內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管在跨江管道上的工程應用

李秋莎

(福州城建設計研究院有限公司 福建福州 350001)

內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管在跨江管道上的工程應用

李秋莎

(福州城建設計研究院有限公司 福建福州 350001)

重點闡述了福建省福州市金山大橋跨江供水管道工程的管材選擇過程、工程設計要點和施工焊接方法，并利用實際測壓、測流資料反算出新舊管材的海曾—威廉系數(shù)，核算新型管材通水后的使用效果，認為跨江供水工程中采用內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管工藝，具有水頭損失小、耐腐蝕能力強的特點，能為城市供水安全提供更好的保障。其次，基于該工程為福州市首次采用新型管材進行跨江供水工程，在異型材料管配件連接和新型管材本身的特殊焊接工藝上仍顯經(jīng)驗不足，建議今后類似工程中盡量采用與主管材材質相同的管配件，而且要針對內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管的特殊焊接工藝引進專業(yè)技術人員，以方便新型管材檢修維護。

跨江管道；內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管；工程應用

0 引言

金山大橋過江管工程項目于2015年9月啟動施工，2016年1月底完工。本次工程的實施完善了福州市南北岸供水聯(lián)通，為城區(qū)供水安全提供了重要保障。由于普通鋼管耐腐蝕性較差，本次供水管跨江工程中首次全線采用了內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管，并將以此作為試點，在跨江供水工程中推廣應用。本文以金山大橋過江管工程為例，對內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管的應用進行技術總結和討論。

1 項目概況

金山大橋于2000年建成，同步建設DN900供水管，管材為焊接鋼管。與復橋同步新建的過江管工程項目于2015年9月啟動施工，2016年1月底完工。新建管道全長1 184m，全程管徑DN600。管線北起上浦路鳳湖路路口，由鳳湖路DN1800鋼管接出，南至閩江大道南側綠化帶，與金山大道DN800球墨鑄鐵管相連。其中隨橋敷設段總長1 053m，位于新橋上游側，橋梁人行道板挑翼下方，采用管箱懸吊安裝；埋地段總長131m，位于道路北側人行道。

2 管材選擇

架空敷設的過江管道通常采用鋼管，但不同的防腐材料對管材的價格、使用壽命及施工方法均有影響。該工程主要對普通防腐鋼管、內(nèi)外涂塑雙密封復合鋼管以及內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管進行比較。

2.1 管材價格比較

選用的3種管材價格對比如下：

(1)普通防腐鋼管(直縫鋼板卷管)

鋼管規(guī)格D630x11.5，壓力等級1.0MPa，采用單面普通焊接。

內(nèi)防腐：普通級防腐，二道底漆(IPN8710-2B底漆)，二道面漆(IPN8710-2B面漆)，厚度：50(μm/道)，用量：150(g/m2·道)；外防腐：加強級防腐，二道底漆(IPN8710-1底漆)，一層纖維布，二道面漆(IPN8710-3面漆)，底漆厚度：50(μm/道)，面漆厚度：100(μm/道)，用量：200(g/m2·道)。

管材單價：1 600.6元/m。

(2)內(nèi)外涂塑雙密封復合鋼管

鋼管規(guī)格：D630x11.5，壓力等級1.0MPa，為防止焊接損壞防腐層，采用雙密封焊接：內(nèi)環(huán)耐高溫密封硅膠圈法蘭壓實，外環(huán)法蘭外緣電焊連接。

內(nèi)防腐：內(nèi)涂熱熔環(huán)氧粉末，內(nèi)涂層厚度>0.4mm；外防腐：外熱涂聚乙烯粉末，加強級防腐，外涂層厚度>1.5mm。

管材單價：1 232.1元/m。

(3)內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管

鋼管規(guī)格：D630×(10+1.5)，采用10mm厚螺旋縫埋弧焊鋼管作為基管，壓力等級1.0MPa，采用鎢級手工氬弧焊連接。

內(nèi)防腐：1.5mm內(nèi)襯不銹鋼層；外防腐：IPN8710加強級防腐，兩道底漆(IPN8710-1底漆)、一層纖維布、兩道面漆(IPN8710-3面漆)，底漆厚度50(μm/道)，面漆厚度100(μm/道)，用量200(g/m2·道)。

