涇惠渠灌區(qū)徐木抽水站壓力管道選材探討

文　燕，李　潔

(1.陜西省涇惠渠管理局 陜西 三原 713800；2.陜西省投資項(xiàng)目評審中心 陜西 西安 710006)

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涇惠渠灌區(qū)徐木抽水站壓力管道選材探討

文燕1，李潔2

(1.陜西省涇惠渠管理局 陜西 三原 713800；2.陜西省投資項(xiàng)目評審中心 陜西 西安 710006)

針對涇惠渠灌區(qū)徐木二級抽水站壓力管道的選材進(jìn)行研究，通過五種適用管材的優(yōu)缺點(diǎn)和性能比較，結(jié)合工程實(shí)例，采用功能成本理論進(jìn)行比選，最終認(rèn)為徐木抽水站壓力管道選用球磨鑄鐵管(DIP)最為合理。

壓力管道；綜合投資；功能指數(shù)；成本指數(shù)；價(jià)值指數(shù)

徐木二、三級泵站建成于上世紀(jì)七十年代，從涇惠渠一支渠取水。原設(shè)計(jì)灌溉三原縣徐木鄉(xiāng)農(nóng)田4萬畝，設(shè)計(jì)流量1.19 m3/s，二、三級總揚(yáng)程151 m，總裝機(jī)功率2 880 kW。2000年到2004年，涇惠渠管理局利用世界銀行貸款項(xiàng)目中低產(chǎn)田改造資金對徐木二、三級泵站渠道工程進(jìn)行了襯砌改造，抽水站灌區(qū)灌溉面積擴(kuò)大到包括三原縣徐木鄉(xiāng)、富平縣淡村鄉(xiāng)、呂村鄉(xiāng)等三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)9.8萬畝農(nóng)田，按照灌區(qū)農(nóng)作物種植比例和灌溉制度，確定設(shè)計(jì)流量需要擴(kuò)大到3.6 m3/s，新的設(shè)計(jì)將二三級站合并為一級，設(shè)計(jì)揚(yáng)程132.52 m，1#、2#泵選用DFMS600-78×2(Q=1.288 m3/s，H=141.87 m，N=2 500 kW)，3#、4#泵選用DFM400-6N/4(Q=1.288 m3/s，H=141.87 m，N=2 500 kW)，總裝機(jī)7 500 kW。1#、2#泵進(jìn)水管徑為DN700(吸水管均為2根)，出水管徑為DN800，3#、4#泵進(jìn)水管徑為DN700，出水管徑為DN600，1#、2#泵并聯(lián)后出水管徑為DN1200，3#、4#泵并聯(lián)后出水管徑為DN800，為優(yōu)化泵站改造方案，本文就輸水壓力管道的管材選擇進(jìn)行專題研究。

1　工程區(qū)概況

泵站地處渭北源區(qū)，屬大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫13.4℃，極端最高氣溫42℃，極端最低氣溫-24℃，最冷月平均氣溫-5.6℃，最大凍土深度0.41 m；全年日照時(shí)數(shù)2 200 h，無霜期232 d，年蒸發(fā)量1 212 mm。年降水量520.9 mm，最大降水量822.6 mm，最小降水量409.5 mm，年平均降水67.5 d，降水時(shí)空分布不均，7-9月降水占全年降水總量的50%～60%，但汛期暴雨較多，對渠道和壓力管道有沖毀破壞作用。

工程區(qū)位于陜北黃土高原南緣地帶，地形主要以黃土梁和黃土卯為主，沖溝較發(fā)育，管坡處為人工堆積素填土，有變形，局部滑塌，具中等壓縮性，部分為自重濕陷性Ⅱ級場地。地下水對混凝土無侵蝕性?；镜卣鹆叶葹棰鞫?。管坡處坡比1:1.2～1.4。

