發(fā)電廠用大口徑循環(huán)水管道材料比選研究

摘? 要：電廠循環(huán)冷卻水進(jìn)排水管在整個電廠系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的地位，由于循環(huán)水管直徑大、距離長、重要性高、投資大等原因，其管線布置及材質(zhì)選用將直接影響工程投資造價及電廠長期運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。為此對管材選擇需進(jìn)行必要的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，以求得工程造價最低，施工敷設(shè)速度快，確保電廠長期處于安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)下的一種合理管材。本文對鋼管、玻璃鋼管、現(xiàn)澆鋼筋砼管溝、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管（PCCP管）從多個維度進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1大口徑循環(huán)水管道材質(zhì)比選原則

循環(huán)水管道材質(zhì)的選擇要綜合抗?jié)B性、承載力、耐腐蝕性、造價、自重、加工及施工工藝、施工工期、管道布置等方面的比較。本文所討論的大口徑循環(huán)水管，指常用于600MW級以上機(jī)組的循環(huán)水管，母管管徑通常在DN3000以上。

（1）抗?jié)B性：不言而喻，廠區(qū)循環(huán)水管道為壓力管道，沒有好的抗?jié)B性顯然是不合要求的。

（2）承載力：廠區(qū)循環(huán)水管道埋深較深，且都布置在主廠房周圍，大件設(shè)備運(yùn)輸和安裝的地面荷載較大。對管材的剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的要求都較高。

（3）耐腐蝕性：如果是以海水作為循環(huán)冷卻水，管道內(nèi)壁與海水、外壁與土壤直接接觸，一般火電廠設(shè)計年限較長，管壁的耐腐蝕性對循環(huán)水系統(tǒng)的正常運(yùn)行也至關(guān)重要。

（4）加工及施工工藝：例如，循環(huán)水管道特別是鋼管，對加工及施工工藝，特別是回填土的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，其是保證鋼管結(jié)構(gòu)能達(dá)到設(shè)計要求的關(guān)鍵所在?；靥钔恋募壟浜蛪簩?shí)系數(shù)未達(dá)到設(shè)計要求，會導(dǎo)致循環(huán)水鋼管失穩(wěn)。

（5）管道布置：綜合地質(zhì)條件，考慮地基處理、支墩布置等。

（6）運(yùn)輸：預(yù)制管材的運(yùn)輸成本和一些運(yùn)輸限制需要考慮在內(nèi)。

（7）經(jīng)濟(jì)比較。

2大口徑循環(huán)水管常見材質(zhì)及使用情況簡介

2.1 大口徑循環(huán)水管常見材質(zhì)

目前大口徑循環(huán)水管道可選用的材質(zhì)有鋼管、玻璃鋼管、現(xiàn)澆鋼筋砼管溝、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管（PCCP管）等類型，除碳鋼管以外的其它管材防腐性能均較好，一般適用于濱海電廠海水介質(zhì)。

除南方濱海地區(qū)部分600MW和1000MW機(jī)組工程采用PCCP管（或預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管），部分核電工程采用玻璃鋼管外，國內(nèi)大部分已建或在建的600MW～1000MW機(jī)組循環(huán)水管道均采用碳鋼管。下面就對各種管材的主要性能以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡要的介紹。

2.2常見循環(huán)水管材使用情況簡介

2.2.1 鋼管

鋼管是最常用的一種輸水管道，因其方便施工、便于加工、技術(shù)應(yīng)用相對成熟而得到廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)火電廠中最常用作循環(huán)水管的管材為Q235材質(zhì)焊接鋼管。

焊接鋼管也稱焊管，是用鋼板或帶鋼經(jīng)過卷曲成型后焊接制成的鋼管。焊接鋼管生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)效率高，品種規(guī)格多，設(shè)備投資少，但一般強(qiáng)度低于無縫鋼管。近年來，隨著優(yōu)質(zhì)帶鋼連軋生產(chǎn)的迅速發(fā)展以及焊接和檢驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，焊縫質(zhì)量不斷提高，焊接鋼管的品種規(guī)格日益增多，并在越來越多的領(lǐng)域代替了無縫鋼管。焊接鋼管按焊縫的形式分為直縫焊管和螺旋焊管。隨著我國建設(shè)施工水平的飛速發(fā)展，國內(nèi)施工單位已具備了現(xiàn)場制作40mm厚度以下鋼管的能力。

2.2.1.1焊接鋼管的優(yōu)點(diǎn)