管材單價：2 236.7元/m。

通過以上比較可知，同等壁厚的內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管和普通防腐鋼管，價格相差約40%，而內(nèi)外涂塑復合鋼管價格略低于普通防腐鋼管。

2.2 3種管材優(yōu)缺點比較

3種管材優(yōu)缺點對比如表1所示：

表1 管材優(yōu)缺點比較表

結合該工程實際情況，過江管大部分位于江面上方，后期維護困難較大，同時由于施工中的不確定性，無法避免對管道進行現(xiàn)場切割，故不適宜采用內(nèi)外涂塑復合鋼管。而普通防腐鋼管容易結垢銹蝕，增大管內(nèi)阻力，使水頭損失增加。而內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管雖然造價較高，需要專門的施工技術，但管道內(nèi)部不容易銹蝕，可保證管內(nèi)水流暢通，減小水頭損失[2]。

綜合以上優(yōu)缺點，該工程管材選擇采用內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管。

3 工程設計

3.1 設計參照標準、規(guī)范

目前內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管的管材標準為《流體輸送用雙金屬復合耐腐蝕鋼管》(GB/T 31940-2015)、《給水內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管管道工程技術規(guī)程》(CECS 205:2015)及《內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管》(CJ/T 192-2004)。舊版規(guī)范適用公稱尺寸上限為DN500，近年更新的規(guī)范中，GB/T 31940標準管材規(guī)格尺寸上限為DN1400，CECS 205標準管材規(guī)格尺寸上限為DN1600，CJ/T192標準也已修訂并通過審查，產(chǎn)品標準上限目前擬改為DN1400。該工程中所用的內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管公稱尺寸為DN600，施工及檢驗方法可參照上述標準執(zhí)行。

3.2 管架做法

該工程過江管大部分懸掛于橋梁下方，橋梁施工時每隔2m左右將連接件同步預埋于挑檐下，管箱吊架與預埋鐵焊接連接，底部角鋼上設置管座和檢修平臺，管道置于管座之上，并用管卡固定，除固定端外，管道與管卡之間設置橡膠板，方便管道伸縮。

該工程由于新建復橋T型梁寬度變化較大，采用兩種形式的管架：在引橋段采用的管架凈寬約0.8m，不考慮檢修通道，檢修時由路面搭設腳手架進行操作；在江面上方段采用的管架凈寬約2.0m，考慮檢修通道，施工后將運管小車保留作為檢修用途。兩種管架形式如圖1～圖2所示。

圖1 0.8m管架做法示意圖

圖2 2.0m管架做法示意圖

3.3 架空段伸縮器設置

該工程管道位于金山大橋新舊橋之間，并懸于新橋挑檐下方，受日照影響不大，但由于管道明露，受外界溫度影響仍然較大。根據(jù)《給水排水工程設計手冊(第3冊)城鎮(zhèn)給水》[1]中對于管道明設時伸縮器設置間距的計算方法，選取管道安裝時溫度t1=30℃，最高溫度t2=60℃，最低溫度t3=10℃，最大溫差Δt=30℃，計算出的伸縮器間距最終取值為100m～105m。伸縮器采用SSJB-3型壓蓋式限位伸縮器。

管道每隔約100m，采用鋼管與管座滿焊作為固定端，并保證伸縮器位于兩處固定端中部。

3.4 排氣閥、泄水閥設置

為保證供水管道正常運行及檢修方便，分別于懸掛段上、下橋處以及最高點設置了排氣閥，并于低點設置泄水閥及泄水濕井，連接排氣閥和泄水閥的三通仍采用內(nèi)襯不銹鋼的復合材料，與閥體采用法蘭連接。

