長輸管道工程管材選擇探析

楊輝琴,李 江,馬 軍,徐 燕

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局,新疆 烏魯木齊 830000)

長輸管道工程因其距離長，所處地形和地質(zhì)條件復(fù)雜、檢修不便等特點，所以對管材的承壓能力(內(nèi)壓和外壓)、良好的施工性和耐久性有更高的要求。同時，管材投資占到工程總投資的40%以上，管材的選擇對工程安全和造價的影響較大。

目前，供水工程中常用的管材分為金屬和非金屬類管材。金屬類管材主要有鋼管和球墨鑄鐵管，非金屬類管材主要有預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管，玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管、聚氯乙烯管PVC管、高密度聚乙烯管等。受制造工藝、耐壓等級、接頭漏水和材料衛(wèi)生安全及工程造價影響，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管和聚氯乙烯管在長輸管道工程中應(yīng)用較少，本文僅就長輸管道工程中常用的幾種管材，結(jié)合工程實例探討在選擇中需關(guān)注的問題，供廣大設(shè)計施工人員借鑒。

1 長輸管道工程中常用的管材

1.1 鋼管(SP管)

鋼管具有材質(zhì)輕、可加工性好、密閉性高、搶修方便、對地基不均勻沉降適應(yīng)能力強(qiáng)等特點，特別是由于鋼材的抗拉強(qiáng)度高，具有極好的力學(xué)性能，作為給水管道可以承受極高的內(nèi)壓(>10MPa)和較高外壓，所以在長輸管道中應(yīng)用較廣。長輸管道工程中的鋼管直徑一般在DN600～DN3000mm，最大直徑可達(dá)DN4000mm以上。

1.2 球墨鑄鐵管(DIP)管

球墨鑄鐵管是近30年在灰鑄鐵管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型管材，具有良好的抗外壓能力，承受內(nèi)水壓力超過2.0MPa，耐腐蝕、抗震性好、安裝使用方便等特點。一般情況下，DN1000mm及以下規(guī)格采用水冷金屬型離心澆鑄工藝生產(chǎn)，DN1100mm及以上規(guī)格采用熱模法離心澆鑄工藝生產(chǎn)。管徑從DN40～DN2600mm，管節(jié)長度一般為6～8m。

1.3 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP管)

PCCP管是帶有鋼筒的混凝土管芯外側(cè)纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲并制作水泥砂漿保護(hù)層而制成的管子，自20世紀(jì)80年代引入我國后，目前在長輸管道工程中占據(jù)著重要地位。PCCP管具有鋼材和混凝土各自的特性，抗外壓能力較強(qiáng)、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點。管徑范圍在DN800～DN4000mm之間，管節(jié)長度6m，內(nèi)壓可達(dá)到2.0MPa。

1.4 玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管(FRPM管)

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管簡稱玻璃鋼管，20世紀(jì)90年代開始在我國大范圍使用，是一種新型柔性非金屬(樹脂、纖維、砂等)復(fù)合材料管道，其特性是摩阻系數(shù)小、重量輕、抗腐蝕、耐熱抗凍、防污抗蛀。管道直徑為DN600～DN3600mm，內(nèi)壓在0.6～2.4MPa，管節(jié)長度12m，也可根據(jù)使用要求確定單節(jié)長度。

1.5 高密度聚乙烯管(HDPE管)

HDPE是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂。HDPE管道具有耐腐蝕、內(nèi)壁光滑、流動阻力小、強(qiáng)度高、韌性好、重量輕等特點，管外壁有光面及雙壁波紋?？趶綇腄N32mm～DN1000mm，共分26個級別。壓力等級在0.6～1.6MPa之間，共5個等級。管節(jié)長度6、9、12m。

1.6 鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管(SRTP管)

鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管是經(jīng)過改良的新型的鋼骨架PE復(fù)合管，該管道以鋼絲纏繞網(wǎng)作為聚乙烯塑料管的骨架增強(qiáng)體，以高密度聚乙烯(HDPE)為基體，采用高性能的HDPE改性粘結(jié)樹脂將鋼絲骨架與內(nèi)、外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起，克服了塑料管的快速應(yīng)力開裂現(xiàn)象，由于鋼、塑這兩種材料的結(jié)構(gòu)是復(fù)合而成的，所以不會發(fā)生塑料管難以克服的快速應(yīng)力，具有超過普通純塑料管的強(qiáng)度、剛性、抗沖擊性，類似于鋼管的低線膨脹系數(shù)和抗蠕變性等特點。管道直徑DN50～DN2200mm，內(nèi)壓0.8～3.5MPa，管節(jié)長度同HDPE管。

2 管材選擇及關(guān)注的問題

2.1 管材選擇中安全性問題

保證管道運行安全是管材選擇的前提，所以管道耐壓范圍、工作環(huán)境、環(huán)境侵蝕性、地形條件、施工管理水平都是管材選擇中需關(guān)注問題。

2.1.1 承壓能力與管材的選擇

長輸管道供水工程中首先關(guān)注管道承受的內(nèi)壓，其標(biāo)準(zhǔn)代表著管材工作性的高低。根據(jù)目前常用管材的承壓能力，我們可分為高壓管材和中高壓管材。由于鋼材的極限抗拉強(qiáng)度較高，國內(nèi)用于礦山、發(fā)電、蒸汽輸送的鋼制管道壓力達(dá)到20MPa以上。新疆哈密洛鉬礦業(yè)供水工程中，單級泵站的最大揚程達(dá)到463m，采用的是涂塑鋼管，管徑400mm，在電站工程中壓力前池或調(diào)壓井下游段高壓管道基本選擇鋼管，所以管道承壓大于2.5～3.0MPa以上建議采用鋼管。中高壓管材的選擇范圍較大，前面介紹的管材的承壓能力理論值均可以達(dá)到，但實際上承壓能力與管道的直徑有密切的關(guān)系，以SRTP管為例，DN630mm以上管道使用壓力在1.0MPa以下，而DN200mm以下管道的耐壓可達(dá)到3.5MPa，但DN200mm管道的壁厚已達(dá)到12.5mm以上；以T型K9級球墨鑄鐵管為例，DN80mm管道的允許工作壓力為6.4MPa，而DN2400mm、DN2600mm僅為2.5MPa。所以設(shè)計中應(yīng)關(guān)注可使用的壓力范圍，而不是泛泛根據(jù)某種管材最大的承壓等級就主觀確定管材，最好與管材常用、可靠的壓力段來選擇管材，如烏魯木齊大西溝水庫供水工程在管材選擇中根據(jù)管材常用壓力等級，將工作壓力1.6MPa以下的管道采用了PCCP管，2.0MPa以下管道采用了DIP管。

管道承受的外壓包括管頂覆土、回填料沖擊、交通荷載、負(fù)壓等。管道抗外壓能力大小也關(guān)系到管道運行的安全，是我們關(guān)注的另一個主要方面。PCCP管和球墨鑄鐵管為代表的剛性管，抗外壓能力相對較強(qiáng)，管道變形相對較小，并可承受一定的負(fù)壓，但覆土深度較薄時，不能形成聯(lián)合受力體系對管道的運行安全也是不利的，特別是管道上有交通要求時，對管道應(yīng)進(jìn)行荷載分析計算，否則應(yīng)采取其他防護(hù)措施。對于HDPE管和SRTP管來說，因其材料特性對外荷的適應(yīng)性更強(qiáng)一些，但對其的變形量也是有一定要求的，根據(jù)GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》，化學(xué)建材管道變形率應(yīng)小于3%，變形率超過5%應(yīng)考慮更換管材，所以在設(shè)計中應(yīng)注意其適應(yīng)變形能力。對于FRPM管來說，其管材性能介于剛性管和柔性管之間，其中間夾層采用摻石英砂樹脂纖維絲布作為骨架，提高了其剛度，但FRP的彈性模量比鋼材(E0=210GPa)小10倍，剛度明顯小于鋼管，所以根據(jù)外荷情況對其有剛度設(shè)計要求，同時回填的變形量也小于HDPE管和SRTP管；同時其抗沖擊性要小于HDPE管和SRTP管，在管材的選擇中要注意與當(dāng)?shù)赝翆拥倪m應(yīng)性，否則管周回填要采用特定料回填保護(hù)。