2　常用管道的性能特征

不同管道材料，其水力學(xué)特性、耐久性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度等均不同，管材是影響工程造價(jià)的主要因素。經(jīng)對供水工程中常用的中等壓力、大中口徑的輸水管材進(jìn)行多方調(diào)研，目前常用的管材主要有：鋼管(SP)、球磨鑄鐵管(DIP)、預(yù)應(yīng)力混凝土管(PCP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、鋼絲網(wǎng)塑料骨架復(fù)合PE管，其特性比較如下：

1)鋼管(SP)

優(yōu)點(diǎn)：管材具有良好的力學(xué)性能，韌性好，耐壓高，可以承受極高的內(nèi)壓和較高的外壓。施工敷設(shè)方便，適應(yīng)性強(qiáng)，能適合用于高壓段、地形復(fù)雜段和穿越各種障礙物，接口形式靈活，運(yùn)輸方便，單位長度重量較輕。

缺點(diǎn)：主要弊端是內(nèi)外防腐處理麻煩。首先外防腐的問題很關(guān)鍵，其外防腐質(zhì)量的好壞直接影響其使用壽命?，F(xiàn)在國內(nèi)鋼管的外防腐主要為遮蓋型做法，對于鋼管要求均為加強(qiáng)型或特加強(qiáng)型外防腐，有部分地區(qū)推行陰極保護(hù)。對于遮蓋型的外防腐辦法一般為涂料如石油瀝青、環(huán)氧煤瀝青等，后者在低溫時(shí)不易固化，而且在現(xiàn)場焊口施工時(shí)問題更多，也用過氯磺化聚乙烯，由于溶劑大多，易生針孔，抗擊穿不合格，部分地區(qū)明確不再使用。對于陰極保護(hù)其防腐效果比較好，但是由于采用犧牲陽極的辦法，在運(yùn)行中必須定期更換陽極，增高了運(yùn)行費(fèi)用和工作。內(nèi)壁處理問題，一般采用的方法有三種：防腐涂料、樹脂砂漿、水泥砂漿。三種辦法都存在兩個(gè)問題：一是防腐層與鋼管的粘結(jié)強(qiáng)度問題。對于防腐涂料和樹脂砂漿兩種方法都要求鋼管內(nèi)表面完全除銹才能施工，但這很難做到完好。因此銹點(diǎn)部分就造成了日后分層剝離的起源，形成腐蝕和結(jié)垢；二是鋼管絕大多數(shù)都是現(xiàn)場對焊施工，在焊完后進(jìn)行防腐。只能是人工進(jìn)行，質(zhì)量不易控制，而且對于直徑較小的管，由于人員無法進(jìn)去施工，就不再防腐了，也造成了日后焊縫破壞的隱患。根據(jù)有關(guān)鋼管的爆管事故分析，主要是焊縫質(zhì)量不高或焊縫腐蝕造成的。圖1為某灌溉二級泵站壓力管道變形后焊縫破損漏水情況，該泵站揚(yáng)程110 m，壓力管道采用DN1 600壓力鋼管，使用約30年后，管坡管床混凝土老化、沉降、破裂嚴(yán)重，導(dǎo)致壓力出水管道支墩、鎮(zhèn)墩沉降，管道變形，震動嚴(yán)重，同時(shí)，管道內(nèi)部磨損嚴(yán)重。

2)球磨鑄鐵管(DIP)

優(yōu)點(diǎn)：球磨鑄鐵管(DIP)是由經(jīng)過球化處理的優(yōu)質(zhì)鐵水用離心鑄造工藝生產(chǎn)的，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊韌性和延伸率、韌性、延伸性均較好，承受壓力較高[2]，采用橡膠接口，柔性較好，對地基適應(yīng)性較強(qiáng)；防腐能力較鋼管強(qiáng)(在工廠已經(jīng)做好)；有標(biāo)準(zhǔn)配件，適用于配件及支管較多的管段，承插接口安裝方便。通常情況下使用壽命50 a。我省某城市供水工程主管道近50 km供水管道，管徑DN1 200—DN1400，由于地形條件的限制，管線縱斷面呈U形布置，管道最大凈水壓力達(dá)160 m，管道最大水錘壓力60 m，均采用球墨鑄鐵管，管道外防腐采用環(huán)氧煤瀝青，內(nèi)防腐采用水泥沙漿襯里，使用近10年，運(yùn)行狀態(tài)良好。

