究院有限公司 王进军Technical and economical analysis between copper and stainless steel tubes for medical gases摘要：本文根据医用气体管道的技术特性和输送要求，对比分析了铜管与不锈钢管的管材标准、机械性能、耐腐蚀性、焊接工艺以及经济性，提供了医用气体管材的合理化选择建议。关键词：医用气体 铜管 不锈钢管 Abstract：This article describes a comparative analysis of material standard, mechanical performance, anti-causticity, welding technics and its economy between copper and stainless steel tubes according to their technical specs and distribution requirements for medical gas pipes, it provides reasonable suggestion on selection of material for medical gas pipes.Keywords：Medical gas，Copper tubes，Stainless steel tubes0 引言医用气体管道系统是医疗设施硬件中的重要组成部分之一，符合卫生学要求的优质管材是医院进行抢救、治疗和检测的有效保证。铜管和不锈钢管作为优质管材代表，在医用气体工程中应用广泛、技术成熟可靠。近年来，在笔者参与设计的一些医疗卫生项目中，关于医用气体管材选择孰优孰劣，时常引发争议。对此，笔者根据医用气体管道的技术特性和输送要求，从管材标准、洁净度要求、机械性能、耐腐蚀性、焊接工艺、以及经济性等方面就医用气体管道选用铜管和不锈钢管进行分析，以期提供合理化选择建议。1 技术分析1.1医用气体管道特性医用气体用于治疗、诊断，或用于驱动外科手术工具，因其直接作用于人体，对气体组分、压力、以及洁净度有严格的要求。医用气体从气源至终端的输送过程中，为避免因泄漏、污染等因素引起医用气体品质的变化，医用气体管道应具有良好的洁净度、耐腐蚀性和密闭性。医用气体管道多属压力管道安全技术监察范围，要求安全可靠，除了承受一定压力外，还具有系统多、分支管多、介质种类多（如医用氧气、医用压缩空气、医用真空、氧化亚氮、二氧化碳、氮气、麻醉废气、各种混合气等）、介质特性复杂（如助燃性、麻醉性、窒息性、带病菌等）、管材品种多等特点。医用气体管道因输送的安全性和卫生学要求，以及其输送介质的特殊性和重要性，使其有别于民用建筑中常见的公用管道。医用气体及其管道的这些特性，具有一定的危险性，出现问题的几率多，一旦发生事故，不仅对病人的治疗和手术的安全性带来严重威胁，而且会对他人造成伤害。因此选用安全优质的管材、合理的施工连接方式，可以提高医用气体系统的安全性和稳定性，降低事故出现的几率。1.2管材标准随着科学技术的发展和专业化市场的需求，国内医用气体管材标准也在不断发展进步。2008年5月份开始实施的有色金属行业标准YS/T650医用气体和真空用无缝铜管规定了针对医用气体系统专用铜管材的技术要求，采用牌号为TP2、TU1的铜管，即磷脱氧铜管和无氧铜管，在该标准颁布实施以前，医用气体系统铜管标准主要采用GB/T18033无缝铜水管和铜气管。YS/T650标准与GB/T18033标准的主要区别为化学成分、性能指标，以及尺寸公差等方面。YS/T650标准的制定参考了欧洲标准BS EN 13348铜及铜合金医疗气体或真空用无缝圆铜管，其技术指标均不低于BS EN 13348。相比GB/T18033标准，YS/T650标准不仅技术指标高，还对管道内表面质量指标碳含量和表面润滑剂残留量作出了严格规定。