大口徑輸水工程管材的選擇

楊建新

(天津市自來水集團(tuán)有限公司，天津300040)

運(yùn) 行 管 理

大口徑輸水工程管材的選擇

楊建新

(天津市自來水集團(tuán)有限公司，天津300040)

對鋼管(SP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管(RPM)這4種常用的大口徑輸水工程管材，結(jié)合工程實例從工程特點、水力條件以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面對管材的選擇進(jìn)行了綜合分析,可為同行業(yè)相關(guān)工作提供一定參考。

輸水管道； 大口徑； 管材； 比選

隨著城市用水量的不斷增加，大口徑輸水工程逐年增多，管材的選擇對節(jié)約投資、施工便利、安全運(yùn)行等具有重要的現(xiàn)實意義。大口徑輸水工程中常用的管材有：鋼管(SP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管(RPM)等。筆者就工程特點、水力特點、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面介紹了管材選擇原則。

1 管材比選

1.1 管材的工程特點

(1)鋼管

鋼管一般具有較強(qiáng)的剛度，可以承受較大的內(nèi)外壓力，可以加工成各種形式，適用性極強(qiáng)。鋼管一般多用于穿越障礙以及地理環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域。為了增加使用壽命，在實際應(yīng)用中需要對鋼管進(jìn)行陰極保護(hù)且目前的發(fā)展技術(shù)已經(jīng)相對成熟[1]。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管(PCCP)

預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管由薄鋼板焊接成筒狀，再對內(nèi)外層澆筑混凝土，然后在混凝土外層纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲用砂漿做保護(hù)。

從性能上看，PCCP管抗?jié)B性能高，能承受較高的內(nèi)外荷載。PCCP管具有自動對中的承插接口，安裝方便，在承插結(jié)構(gòu)處采用橡膠圈密封，密封性極好，且具有抗震性能好、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點。從PCCP管的結(jié)構(gòu)形式還可以看出，該種管材不易污染水質(zhì)，使用壽命長，基本上是鋼管的兩倍。但PCCP管自身重量極高，施工難度大[2]。

(3)球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管具有較強(qiáng)的剛性和延展性，以DN2600口徑球墨鑄鐵管為例，其最小抗拉強(qiáng)度為420 MPa，最小屈服強(qiáng)度為300 MPa。其硬度相對較低，因此施工方便，目前在給水工程中得到了廣泛應(yīng)用。

球墨鑄鐵管采用水泥砂漿內(nèi)襯，因此耐化學(xué)腐蝕以及電腐蝕能力都優(yōu)于鋼管，一般無需擔(dān)心電腐蝕情況的出現(xiàn)。水泥砂漿內(nèi)襯還可以有效保護(hù)水質(zhì)，防止輸水過程中的水質(zhì)污染。

(4)玻璃鋼夾砂管

玻璃鋼夾砂管是玻璃纖維與合成樹脂的復(fù)合體，綜合了纖維高強(qiáng)度和合成樹脂粘合力與耐腐蝕好的優(yōu)點，并且強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、使用壽命長、重量輕、便于施工安裝。玻璃鋼夾砂管的結(jié)構(gòu)決定其具有較高的流通性能，內(nèi)壁光滑、粗糙系數(shù)低[3]。

1.2 管材水力特點

從4種管材的工程特性分析可以看出，4種管材的水力特點可以歸結(jié)為兩類：第一類為流通能力較高的管材；第二類為流通能力一般的管材，劃分的主要依據(jù)是各管材的管壁粗糙系數(shù)。第一類管材粗糙系數(shù)不超過0.009，包括玻璃鋼夾砂管；第二類管材粗糙系數(shù)在0.0125左右，包括鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管和球墨鑄鐵管。較小的粗糙度可以有效降低供水過程中的沿程水頭損失，當(dāng)流體以相同的流量通過不同管材的管道時，玻璃鋼夾砂管口徑可以減小，從而有效節(jié)約材料、降低造價，同時減少泵的動力，節(jié)約能源[4]。

1.3 管材經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

以當(dāng)前市場調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，不同管材的直接費用統(tǒng)計如表1所示。從表1可以看出，幾種管材造價高低依次為：球墨鑄鐵管、鋼管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管。

表1 不同管材直接費用對比

2 管材選擇綜合分析

大口徑輸水工程管材的選擇應(yīng)綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管材性能、所能承受的工程荷載、管材管件的來源、運(yùn)輸費用的高低、工程造價的高低、施工的便利性、使用年限的長短、管理工作量的大小等因素。

根據(jù)大口徑輸水工程的特點，管材的選用應(yīng)當(dāng)考慮工程的規(guī)模、重要性、工作壓力、工程地質(zhì)情況、工期要求、資金來源等內(nèi)容。一般而言，鋼管、球墨鑄鐵管、PCCP管比玻璃鋼夾砂管安全性更高，適用于工作壓力較高的情況。

鋼管的使用要特別注意管道的內(nèi)外防腐，防腐質(zhì)量的高低直接影響到鋼管在輸水工程中的使用壽命，目前使用比較廣泛的兩種有效的陰極保護(hù)方法為犧牲陽極和外加電流。