1）耐壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能高，優(yōu)于鋼筋混凝土管道。

2）自重輕：與鋼筋混凝土管道相比，同樣管徑，同樣長度條件下，鋼管自重僅為鋼筋混凝土管道的30%左右，運(yùn)輸、安裝均較為方便。

3）加工周期短：無論在現(xiàn)場自行加工，還是由生產(chǎn)廠制造，鋼管制作速度均快于鋼筋混凝土管道，且無需養(yǎng)護(hù)期。

4）施工工藝簡單：由于鋼管自重輕，無需特殊施工機(jī)具，現(xiàn)場僅需配置合適的汽車吊以及一定的工作平臺（半徑范圍小于鋼筋混凝土管道），一般采用常規(guī)施工方法即可。

5）總工期短：由于鋼管加工周期短，施工方法簡單，基礎(chǔ)暴露問題及對周邊建筑物的影響小，因而提高了施工總進(jìn)度。

6）管道布置方便：埋地鋼管無需在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置支墩，特別在進(jìn)出主廠房的區(qū)域，各種管溝布置縱橫交叉，布置十分擁擠，其優(yōu)越性更為突出。此外鋼管剛性連接對地基不均勻沉降的適應(yīng)性強(qiáng)于鋼筋混凝土管道，在焊接質(zhì)量保證的前提下，接口不易漏水，運(yùn)行安全可靠。

2.2.1.2焊接鋼管的缺點(diǎn)

1）鋼管單位造價較高，通常每米長鋼管的價格要高出鋼筋混凝土管道。

2）耐腐蝕性差，鋼管與鋼筋混凝土管道如同樣不經(jīng)防腐，鋼管的耐腐蝕性要低于鋼筋混凝土管，所以鋼管還需進(jìn)行額外的防腐處理（如管壁涂層、陰極保護(hù)等）。

3）鋼管屬于柔性管道，其自身的剛度及抵抗外荷載的能力較弱，在國內(nèi)設(shè)計中需要考慮與管體四周土體共同作用抵抗外荷載。因此，鋼管不太適合管徑超大或埋地較深的使用環(huán)境。由于鋼管自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的要求，通常在電廠中的循環(huán)水壓力鋼管均需要采用加筋肋加固。

2.2.2 玻璃鋼管

玻璃鋼管是將浸有樹脂基體的纖維增強(qiáng)材料，按照特定的工藝條件逐步纏到芯模上并進(jìn)行適當(dāng)固化而形成的，其管壁是一種層狀結(jié)構(gòu)，可以通過改變樹脂系統(tǒng)或采用不同的增強(qiáng)材料來調(diào)整玻璃鋼管的各項(xiàng)物理和化學(xué)性能，以適應(yīng)不同介質(zhì)和工作條件制成不同壓力等級或具有某種特殊性能的玻璃鋼管。改型周期短，則是纖維纏繞復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)，各向同性的金屬管材無法與之相比。

2.2.2.1玻璃鋼管優(yōu)點(diǎn)

1）耐腐蝕性能好

玻璃鋼管道結(jié)構(gòu)上分內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層及外保護(hù)層三部分。其中，內(nèi)襯層樹脂含量高，一般在70%以上，其內(nèi)表面富樹脂層樹脂含量高達(dá)95%左右。通過對內(nèi)襯所用樹脂的選擇，可使玻璃鋼管道在輸送液體時具有不同的耐腐蝕性能，從而滿足不同的工程需要;對需外防腐的場合，只需對外保護(hù)層樹脂進(jìn)行選擇，便也可達(dá)到不同外防腐的使用目的。對于電廠循環(huán)水管道使用環(huán)境，玻璃鋼管的耐腐蝕性完全可以達(dá)到要求。

2）水力學(xué)性能優(yōu)良

玻璃鋼管道內(nèi)表面光滑，內(nèi)壁絕對粗糙度僅為0.01mm，遠(yuǎn)小于鋼管及混凝土管的內(nèi)壁粗糙度，屬水力學(xué)光滑管。不同管材內(nèi)壁絕對粗糙度可參考下表2.2-1。

3）重量輕，安裝、運(yùn)輸方便

玻璃鋼管道密度約為1.6kg/cm3左右，僅是鋼管的1/4～1/5，實(shí)際應(yīng)用表明，在承受同樣內(nèi)壓的前提下，同口徑、同長度的玻璃鋼管道，其重量約為鋼管的30%左右。正因如此，玻璃鋼管道在運(yùn)輸時可套裝運(yùn)輸，節(jié)省油耗及其它費(fèi)用，安裝時，中小口徑的玻璃鋼管道一般不需用重型機(jī)械，有的甚至可通過人工搬運(yùn)，提高了安裝速度。