3.5 上、下橋支墩設計

考慮支墩尺寸及減小水損，架空管段與埋地管段前后均采用<30°彎頭銜接，彎頭中部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩固定。鎮(zhèn)墩大小4.0m×2.0m，底座5.6m×4.0m，采用Φ200松原木樁基礎。

4 管道施工

4.1 架空管段施工流程

鋼構件管箱、運輸小車、焊接小車預制→現(xiàn)場施工準備→鋼平臺基礎開挖澆砼→鋼平臺制作安裝→管箱安裝→安裝運輸小車及焊接小車→管道吊裝運輸、焊接安裝。

4.2 管道焊接流程

與普通防腐鋼管的焊接方法不同，內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管焊接分為打底焊、過渡焊、填充焊和蓋面焊[3]，如圖3所示。

打底焊(焊道1)：采用手工鎢極氬弧焊，焊接時采用“ER-309L”焊絲施焊。

過渡焊(焊道2)：選擇手工鎢極氬弧焊，焊接時選用Φ2.4mm的“ER-309L”不銹鋼焊絲。

填充焊(焊道3、4)：焊接時選用Φ3.2mm的J507焊條。

蓋面焊(焊道5、6)：焊接時選用Φ4.0mm的J507焊條。

圖3 焊道示意圖

焊接過程中注意對切口的處理和進行手工鎢極氬弧焊時對端口的氬氣保護。

4.3 復合鋼管與鋼制伸縮接頭連接

由于純不銹鋼的伸縮接頭價格較高，該工程仍采用傳統(tǒng)的鋼制限位伸縮接頭。為防止異型鋼材物理、化學性能對焊接造成不良影響，在焊接時也采用“ER-309L”不銹鋼焊絲進行打底焊和過渡焊，保證碳鋼和不銹鋼過渡焊接的性能穩(wěn)定。

5 工程總結

5.1 新舊管粗糙系數(shù)比較

金山大橋在原有DN900防腐鋼管南岸下橋處設置有流量計和壓力表；新建DN600內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管設計時，在北岸上橋處也設置了流量計和壓力表，兩個壓力表之間距離約1 050m。由于兩根管道并聯(lián)供水，頭尾壓力基本一致，可利用兩處壓力表數(shù)據(jù)粗略估算出管道水頭損失。

為比較管道通水能力，取用2016年10月份、11月份，對金山大橋南北兩側的流量及壓力數(shù)據(jù)共61組進行統(tǒng)計，并采用海曾—威廉公式復核Ch值，如式(1)所示：

(1)

式中 h——南北岸壓力差，m； q——設計流量，m3/s； l——管段長度，m，按1 050m計； dj——管道計算內(nèi)徑，m； Ch——海曾—威廉系數(shù)。

經(jīng)計算，原有DN900鋼管Ch值范圍為79.1～90.5，平均值84.5，新建DN600復合鋼管Ch值范圍為129.9～147.0，平均值138.0。根據(jù)Ch值的經(jīng)驗值，新建DN600復合鋼管略優(yōu)于新鑄鐵管、涂瀝青或水泥的鑄鐵管(Ch值130)；原有DN900鋼管僅使用16年，卻相當于使用30年的鑄鐵管(Ch值75～90)。經(jīng)比較可見，原有的DN900鋼管在使用過程中過水能力減弱較嚴重，新建的DN600復合鋼管自1月份竣工至取用數(shù)據(jù)時間，大約運行10個多月，目前水力條件較好，但由于其建成通水未滿一年，且無類似工程項目可參照，應對其進行長期流量壓力監(jiān)測，驗證其使用效果。

5.2 管道通水能力比較

在核算新舊管道Ch值的同時，也取用了DN600過橋管建成前，2015年10月、11月時DN900管道的流量和壓力數(shù)據(jù)作為比較。

根據(jù)所測數(shù)據(jù)結果顯示，2015年10月、11月間，南岸DN900管道下橋處平均壓力為0.2MPa，平均流量4 254.5m3/h，2016年相同月份，DN900管道平均流量3 025.6m3/h，DN600管道平均流量1 701.7m3/h，合計流量4 727.3m3/h，南岸DN900管道下橋處平均壓力為0.23MPa。由此可見，增加DN600管道后，過橋管日供水量增加1.1萬噸，水頭損失減小0.03MPa。新建DN600管道過水量約為原DN900管道的0.56倍。