球墨鑄鐵管是近年來使用較多的一種管材，但是從管道特性和管道價格上可以看出，球墨鑄鐵管更適用于口徑小于1 000 mm的情況。

PCCP管是一種相對經(jīng)濟(jì)的管材，在該管材使用之初，為了保證輸水的安全性，口徑一般不宜超過2 000 mm。但隨著新技術(shù)的發(fā)展，在國內(nèi)外已有4 000 mm口徑的PCCP管線運(yùn)行成功的案例出現(xiàn)。

玻璃鋼夾砂管的應(yīng)用也比較廣泛，但在應(yīng)用于實際工程之前一定要做好出廠管材的質(zhì)量檢測，根據(jù)不同的工程特點選擇合適的剛度，輸水管材的剛度一般不應(yīng)<5 000 N/m2。在土壤腐蝕性比較強(qiáng)的區(qū)域，鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管會受到一定的限制，而玻璃鋼夾砂管就會得到廣泛的應(yīng)用[5]。

3 工程實例分析

某市新建西河泵站至宜興埠泵站原水管道工程，是該市南水北調(diào)市內(nèi)配套工程的重要組成部分。工程全長約11.7 km，工程起點為西河泵站，依次穿越子牙河北岸、小辛莊大街、朝陽寺大街、志成道快速路等施工難點，再沿外環(huán)線、京津塘高速公路最終達(dá)到宜興埠泵站，總輸水能力110×104m3/d，管道口徑DN2600。根據(jù)新建西河泵站的水位標(biāo)高、宜興埠泵站前池水位的標(biāo)高，通過對管道損失的驗算，該管道的出水壓力控制在0.3～0.4 MPa。該工程即為典型的大口徑輸水工程，工程投資高，因此必須對管材選擇進(jìn)行綜合分析。

3.1 管材選擇原則

新建西河泵站至宜興埠泵站原水管道工程輸水管線距離較長，投資大，因此必須對工程造價進(jìn)行合理確定，確保技術(shù)先進(jìn)，施工便捷，運(yùn)行安全，對水質(zhì)污染程度低，且使用壽命長。

結(jié)合城市輸水的特點，不難看出管材的安全可靠性是工程的生命線，一旦出現(xiàn)大口徑輸水管道爆裂，將會對生活生產(chǎn)帶來巨大損失，管線周圍的建筑也將受到?jīng)_擊。因此對于大口徑輸水管線來說，管材的質(zhì)量是進(jìn)行管線選擇時考慮的首要因素。

3.2 管材的確定

管材選擇中質(zhì)量的考核，不僅要對管材的生產(chǎn)工藝、原材料以及出廠質(zhì)檢報告進(jìn)行考核，還需要對其實際運(yùn)行中的穩(wěn)定性進(jìn)行考核，尤其是常年運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外還需要對管材的價格、使用壽命、運(yùn)行費用、施工便捷性、施工費用等進(jìn)行綜合對比。

通過對幾種管材的比較，工程難點部位采用鋼管，外防腐采用環(huán)氧煤瀝青特加強(qiáng)級，內(nèi)防腐采用水泥砂漿襯里，再配合陰極保護(hù)措施；在施工條件好的地段，可選用PCCP管。其中PCCP管長度為3 906 m，鋼管長度為7 948 m，鋼管防腐采用陰極保護(hù)措施，采用平行式地床與管道同槽鋪設(shè)、同時施工。陽極間距為200 m，全線共70支，電位分布均勻。同時，合理布置閥門、伸縮節(jié)、排氣閥、泄壓閥等，有效降低管道水錘事故發(fā)生，確保管線運(yùn)行的安全性。

4 結(jié)語

新建西河泵站至宜興埠泵站原水管道工程建成后，進(jìn)一步改善了該市原水管道現(xiàn)狀，保證了水源供水壓力，社會效益明顯。目前工程運(yùn)行狀態(tài)良好，從運(yùn)行情況可以看出，工程選材安全合理，節(jié)約了大量的投資資金，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 鐘瑞.長距離輸水工程有關(guān)技術(shù)問題的探討[J]. 江西建材，2015(18):134.

[2] 袁永欽,匡科,沈軍,等.西江引水工程預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的質(zhì)量控制[J]. 中國給水排水,2011,27(24):1-4.

[3] 劉芳,劉前軍,周勝昔.大口徑長距離輸水管線的優(yōu)化設(shè)計[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì),2013,19(6):64-66.

[4] 劉鳳英.長距離管道輸水工程的管材選用[J]. 河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2007(3):8-9.

[5] 徐立新.引黃濟(jì)津市內(nèi)輸水管線工程的優(yōu)化設(shè)計[D]. 天津:天津大學(xué),2006.

TU991.63

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1673-9353(2016)06-0059-03

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.06.015

楊建新(1970- )， 男， 政工師， 主要從事給排水工程管理工作。E?mail：jianxin8818@163．com

2016-09-08