4）比強(qiáng)度高、力學(xué)性能合理

玻璃鋼管道軸向拉伸強(qiáng)度為160～320MPa，接近于鋼管，比強(qiáng)度（材料的抗拉強(qiáng)度與材料比重之比）更高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，管材自重可大幅度減輕，安裝相對比較容易。對比情況見表2.2-2。

5）接頭少、連接方式多樣靈活

鋼管一般2m左右一段，玻璃鋼管道單管長度6～12m，甚至更長，在長距離管線安裝時，所需接頭少，既能使流動水阻降低，也減少了施工費(fèi)用，同時，管線因接頭多而發(fā)生滲漏的可能性也較鋼管大為降低。另外，玻璃鋼管道的接頭方式有多種，主要包括：承插膠接、平端對接、（活套）法蘭連接、（帶鎖緊裝置）“O”形圈連接、螺紋連接等，可根據(jù)具體施工條件，靈活選擇接頭方式。

6）電絕緣性能好

鋼管、鑄鐵管均為電的良導(dǎo)體。玻璃鋼管道卻是絕緣體，擊穿電壓：12～16kV/mm，體積電阻率：～1014Ω，表面電阻率：～1011Ω，絕緣性能優(yōu)良，可安全地應(yīng)用于輸電、電信線路密集區(qū)和多雷區(qū)。

7）不生銹

鋼管、鑄鐵管在儲存、使用過程中，會因化學(xué)、電化學(xué)的作用產(chǎn)生局部電池反應(yīng)，表面極易生銹，對輸送介質(zhì)往往會產(chǎn)生污染，因而，常需對其表面進(jìn)行特殊防銹、除銹處理;纖維玻璃鋼管道由于是由非金屬材料制成，電極電位高，表面不會發(fā)生氧化銹蝕，無需處理，不會污染水質(zhì)。

8）防污抗蛀

玻璃鋼管內(nèi)壁潔凈光滑，難以被海水或污水中的甲貝、菌類等微生物玷污蛀附。而鋼管、鑄鐵管或鋼筋混凝土管內(nèi)表面卻很容易被甲貝、牡蠣等附蛀寄生，且極難清除，增大粗糙率，使有效管徑縮小，同時增大流動阻力，減少過水?dāng)嗝娣e。

9）可設(shè)計性強(qiáng)

根據(jù)具體使用情況，可對管道的具體性能及形狀進(jìn)行設(shè)計：①可對纏繞時的纏繞角進(jìn)行設(shè)計，以使管道具有不同的縱/環(huán)向強(qiáng)度分配;②可對管道壁厚進(jìn)行設(shè)計，以使管道可以承受不同的內(nèi)外壓;③可對材料進(jìn)行設(shè)計，以達(dá)到不同的耐腐蝕目的、阻燃目的、介電目的等;④可對接頭方式進(jìn)行設(shè)計，適用不同的安裝條件，以提高工程安裝速度;⑤可對產(chǎn)品形狀進(jìn)行設(shè)計，以滿足具體的形狀需要。

2.2.2.2玻璃鋼管的缺點(diǎn)

a）連接可靠性差

每一段玻璃鋼管段均靠連接頭連接，而接頭易漏水，對連接頭的加工安裝要求較高，對下墊面地基處理的要求也較高。

b）衛(wèi)生性差

其內(nèi)襯層破裂后，玻璃纖維會進(jìn)入水中污染水質(zhì);管材在鋸斷時，斷面沒有內(nèi)襯層保護(hù)也會污染水質(zhì)。

c）難符合環(huán)保要求

玻璃鋼廢料難于處理，容易污染環(huán)境。在我國大力倡導(dǎo)“綠色經(jīng)濟(jì)”的今天，其生產(chǎn)加工及廢料處理的環(huán)保問題較為嚴(yán)峻。

d）采購及制造質(zhì)量難控制

目前市場上玻璃鋼管生產(chǎn)廠家很多，質(zhì)量良莠不齊，在采購中難以控制管道質(zhì)量。

另外，在管徑較大、管線較長的情況下，需考慮運(yùn)輸情況的限制（如限高）及運(yùn)輸成本。

2.2.3 PCCP管

PCCP是由預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼筒、混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe）的英文縮寫。這種管材是在帶鋼筒的混凝土管芯上，環(huán)向纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，最后在管外部施噴水泥砂漿保護(hù)層而制成的。