目前，国内尚未有针对医用气体使用的不锈钢管材专用标准，不锈钢管标准主要采用GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管标准，常用牌号以0Cr18Ni9为主，也称304不锈钢。GB/T14976标准对管材的清洁度无要求，根据医用气体工程技术规范征求意见稿，不锈钢管的清洁度也应达到内表面碳残留量不超过20mg/m2，且无毒性残留，以符合医用气体管道卫生学的要求。根据YS/T650和GB/T14976标准，医用气体工程中常用管材规格见表1。表1 TP2、TU1铜管与0Cr18Ni9不锈钢管常用管道规格公称直径外径壁厚铜管不锈钢管DN10120.8142.0DN15151.0222.0DN20221.2252.0DN25281.2322.5DN32351.5382.5DN40421.5452.5DN50542.0573.0DN65672.0763.0DN80892.0893.0DN1001082.51083.5500元以上1224%DN1251332.51333.5DN1501593.515945、你认为一件DIY手工艺制品在什么价位可以接受？1.3机械性能8、你是如何得志DIY手工艺制品的？管材的机械性能决定了其加工性能和施工安装方式，铜管与不锈钢管的力学性能差异决定了铜管与不锈钢管的不同机械性能，对管道的施工安装影响也不一样，TP2、TU1铜管与0Cr18Ni9不锈钢管的力学性能对比见表2。表2 TP2、TU1铜管与0Cr18Ni9不锈钢管的力学性能管材状态抗拉强度不小于，MPa伸长率不小于，%维氏硬度（4） 创新能力薄弱TU1、TP2市场环境所提供的创业机会是客观的，但还必须具备自身的创业优势，才能使我们的创业项目成为可行。作为大学生的我们所具有的优势在于：软（M）22040虽然调查显示我们的创意计划有很大的发展空间，但是各种如“漂亮女生”和“碧芝”等连锁饰品店在不久的将来将对我们的创意小屋会产生很大的威胁。4070半硬（Y2）300-400元1632%25025在我们学校大约有4000多名学生，其中女生约占90%以上。按每十人一件饰品计算，大概需要360多件。这对于开设饰品市场是很有利的。女生成为消费人群的主体。75100硬（Y）2901000Cr18Ni952035200由表2可知，不锈钢管的机械性能要优于铜管，其抗拉强度、硬度均远高于铜管，能承受较强的内、外部荷载，施工时管道表面质量易于保护，管道支架间距大，管道稳定性好，当管道公称直径大于DN40时，管道支架间距优势明显。相比不锈钢管，铜管则容易产生夹伤、锤痕、凹坑等机械损伤，管道易弯曲、变形，施工时应注意保护管道，合理设置管道支撑件。铜管与不锈钢管的水平管道支架最大间距对比见表3。表3 TP2、TU1铜管与0Cr18Ni9不锈钢管水平管道支架最大间距管道公称直径101520253240506580100125铜管1.51.52.02.02.52.52.53.63.03.03.0不锈钢管1.72.22.83.33.74.25.06.06.77.78.9医用气体管道系统具有分支管多的显著特点，一所综合医院往往超过几千只医用气体终端，根据目前市场上气体终端的技术规格，与终端连接的医用气体支管一般不超过DN15。铜管屈服强度低，冷状态下易于弯管，小于DN20的半硬铜管弯头可采用手动弯管器现场弯制替代成品弯头，施工简单、减少焊缝、安装效率高。以上海地区某900床、建筑面积7万平方的医院为例，各种规格的医用气体管道总长度约24.2km，其中DN10管道长度约8.2km，DN15管道长度约10.8km，小于DN20的支管占整个管道系统工程量比例高达78.5%。可见，采用铜管比不锈钢管能显著减小施工难度，提高工程进度。医院是功能复杂的公共建筑，需配套的公共辅助设施多，走廊吊顶内除布置有医用气体管道外，还有大量的电力、通信、冷水、热水、消防、空调、通风等各种管线。