缺點(diǎn)：老化、熱脹冷縮大，不宜長時(shí)間受日光照射，抗壓功用差，施工欠妥易引起變形性差，可撓度差。在高壓管網(wǎng)，一般不使用。由于管體相對笨重，安裝時(shí)必須動用機(jī)械。打壓測試后出現(xiàn)漏水，必須把所有管道全部挖出，把管道吊起至能放進(jìn)卡箍的高度，安裝上卡箍阻止漏水[3]。

圖1　某灌溉二級泵站壓力管道變形后焊縫破損漏水圖

3)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管(PCP)

優(yōu)點(diǎn)：剛度大，耐壓較高，抗震性好，插式膠圈柔性接口，對地基的適應(yīng)能力較強(qiáng)，施工安裝方便，管材自身防腐能力強(qiáng)，不需要進(jìn)行內(nèi)外防腐處理，工程造價(jià)低，對于中小口徑低工壓管線具有一定的競爭力，并可節(jié)約鋼材，當(dāng)管道壓力較小(小于1.0Ppa)時(shí)比其他管材經(jīng)濟(jì)。

缺點(diǎn)：承插接口的加工精度較差，重量較重，安裝不方便，輸水安全性相對較差。對大口徑高工壓管線需有確切的質(zhì)量保證條件下才能使用。圖2為縣城供水工程使用DN400預(yù)應(yīng)力混凝土管道，運(yùn)行約20年后，接頭橡膠圈老化萎縮、脫落，頻繁發(fā)生管接頭膠圈脫落射出事故。

圖2　混凝土管道接頭損壞和修復(fù)圖

4)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)

優(yōu)點(diǎn)：同時(shí)綜合了鋼管的高抗?jié)B性和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管的耐久性的優(yōu)點(diǎn)，可承受高內(nèi)壓和外部荷載(0.4～2.0 MPa，甚至更高)，接頭密封性好，承插口為鋼制，膠圈接口，對地基適應(yīng)能力及抗震性能好，耐腐蝕性能好，管道運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、安全。在其設(shè)計(jì)工況下使用壽命長(國外使用安裝的管子已安全使用超過50 a，國內(nèi)使用的管子也無質(zhì)量問題報(bào)道)[2]。

缺點(diǎn)：管道重量重，露天安裝受外界環(huán)境影響較多，特別是在夏季暴曬遇到暴雨，噴涂混凝土層容易炸裂，得不到及時(shí)修補(bǔ)的情況下，冬季管道上積雪晝夜反復(fù)融化和凍結(jié)的過程將加劇噴涂混凝土層碳化龜裂，導(dǎo)致保護(hù)層鋼筋網(wǎng)銹蝕斷裂，影響工程的安全運(yùn)行。圖3為某灌溉三級泵站壓力管道，該站揚(yáng)程60 m，壓力管道使用明設(shè)鋼筒混凝土管，使用約15 a后，管道外壁噴涂的細(xì)石鋼筋混凝土保護(hù)層出現(xiàn)大面積龜裂、脫落現(xiàn)象，保護(hù)層鋼筋網(wǎng)銹蝕斷裂，影響管道正常運(yùn)行，管道接口裂縫滲漏。其再持續(xù)發(fā)展就成了圖4的情形。圖4為我省某大型泵站鋼筒混凝土管露天安裝使用15年左右的破損情況，該泵站壓力管道使用DN2000預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，其鋼筒混凝土管表層混凝土嚴(yán)重碳化，鋼筋嚴(yán)重繡脹，部分鋼絲斷裂，27.8%管道出現(xiàn)混凝土保護(hù)層大面積空鼓、裂縫、剝落漏筋、斷筋、漏水，多處管道預(yù)應(yīng)力鋼筋已經(jīng)銹斷；15.9%管道表面不同程度出現(xiàn)大面積龜裂、管道強(qiáng)度嚴(yán)重降低，存在安全隱患，經(jīng)鑒定為四類，需拆除重建。