PCCP管由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成：

1）高強(qiáng)度混凝土管芯：它是管道的主要結(jié)構(gòu)部分，可提供光滑的內(nèi)表面以利水流。該管芯內(nèi)的鋼筒起防滲作用和提供縱向抗拉強(qiáng)度，并可增加環(huán)向強(qiáng)度。在PCCP-E型管道中，鋼筒嵌在混凝土管芯中，在PCCP-L型管道中，鋼筒包在混凝土管芯的外部。鋼筒兩端連接鋼制承、插口環(huán)和彈性○型橡膠環(huán)，它可為管與管間的連接提供止水并可使相鄰兩管道中心對齊。PCCP-E型管混凝土在鋼模內(nèi)立式澆筑，多用于大管徑PCCP。PCCP-L型管的混凝土靠離心澆筑或在鋼筒內(nèi)徑向壓實(shí)澆筑，多用于小管徑PCCP。

2）冷拉預(yù)應(yīng)力鋼絲：以一定的拉應(yīng)力螺旋式纏繞在管芯上，在管芯上產(chǎn)生均勻的預(yù)壓應(yīng)力以抵償由內(nèi)壓和外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力?？筛鶕?jù)具體運(yùn)行條件設(shè)計鋼絲直徑、預(yù)壓應(yīng)力和纏絲密度，以提供所需的最佳預(yù)應(yīng)力。

3）一個密實(shí)的水泥砂漿保護(hù)層：保護(hù)高強(qiáng)度鋼絲和管芯，使之免受物理損壞和外界腐蝕。

4）鋼制承、插口接頭：焊在鋼筒的兩端，是PCCP的聯(lián)接件和密封件。

PCCP管在國外已有50余年的應(yīng)用歷史，二十世紀(jì)八十年代末，隨著我國城市供水、工業(yè)用水、農(nóng)田水利建設(shè)的迅猛發(fā)展，對于輸水管材提出更高的要求，國內(nèi)引進(jìn)國外公司的制管技術(shù)及設(shè)備。1996年我國建材行業(yè)頒布了《預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管（JC 625-1996）》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并于2005年發(fā)布了《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（GB/T 19685-2005）》國家標(biāo)準(zhǔn)。目前PCCP管已完全實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格Ф600mm～Ф4800mm，近年來已在水利、市政給排水、大中型電廠的大口徑管道工程中大量應(yīng)用。

2.2.3.1PCCP管的優(yōu)點(diǎn)

1）能承受較高的內(nèi)壓和外荷載

因?yàn)镻CCP使用了經(jīng)過水壓檢驗(yàn)的鋼筒，解決了一般混凝土管存在的滲水問題，所以它可以承受很高的工作壓力，我國產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工作壓力指標(biāo)為0.4～2.0MPa，國外應(yīng)用的PCCP工作壓力有的高達(dá)3.0MPa以上。由于PCCP在設(shè)計上考慮充分運(yùn)用混凝土的抗壓強(qiáng)度，所以它較其它管材可承受更大的外荷載。

2）良好的抗?jié)B性及耐久性

PCCP利用埋藏在混凝土中的經(jīng)過水壓試驗(yàn)的鋼筒抗?jié)B，利用水泥砂漿對預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行保護(hù)使其不受外界腐蝕，從而保證PCCP的抗?jié)B性、耐久性。

3）耐腐蝕性能好

由于構(gòu)成PCCP的所有鋼材都被密實(shí)的混凝土或水泥砂漿所包裹，高強(qiáng)鋼絲在噴涂水泥凈漿后被砂漿覆蓋，經(jīng)防腐處理的承口鋼圈和插口鋼圈安裝后其外露部位又都用水泥砂漿灌注封口，混凝土或砂漿提供的高堿性環(huán)境使得包裹在PCCP內(nèi)部的鋼材純化而不會發(fā)生腐蝕，因而使PCCP具有良好的防腐蝕性能，一般能達(dá)到60年以上。

4）造價低于鋼管

PCCP管制作采用鋼筒，配以鋼絲、混凝土等材料，每米含鋼量低于純鋼材管道，因此造價略低。

2.2.3.2PCCP管的缺點(diǎn)

1）加工復(fù)雜，制作速度慢

首先，工作壓力是管體結(jié)構(gòu)設(shè)計和承插口鋼圈、硬質(zhì)膠圈的重要設(shè)計指標(biāo)，采用的工作內(nèi)壓為0.6～1.0MPa。PCCP靠承插口鋼圈和硬質(zhì)圓形膠圈連接，對鋼圈的剛度和圓度以及膠圈的質(zhì)量要求都很高。