由于該工程在橋梁基礎已經(jīng)開始施工后實施，限制了新建管管徑，使新舊管管徑差距較大，新建的DN600管道對供水量和過江后的供水水頭增加不明顯。假設相同材料Ch值基本一致的情況下(DN900現(xiàn)狀管道Ch值為84.5，新建DN800管道Ch值為138.0)，新建管道管徑為DN800時，代入海曾—威廉公式進行計算，如式(2)所示：

(2)

得出 q2/q1=1.2

即,新建管道為DN800時，通水能力是現(xiàn)狀DN900管道流量約1.2倍。

6 存在問題及建議

新建DN600內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管在設計和施工過程中存在著以下3個問題：

(1)采用的伸縮接頭材料為碳鋼，雖然焊接時采用過渡焊，使兩種異型鋼材在焊接過程中保留了原有的性質，但在供水過程中隨著離子遷移仍會產(chǎn)生電化學腐蝕，降低了不銹鋼管材的使用壽命。建議在資金許可的情況下盡量采用不銹鋼材質的伸縮接頭，以減小內(nèi)部腐蝕。

(2)該工程實施時受橋梁條件限制，無法放大管徑，造成新舊管管徑差異較大，過流量和水頭增加效果不明顯。建議類似工程應與橋梁設計同步進行，確保新建過江管能獲得更好的經(jīng)濟效益，更大程度改善兩岸供水能力。

(3)內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管在焊接過程中對接口處理要求較高，同時應進行氬氣保護，防止焊接過程中不銹鋼材質改變，需要對焊接施工人員進行專門的培訓，保證焊接質量。

7 結語

改善供水條件，保證居民用水安全緊系民生，嘗試采用質量更優(yōu)的新型管材，雖然在短期內(nèi)增加一次性投資，但從長遠來看，如能減小管道內(nèi)的銹蝕，保持較好的水力條件，也可產(chǎn)生一定的節(jié)能效果，節(jié)省長期運行費用。金山大橋過江管作為首次選用內(nèi)襯不銹鋼復合管材的試點工程，有著極其重要的意義。

[1] 上海市政工程設計研究院.城鎮(zhèn)給水：給水排水設計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2] 李華.不銹鋼復合鋼管的應用價值探討和市場前景分析[J].中國新技術新產(chǎn)品,2010(16):134-135.

[3] 劉春艷,張愛芳,肖少平.內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管焊接[J].化學工程與裝備,2010(16):134-135.

The Application of Lining Stainless Steel Composite Pipe in River-crossing Pipeline Engineering

LIQiusha

(FuZhou CityConstruction Design & Research Institute Co.,Ltd.,Fuzhou 350001)

Based on the analysis of the pipe material selection, engineering design and construction methods, this article makes a point that Lining Stainless Steel Composite pipe has low head loss and strong anticorrosion in Jinshan Bridge river-crossing pipeline engineering. In this paper, the actual pressure and flow rate was used to calculate the Hazen-Williams equation coefficient of the new and old pipe material. According to the coefficient, the effect of the new pipe in water passing is discussing. It is the first time to use new pipe for River-crossing Pipeline Engineering in Fuzhou. However, there is lack of experience in the connection of special material pipe and fitting and the special welding process of new materials. What’s more, this article offers some suggestions that using similar material fitting as the main pipe texture like this project in the future, if possible. In addition, it’s better to introduce professionals about the special welding process who using Lining Stainless Steel Composite Pipe to convenient repair and maintenance.

Cross-river pipeline; Lining stainless steel composite pipe; Engineering application

李秋莎(1986.9- ),女，工程師。

E-mail:241117129@qq.com

2017-01-11

TU991

A

1004-6135(2017)03-0088-04