圖3　某大型泵站鋼筒混凝土管身保護(hù)層龜裂

圖4　某大型泵站鋼筒混凝土管管道表面破裂、鋼筋銹蝕

5)聚乙烯管(PE管)

優(yōu)點(diǎn)：PE管具有良好的耐腐蝕性,抗無機(jī)物性能比金屬管強(qiáng)得多，在埋地敷設(shè)時(shí)不需要防腐，施工方便。小口徑PE管在性能價(jià)格比上優(yōu)于鋼管和球墨鑄鐵管。

缺點(diǎn)：苯、汽油、四氯化碳等有機(jī)溶劑對聚乙烯有一定得影響。有機(jī)溶劑如果滲入聚乙烯內(nèi)，會出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象，其物理性能就下降，其耐壓性、耐溫度變化性能較差。

3　常用管材特性比較

(1)從水力學(xué)性能考慮，五種管道的內(nèi)壁糙率(鋼管0.011～0.013；)基本相同，水力性能相當(dāng)。

(2)從經(jīng)濟(jì)的角度比較，同管徑同壓力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)的鋼管價(jià)格最低，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管最高，球墨鑄鐵管和預(yù)應(yīng)力混凝土管價(jià)格居中。

(3)從管道接口來說，鋼管采用焊接，其余管材均為承插口連接、柔性橡膠圈密封對地基適應(yīng)力較鋼管強(qiáng)。PE管采用熱熔連接、無接頭。

(4)從管道重量及施工方面看，鋼管、球墨鑄鐵管重量較輕，施工方便；PE管重量最輕，施工迅速便捷；預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管重量較重，施工不便；另外管道縱坡比為1：1.3左右，坡上管道覆土施工難度大。

(5)從耐腐蝕性角度看，鋼管最差，球墨鑄鐵管次之，均需要防腐處理；預(yù)應(yīng)力混凝土管和鋼筒混凝土管耐腐蝕性能良好，PE管耐腐蝕性能最好。

(6)從管材壽命角度看，如果管道沒有地埋而明設(shè)的話，球墨鑄鐵管要優(yōu)于鋼管和混凝土管。

(7)從安全性及市場信譽(yù)來說，鋼管承壓最高，適應(yīng)性最廣；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管耐高壓性能較差。

表1　五種管材特性比較表

4　不同管道綜合投資費(fèi)用比較

按照陜西省現(xiàn)行水利水電工程概(預(yù))算編制辦法、費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)算定額，采用當(dāng)?shù)?015年3季度價(jià)格水平編制不同管材綜合投資費(fèi)用進(jìn)行比較，成果見表2、3。

表2　DN1200(壓力等級2.5Mpa)壓力管道綜合投資費(fèi)比較表

備注：1、鋼管防腐費(fèi)計(jì)入內(nèi)、外防腐費(fèi)用；PCP管和PCCP管均僅計(jì)入管內(nèi)防腐費(fèi)用。2、管內(nèi)防腐采用“IPN8710-2b”即“脂肪族聚氨酯預(yù)聚物與環(huán)氧樹脂”、兩遍；管外防腐采用“三油兩布”。3、暫沒收集到聚乙烯管相關(guān)數(shù)據(jù)。

表3　DN800(壓力等級2.5Mpa)壓力管道綜合投資費(fèi)比較表

備注：1、鋼管防腐費(fèi)計(jì)入內(nèi)、外防腐費(fèi)用；PCP管和PCCP管均僅計(jì)入管內(nèi)防腐費(fèi)用。2、管內(nèi)防腐采用“IPN8710-2b”即“脂肪族聚氨酯預(yù)聚物與環(huán)氧樹脂”、兩遍；管外防腐采用“三油兩布”。3、暫沒收集到聚乙烯管相關(guān)數(shù)據(jù)。