2.1.2 工作環(huán)境與管材的選擇

工作環(huán)境與管材的適應(yīng)性問題也是設(shè)計中需要關(guān)注的一個問題。工作環(huán)境是指管道工作運行當(dāng)中長期處于的一種狀態(tài)，它包括外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境。外部環(huán)境主要指氣候、區(qū)域構(gòu)造、水位變動區(qū)、鹽堿、地下水、洪水、交通影響等，內(nèi)部環(huán)境主要指運行工況的影響。

(1)內(nèi)部環(huán)境影響

長輸管道設(shè)計工況一般都是按壓力流滿流來考慮，但新疆許多供水工程受水源工程制約或下游運行方式要求，管道會有很長一段時間不輸水，處于空管狀態(tài)，這就會造成管道長期處于壓力流和空管狀態(tài)交替發(fā)生。下面就某工程PCCP管斷絲檢測中發(fā)現(xiàn)的問題為例，報告指出“PCCP管道變形與斷絲的對應(yīng)關(guān)系明確，無斷絲的管道，變形量絕對值接近零；大量斷絲的管道，均表現(xiàn)出變形量絕對值較大的現(xiàn)象?！薄安糠执竺娣e斷絲管道的變形絕對值是相鄰管道的5～10倍”，管道在內(nèi)水壓力作用下會向外膨脹變形，內(nèi)水壓力越大、管內(nèi)徑越大，膨脹變形量越大，但對于完好的PCCP管道受預(yù)應(yīng)力鋼絲作用，管道內(nèi)徑有縮小的趨勢；預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲使得PCCP管道的預(yù)應(yīng)力鋼絲的預(yù)應(yīng)力釋放，在管道放空狀態(tài)時，管道直徑有增大的趨勢。這就說明特殊的運行工況可加劇管道變形，這種變形產(chǎn)生的另一個問題是管壁脫空，PCCP管道在內(nèi)水壓力作用下膨脹，放空后管道收縮，造成管壁與周邊回填土之間出現(xiàn)脫空，在侵蝕性地下水環(huán)境下，PCCP管壁脫空會強(qiáng)化毛吸作用，造成回填土鹽堿濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管周邊，對管道外壁有侵蝕性威脅。所以在設(shè)計中應(yīng)充分考慮特殊工況影響，采取必要的防護(hù)措施。

(2)外部環(huán)境

外部環(huán)境對管材選擇的影響在設(shè)計中大家或多或少都有所了解，比如侵蝕環(huán)境下首先采用抗侵蝕能力強(qiáng)的管材，高地震區(qū)采用抗震性較好的柔性管或接頭，地下水位較高區(qū)域選用管重較大的管材抗浮等，但需注意以下問題：①鋼管及PCCP管的陰極保護(hù)問題②管道的外防水保護(hù)問題。陰極保護(hù)針對土壤中存在腐蝕性介質(zhì)導(dǎo)致電阻率較低，造成金屬管道及PCCP管中的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生電腐蝕，一般設(shè)計中都不會忽視，但管道外防水保護(hù)問題卻容易忽視。如PCCP管外層一般噴涂200～600μm的瀝青環(huán)氧煤涂層作為隔水層，但其下的砂漿受環(huán)境變化影響發(fā)生裂縫后，瀝青環(huán)氧煤涂層破壞，處于有侵蝕介質(zhì)的地下水環(huán)境下就造成預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂。國內(nèi)外這種事例比較多，比如美國加州的中央亞利桑那工程、利比亞大人工河工程都因為外防腐問題導(dǎo)致爆管，新疆幾個供水工程也都發(fā)生了類似的問題。因此，在侵蝕性地下水位高的區(qū)域，非抗侵蝕管材的外防腐需選擇強(qiáng)度高、密閉性好的型式。新疆準(zhǔn)東供水工程中對高侵蝕地下水區(qū)域的PCCP管外采用包裹三油兩布方案，運行近10年對管道進(jìn)行破管檢測，發(fā)現(xiàn)PCCP管的預(yù)應(yīng)力鋼絲幾乎完好，但受當(dāng)時認(rèn)識的限制管線未作陰極保護(hù)，也存在空管和有壓流交替問題，今后還需對運行情況做進(jìn)一步跟蹤。