受吊顶高度、管线间距、施工工具等因素制约，医用气体管道安装时，经常发生施工人员利用管材的塑性而不按施工规范强行施工。所以，在选择医用气体管材时有必要考虑管材与管件连接处的扭曲因素，铜管相比不锈钢管柔韧性好、适应性强，可以弥补施工中的不足。1.4耐腐蚀性医用气体管道工况条件稳定，实际工程中一般不对管道采取额外的防腐蚀措施，管道的耐腐蚀能力完全依赖管材自身的化学特性实现。铜管与不锈钢管是两种化学特性截然不同的管材，不同的化学成分决定引起腐蚀的工况条件的差异。TP2、TU1铜管与0Cr18Ni9不锈钢管的化学成分分别见表4、表5。表4 TP2、TU1铜管的化学成分管材Cu+AgSnPbPSNiFeSbAsBiOTU1、TP299.850.010.0050.0130.050.0050.010.0050.0020.0050.0050.01表5 0Cr18Ni9不锈钢管的化学成分管材CSiMnPSNiCr0Cr18Ni90.071.002.000.0350.0308 111719由表4可知，TP2、TU1铜管中铜成分含量占99%以上，铜管的耐腐蚀性主要依赖铜本身的化学特性。铜管长期暴露在大气环境中，铜与氧气反应生成氧化亚铜（CuO），在铜管表面形成致密的保护层，保护内部的铜不再氧化。但在潮湿环境中，二氧化硫、二氧化碳、硫化氢会与氧化铜发生反应生成碱性碳酸铜（CuCO3.Cu(OH)2），俗称铜绿，铜绿的产生会加剧铜管的腐蚀。另外，由于铜对氧化剂的钝化作用较弱，水中溶解氧也是铜管腐蚀的一大因素。由表5可知，0Cr18Ni9不锈钢管中镍成分含量811%，铬成分含量1719%，其耐腐蚀性主要依靠镍和铬。与铜管一样，当不锈钢管长期暴露在大气环境中，镍、铬与氧气反应生成氧化镍（NiO）、氧化铬（Cr2O3）、氧化铁铬（FeO. Cr2O3），在管道表面形成致密的氧化物膜，可有效阻止氧化反应继续深入。一旦这种氧化物膜受到破坏，管道表面将发生锈蚀，形成疏松的氧化铁，管道耐腐蚀能力将减弱。0Cr18Ni9不锈钢是非超低碳不锈钢，其碳成分含量高于0.03%，通过固溶处理后方具备良好的耐腐蚀性能。不锈钢管焊接时，焊缝两侧被加热至400910度，达到晶间腐蚀敏化区，这时晶间的铬和碳化合生成Cr23C6从固溶体中沉淀，在晶间产生贫铬区，容易发生晶间腐蚀。所以，不锈钢管道虽然整体耐腐蚀性能优越，但是焊接还是会使焊缝及热影响区的耐腐蚀性能大大下降，管道强度和延性明显下降，甚至发生晶粒脱落。为了防止不锈钢管焊接后出现晶间腐蚀的情况，一般需进行退火处理消除晶间腐蚀倾向，但因受施工现场条件限制却很少采用。另外选用超低碳不锈钢或含钛等稳定性化学元素的不锈钢，可以防止晶间腐蚀，但这大幅度增加了管材成本。医用气体管道室内一般敷设在专用管井或走廊吊顶内，外部工况条件稳定，管道外部腐蚀较轻，以内部腐蚀为主。无论铜管还是不锈钢管，其内部腐蚀程度主要由医用气体的化学特性和气体品质决定。对于正压管道，根据药典以及其它相关规范的要求，医用氧气、医用压缩空气等正压气体性质稳定，露点温度基本小于-20，管道内部腐蚀甚微。对于医用真空等负压管道，管内介质呈气液多相变化、组分复杂、甚至含有病毒等微生物，容易引发管道内部腐蚀。由于铜管对氧化剂的钝化作用弱于不锈钢管，其内部腐蚀程度大于后者，但是铜离子具有抑制细菌和病毒的作用，有利于吸引废气的安全排放，从卫生防疫和环保的角度考虑，医用真空管道的管材优先考虑选用铜管。1.5焊接工艺焊缝质量的好坏是影响管道安全运行的关键因素，根据医用气体管道特性，为保证管道良好的密闭性，管道与管道、管道与附件之间的连接均采用惰性气体保护下的焊接连接。铜管连接时，为提高焊缝连接强度和严密性，采用承插式硬钎焊连接。不锈钢管道采用氩弧焊或等离子焊，可有效消除管道氧化现象，形成清洁焊缝，并防止管道内产生氧化颗粒物。铜管的硬钎焊连接，钎料以铜磷钎料和低银钎料为主，焊后在焊缝区涂清漆一度，以防止焊缝区锈蚀。