5　壓力管道選擇比較

從上述特性比較看，不同管道優(yōu)缺點(diǎn)兼?zhèn)?，很難得出哪種管道具有特別適用于該站的突出優(yōu)點(diǎn)，也很難排除某種管道特別不適用于該站的突出缺點(diǎn)，只有聚乙烯管因適應(yīng)管徑問題，不適應(yīng)于本泵站。為此，對球墨鑄鐵管(DIP)、鋼管(SP)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管(PCP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)四種管材，從使用安全性、水力學(xué)特性、地區(qū)適用性、使用壽命、施工難易程度、市場信譽(yù)度等功能角度進(jìn)行比較，使用功能成本法[4]，計(jì)算各種管道價(jià)值指數(shù)，得分最高者為最優(yōu)方案。

5.1各管道方案功能指數(shù)計(jì)算

經(jīng)過專家調(diào)查法(一是對六種功能進(jìn)行重要程度打分，最重要的得分權(quán)重為6，最不重要的得分權(quán)重為1，其他分別為5、4、3、2；二是各種管道的六種功能分別進(jìn)行評分，每項(xiàng)最高的10分，最低的為0分)確定使用安全性、水力學(xué)特性、地區(qū)適用性、使用壽命、施工難易程度、市場信譽(yù)度等功能重要程度系數(shù)分別為6、5、4、3、2、1，專家對各功能指標(biāo)的打分算術(shù)平均值見表4。

表4　各壓力管道功能得分和功能指數(shù)計(jì)算表

表中，使用安全性的重要程度權(quán)重系數(shù)計(jì)算如下：

使用安全性的重要程度權(quán)重=6/(6+5+4+3+2+1)=0.286

球磨鑄鐵管(DIP)功能得分

=0.286×10+0.238×9+0.190×10

+0.143×10+0.095×10+0.048×9

=9.714

球磨鑄鐵管(DIP)功能指數(shù)

=9.714/(9.714+8.048+7.333+7.429)

=0.299

其他管道重要程度權(quán)重、功能得分和功能指數(shù)類推計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表4。

5.2各管道方案成本指數(shù)及價(jià)值指數(shù)計(jì)算

根據(jù)本文前述各管道方案綜合投資計(jì)算成果，計(jì)算成本指數(shù)如下：

DN1200(壓力等級2.5Mpa)球墨鑄鐵管成本指數(shù)

=449.83/(449.83+377.5+382.79+502.08)

=0.263

DN1200(壓力等級2.5Mpa)球墨鑄鐵管成本指數(shù)

=功能指數(shù)/成本指數(shù)

=0.299/0.263=1.137

同樣道理計(jì)算DN1200(壓力等級2.5 Mpa)其他壓力管道價(jià)值指數(shù)見表5，計(jì)算DN800(壓力等級2.5 Mpa)壓力管道價(jià)值指數(shù)見表6。

從表5、6計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種管徑的壓力管道，其球墨鑄鐵管(DIP)價(jià)值指數(shù)分別為1.137和1.207，均大于同管徑其他壓力管道，說明徐木抽水站壓力管道選用球墨鑄鐵管(DIP)最為合理，因此，最終確定徐木抽水站壓力管道選用球墨鑄鐵管(DIP)。

表5　DN1200(壓力等級2.5 Mpa)壓力管道成本指數(shù)和價(jià)值指數(shù)

表6　DN800(壓力等級2.5 Mpa)壓力管道成本指數(shù)和價(jià)值指數(shù)

[1]玻璃鋼管與鋼管的性能比較(百度文庫http://wenku.baidu.com/view/a22d854a2b160b4e767fcf7c.html).

[2]王春敏，王相民.大口徑輸水管材及其比較.混凝土與水泥制品.2004(5)，總139期.

[3]球墨鑄鐵管(速狗百科http://baike.sogou.com/ShowLemma.e sp=l2623570&ch=new.w.search.baike).

[4]劉伊生，王雪青.建設(shè)工程造價(jià)管理.中國計(jì)劃出版社.

2016-07-14

文燕(1973-)，女，陜西三原人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)及管理工作。

P641.2

A

1004-1184(2016)05-0160-04