管道的內(nèi)外環(huán)境還直接影響到管道壽命。根據(jù)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計，鑄鐵管和鋼管的使用歷史已經(jīng)達(dá)到百年以上，而PCCP管的應(yīng)用歷史也有70年。新興的玻璃鋼管材、PE管材的使用壽命根據(jù)其材料性能也不少于50年。但實際運用中各種材料的管道都會發(fā)生運行數(shù)年或剛運行就發(fā)生爆管現(xiàn)象，除去生產(chǎn)原料和過程不合格外，最主要的原因是內(nèi)外環(huán)境影響。像PE類材質(zhì)的管材應(yīng)注意的問題是老化及強(qiáng)度衰減，這些管材在施工過程中長期暴露在陽光下或環(huán)境氣溫過高都會造成以上問題，國標(biāo)里面管材壽命50年是在溫度23°情況下計算的，溫度的變化對PE管材壽命是有一定比例的折減的。據(jù)資料統(tǒng)計，普通PE管溫度每提高10℃其強(qiáng)度約降低10%以上。由于鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管強(qiáng)度約2/3是由鋼絲網(wǎng)狀骨架所承擔(dān)，所以其強(qiáng)度隨使用溫度的提高而降低的程度低于任何一種純塑料管，實驗結(jié)果表明每提高10℃，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管強(qiáng)度降低在5%以下。PE類管材雖然是防腐管，但是遇上特別惡劣的環(huán)境也是會對使用壽命造成很大影響的，比如強(qiáng)酸強(qiáng)堿，被長期冰凍或者施工過程中的摩擦破壞都會對管材造成一定的影響，使管材受損，降低管材的使用壽命。因此，使用環(huán)境問題是我們管材選擇設(shè)計中應(yīng)該引起高度重視的問題。

2.2 管材選擇中施工及工藝問題

管材選擇中，制造工藝、施工水平、工期也有著重要的影響。首先說原材料，國內(nèi)頂級的PE原料基本上都能夠達(dá)到抗老化50年，但是如果原料指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，那么對抗老化就有一定的影響；其次是生產(chǎn)工藝，有些廠家為了謀求高利潤在生產(chǎn)上偷工減料，在壁厚相差超出范圍，有些小廠的機(jī)械設(shè)備狀況不穩(wěn)定，導(dǎo)致管材內(nèi)部雜質(zhì)較多等，這就影響了PE管本身的承壓能力。玻璃鋼管對內(nèi)防滲層樹脂有明確的要求，要無毒、防滲、耐磨，厚度宜2mm，防滲層應(yīng)采用價格較貴的間苯性不飽和聚酯樹脂，但有的廠家采用價格較低的鄰苯性不飽和聚酯樹脂，厚度也相當(dāng)薄，倘若此層出現(xiàn)裂紋，纖維容易浸入水中。

例如新疆某供水工程采用FRPM管，在運行過程中經(jīng)常發(fā)生爆管事故，最終被其他管材逐步替換。按其工作環(huán)境具有強(qiáng)腐蝕性又處于沙漠戈壁地帶，F(xiàn)RPM管本是具有良好適應(yīng)性的優(yōu)選管材，出現(xiàn)這種情況的原因，就是管材制造工藝上出現(xiàn)問題，F(xiàn)RPM管樹脂材料的價格可相差10倍以上，同時定長纏繞設(shè)備門檻較低，小型企業(yè)過多，良莠不齊，給管材生產(chǎn)留下隱患，對行業(yè)的發(fā)展起到了負(fù)面影響。另一個工程實例是烏魯木齊某市政供水工程，采用的浸塑鋼管，由于內(nèi)防腐層大面積脫落，經(jīng)常造成閘閥堵塞，影響工程使用，對涂塑鋼管的使用造成不良影響，所以相同的管材不同的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的結(jié)果是不同的。設(shè)計人員在設(shè)計過程中對材料的行能、工藝及適用的范圍要有一定了解，才能發(fā)揮其優(yōu)勢，保證工程的安全運行。因此，管材選擇中要求設(shè)計人員對原料、生產(chǎn)工藝具備一定常識，在招標(biāo)文件提出具體指標(biāo)，防止不良企業(yè)鉆空子，給工程留下安全隱患。