其次，由帶橡膠墊圈接頭連接的PCCP，允許的最大滲漏量為：每毫米內(nèi)徑管道、每24小時、每公里范圍內(nèi)滲水量1升。PCCP管體為剛性管，接頭采用承插式，要求具有可撓性，這此要求對接頭加工要求較高。

最后，與鋼管比較，如同樣在現(xiàn)場加工，鋼筋混凝土管制作比較復(fù)雜，且需要有一定的養(yǎng)護(hù)期;如在生產(chǎn)廠制作，鋼管加工速度亦比PCCP管快。

2）自重大

以Φ3800mm管道為例，PCCP管自重約42噸，而鋼管自重（包括加固環(huán)）重約26噸。（長度以5m計）

3）施工工藝復(fù)雜

由于PCCP管自重大，安裝需采取特殊的施工方法，除所需吊車噸位、工作半徑均大于鋼管之外，安裝接口時尚需設(shè)置龍門吊，且工作環(huán)境較差，接口施工困難，管件容易損壞。

4）總工期長

由于PCCP管施工復(fù)雜，造成施工速度較慢，導(dǎo)致基礎(chǔ)暴露時間相對較長，且對其周邊建筑物需特殊處理，降低了施工總進(jìn)度。

5）管道布置困難

PCCP管道轉(zhuǎn)彎處需做混凝土支墩予以加固，與閥門連接、變徑及三通處仍需用鋼制特殊零件連接，支墩布置造成廠區(qū)特別是進(jìn)出主廠房的區(qū)域布置困難，加上如地基處理不當(dāng)，剛性管道柔性連接，接口處易漏水。

鑒于以上缺點(diǎn)，PCCP管在安全穩(wěn)定性要求較高的工程中使用經(jīng)驗(yàn)較少。

2.2.4 鋼筋混凝土管

鋼筋混凝土管即為根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際荷載等資料設(shè)計的由鋼筋加固的混凝土管。預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管和現(xiàn)澆鋼筋砼管溝強(qiáng)度高、防腐性能好、使用壽命長，可在現(xiàn)場加工，運(yùn)輸方便，每米單價約為碳鋼管的80%，與PCCP管相近。但現(xiàn)場施工周期長要求高、質(zhì)量難保證、轉(zhuǎn)彎及三通承插連接處需設(shè)固定支墩、支管彎頭等配件連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基礎(chǔ)處理要求高、不均勻沉降嚴(yán)重時較易漏水、混凝土抗?jié)B性較差。

2.2.4.1鋼筋混凝土管的優(yōu)點(diǎn)

1）承載力大

現(xiàn)澆鋼筋混凝土管最突出的一個優(yōu)點(diǎn)就是可以通過鋼筋混凝土來承受較大的外荷載，這樣就比較適合在埋深較大的使用環(huán)境。

2）由于主要荷載由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)，鋼材用量大為減少，一般價格較為便宜。

3）處理好后耐腐蝕性較好。

2.2.4.2鋼筋混凝土管的缺點(diǎn)

1）自重較大

2）抗?jié)B性能不佳（可以通過內(nèi)襯鋼管或玻璃鋼管來加強(qiáng)抗?jié)B性）

由于熱脹冷縮的影響，一般每隔20～25m左右就要設(shè)一道伸縮縫，施工分縫較多，設(shè)計和施工現(xiàn)澆鋼筋混凝土管時一定要注意伸縮縫的抗?jié)B問題。

3）施工周期長、施工難度大

由于為現(xiàn)場澆筑，所以管道的鋼筋綁扎、立模、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)等施工周期比較長，大范圍長時間的施工占地，影響施工總進(jìn)度;而且管道變徑及三通處施工立模較困難，特別在進(jìn)出主廠房的區(qū)域排外，各種管溝布置縱橫交叉，布置十分擁擠，鋼筋混凝土現(xiàn)澆管施工有一定難度。

4）粗糙率較大，增大流動阻力（可以通過內(nèi)襯鋼管來減?。?。

3詳細(xì)比選及結(jié)論

根據(jù)以上性能，從承載能力、防腐、抗?jié)B性、施工方案、管內(nèi)壁光滑度、加工制造周期等方面進(jìn)行初步比選。根據(jù)工程特點(diǎn)，定性選出兩到三種合適的管材，再根據(jù)市場當(dāng)前的產(chǎn)品、施工價格等進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，綜合項(xiàng)目特點(diǎn)給出最終建議。

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作者簡介：

戚霽（1988.7.6），性別：女，籍貫：吉林省長春市，民族：漢，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：工程師，職務(wù)：科員，研究方向：電廠水工布置、水務(wù)管理。