由表4可知，TP2、TU1铜管中磷成分含量占0.0130.05%，氧成分含量低于0.01%，含磷有利于钎料流动，提高焊接强度，含磷成分和管道脱氧还有利于降低焊缝内氧含量，提高焊缝的耐腐蚀能力。在医用气体管道施工中，铜管焊接钎料推荐采用低银钎料，虽然钎料成本会略有提高，但是焊缝接头强度高、焊缝质量容易控制、操作便捷，生产效率高，尤其是在小口径铜管钎焊中采用低银钎料更显其合理性。不锈钢管道的焊接方式以承插和对接式熔融焊为主，焊接工艺难度大、高空作业时不利于施工、辅助用工多、对焊工技能要求高，小口径薄壁管易焊穿，管内侧焊缝根部不易保护，会直接影响焊缝强度与管内壁耐腐蚀性。不锈钢管道焊接时，焊缝处容易产生晶间腐蚀，降低了管材的耐腐蚀性，焊后应进行退火或酸洗钝化处理。不论铜管还是不锈钢管，都有比较成熟的焊接工艺，均可形成良好质量的焊缝，满足医用气体管道的连接要求。在焊接工艺、焊缝质量可控性、焊接效率、焊后处理等方面，铜管相比不锈钢管更具优势；在焊接变形程度、焊缝接头强度、焊接材料成本上不锈钢管则优于铜管。2 经济分析2.1管材价格出于项目成本控制、市场竞争等因素，业主和医用气体工程承包商往往选用性价比较高的管材来实施项目。近几年，国内对铜和不锈钢的需求持续上涨，铜管和不锈钢管价格也不断拉高，由于铜和镍的原材料价格波动较大，笔者仅根据2011年7月份的上海地区金属交易市场价格，对医用气体铜管和不锈钢管作经济性比较。从目前的市场报价情况来看，医用气体铜管的价格取当日铜现货均价和铜管加工费二者之和，加工费包含脱脂费用；不锈钢管的价格为管材价格和脱脂价格二者之和。管道规格按表1统计，管材脱脂要求均以满足YS/T650标准为前提，TP2铜管与0Cr18Ni9不锈钢无缝管的7月份市场均价见表6。表6 2011年7月份铜管与不锈钢管价格公称直径材料价格（元/吨）加工费（元/吨）小计（元/吨）每米单价（元/m）铜管不锈钢管铜管不锈钢管铜管不锈钢管铜管不锈钢管DN10714003400078003600792003760019.8422.48DN15714003050073003600787003410030.8133.98DN20714003050073003600787003410054.9239.08DN25714002950073003600787003310070.7760.82DN327140029500730036007870033100110.5773.18DN407140029000730036007870032600133.6886.29DN507140029000730040007870033000228.85133.18DN657140028600780040007920032600287.88177.86DN807140029300830040007970033300387.74214.04DN1007140029200930040008070033200595.12302.51DN12571400286001030040008170032600745.26368.11DN150714002880010300400081700328001243.25506.63由表6可知，除DN10、DN15的管材外， DN32以上的不锈钢管折合每米单价远低于铜管，单价对比见图1。图1 2011年7月份铜管、不锈钢管价格对比2.2工程实例以上海地区某900床、建筑面积7万平方的一家三甲医院为例，就医用气体管材采用铜管和不锈钢管作简单经济比较，管材直接费用见表7。