在應(yīng)急、搶修工程中，對管材的要求就是材料到位迅速、安裝方便，鋼管、HDPE管和SRTP管定型產(chǎn)品較多，備貨量大。同時施工期施工隊伍的管理水平也影響管材效果，新疆某供水工程采用的FRPM管，建成后并未運行就發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)裂縫、白斑等問題，最終通過檢測分析，造成這些缺陷的主要原因就是施工過程不按設(shè)計要求，回填料粒徑偏大，一次性回填、回填高度大，對管道沖擊破壞嚴(yán)重，所以施工質(zhì)量也直接影響管道的安全，在管材選擇時也要考慮。

某些工程受工期制約，采用單一管材時需綜合考慮管材的生產(chǎn)能力和運輸條件能否滿足工期要求。如采用焊接型式的鋼管，長度較長時，現(xiàn)場的焊接、補口、檢測工作量較大，施工速度相對較慢，因此，設(shè)計過程中可考慮兩種管材組合方案，但也不建議管材太雜，造成施工和運行管理不便。

2.3 管材選擇中的經(jīng)濟(jì)性問題

除去管材安全性問題，管材比選的最終落腳點還是在管材造價上。沒有外界環(huán)境條件制約情況下，相同直徑的不同管材的輸水能力是不同的，換而言之，在過相同設(shè)計流量的情況下，不同管材的直徑是不同的。詳見表1。

在過相同流量相同管徑情況下，玻璃鋼管、PE型管材較水泥砂漿內(nèi)襯的PCCP管、SP管和DIP管的水損要小30%左右，對于揚水工程來說，其揚水的運行費用減少近20%左右；對過相同流量不同管徑情況下，玻璃鋼管、PE型管材較水泥砂漿內(nèi)襯的PCCP管、SP管和DIP管的管徑要小一個等級(在大于DN1200大管徑的管材比選中比較明顯)，管徑減小使管材的投資相對減少。

對管材造價的影響除了管道直徑及原材料影響之外，還要受到運輸成本、安裝成本、防護(hù)成本還有時間成本等多重制約。當(dāng)?shù)厝魶]有建廠條件，管徑越大、重量較重的管材其運輸成本越高，相應(yīng)管材投資就高了。下面就幾種常用管材的不同壓力等級、管徑的價格進(jìn)行對比。詳見表2、3。

表1 不同管材過流能力對比表

表2 各種管材造價對比表 壓力等級1.0MPa，管徑DN1600

表3 各種管材造價對比表 壓力等級1.0MPa，管徑DN1000

從表2、表3可以看出，DN1600管道，F(xiàn)RPM管價格較優(yōu)，PCCP和SP管價格接近，DIP管略貴，DN1000的管道，F(xiàn)RPM管優(yōu)勢明顯，其余管材價格接近。根據(jù)統(tǒng)計，在大于DN2400管材中，PCCP管價格較優(yōu)，小于DN300的管材中PE類管材價格優(yōu)勢明顯。同時，從上表還反映出運費和其他費用在管材造價中的比重在6%～20%左右，其中需要防腐保護(hù)管材的費用應(yīng)該是以上比重值的高值。

3 結(jié)語

本文對長輸管道設(shè)計中管材選擇應(yīng)注意的管道承壓、工作環(huán)境、生產(chǎn)工藝、施工條件及經(jīng)濟(jì)性等問題提出注意事項及建議，供設(shè)計人員參考。每種管材均有其優(yōu)點和缺點，也都有其適用的范圍，管材的選擇要因地制宜、因材施用，根據(jù)每個工程實際的設(shè)計公壓、環(huán)境條件、地質(zhì)特征、運行條件及工程造價綜合選擇。對設(shè)計人員來說沒有最好的管材，只有最優(yōu)的選擇。