表7 某医院医用气体管材直接费用对比管道规格管道长度（m）单价（元/m）管材费用（元）铜管不锈钢管铜管不锈钢管DN10820019.8422.48162688184336DN151080030.8133.98332748366984DN20130054.9239.087139650804DN25150070.7760.8210615591230DN32950110.5773.1810504269521DN40150133.6886.292005212944DN50350228.85133.188009846613DN65400287.88177.8611515271144DN80300387.74214.0411632267212DN100160595.12302.519521948402DN12560745.26368.114471622087DN150301243.25506.633729815200合计24200/12868841043475由图1和表7可知，简单折合每米单价，铜管平均价格约是不锈钢管的1.52倍，而实际工程中，小于DN32的小口径管材用量比例高，管材单价接近，管材直接费用铜管仅比不锈钢管高出23%。由于三通、弯头等管件的生产工艺差别，目前市场上不锈钢管件比铜管件价格高出约11.5倍。综合对比后，医用气体管材选用不锈钢管比铜管在经济性上只略具优势。3 发展情况目前，国内涉及医用气体系统管材选用的规范主要有YY/T 018694医用中心供氧系统通用技术条件、YY/T 018794医用中心吸引系统通用技术条件和GB50333-2002医院洁净手术部建筑技术规范，相关条文归纳如下：压缩气体管路选用不锈钢管和脱氧铜管，真空系统管路可采用镀锌钢管和非金属管。笔者调研了国内部分三甲医院和医用气体工程公司，知悉目前国内医用气体管材基本上以铜管和不锈钢管为主，部分负压管路采用镀锌钢管和PVC管。镀锌钢管因其耐腐蚀性差、易泄漏等缺点，正逐步被铜管和不锈钢管替代。PVC管因质量可控性差，耐火极限不能满足消防要求，仅能有限使用。由于施工难度低、施工质量可靠，在洁净手术部、ICU等重要医疗场所，医用气体管材基本上选用铜管。根据医用气体工程技术规范征求意见稿的相关条文，医用气体管材均应采用无缝不锈钢管或无缝铜管，鉴于铜管材的诸多优秀特性，尤其是在满足卫生学要求上，规范建议采用无缝铜管。可见，选用铜管作为医用气体管材已是未来医院建设的趋势。在欧美等发达国家，在医用气体系统设计、安装等方面已有非常完整的设计导则和技术标准，如HTM02-01,、ISO 73961-1、BS EN 737、NFPA99C等，在这些标准中铜管是医用气体系统的指定或首推管材。我国YS/T650标准的技术指标也完全符合HTM02-01、ISO 73961-1、BS EN 737、NFPA99C等标准的要求。随着国内医院建设水平和管理理念的提高，医用气体系统的重要性得到了更为广泛的关注，无论是工艺设计、设备选型，还是系统安装，均逐步与国际接轨。对比国内、外的发展情况，铜管在医用气体工程中的应用将越来越普及。4 结论与建议铜管和不锈钢管均具有较好的强度、良好的耐腐蚀性能和加工性能，均可作为医用气体管道的优质管材选用，不建议采用镀锌钢管和非金属管道。不锈钢管与铜管相比具有更好的强度、刚度、耐腐蚀性和经济性，但在使用中焊接难度大，有害残留不易清除，难以满足卫生学要求。在有外部荷载影响和外部腐蚀等恶劣工况下，不锈钢管相比铜管具有更长的工作寿命。铜管对现场施工条件适应性强、施工难度低、安装效率高，有专门针对医用气体系统的铜管标准，整体施工质量优于不锈钢管，并具有抑制细菌和病毒的作用， 是国际医用气体标准中指定或首推管材，在国内应推广使用。鉴于国内医用气体工程建设的现状，不锈钢管依然会有比较广泛的应用，希望相关部门也能够及早出台专门针对医用气体系统的不锈钢管材标准，以满足细分市场的不同需求。参考文献1.医用气体和真空用无缝铜管YS/T650-20072.无缝铜水管和铜气管GB/T18033-20073.流体输送用不锈钢无缝钢管GB/T14976-20024.医用中心供氧系统通用技术条件YY/T 0186945.医用中心吸引系统通用技术条件YY/T 0187946.医院洁净手术部建筑技术规范GB50333-20027.医用气体工程技术规范征求意见稿8.上海金属网，网址：9.我的不锈钢网，网址：精品文档