大口徑高壓力球墨鑄鐵管在大西溝管道引水工程中的應(yīng)用

孔曉陽

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

大口徑高壓力球墨鑄鐵管在大西溝管道引水工程中的應(yīng)用

孔曉陽

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

結(jié)合大西溝管道引水工程實(shí)際情況，介紹了大口徑高使用壓力球墨鑄鐵管在引水工程中的應(yīng)用，并就引水工程管材的選擇和球墨鑄鐵管相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。

大口徑球墨鑄鐵管；高工作壓力；引水工程；應(yīng)用

隨著城市的發(fā)展，政府和企業(yè)興建越來越多的長(zhǎng)距離輸水工程來解決水資源時(shí)空分配不均的問題，做好輸水管道管材的選擇是長(zhǎng)距離輸水工程運(yùn)行可靠和安全的關(guān)鍵。目前大口徑輸水管道主要采用鋼管、球墨鑄鐵管和PCCP管等管材。

我國(guó)的球墨鑄鐵管行業(yè)起步于20世紀(jì)90年代初，在中國(guó)城鎮(zhèn)引水協(xié)會(huì)的大力支持下發(fā)展迅猛，經(jīng)過20余年的實(shí)踐使用，其安全性、實(shí)用性已被引水行業(yè)普遍認(rèn)可，目前國(guó)內(nèi)一些大型球墨鑄鐵管廠，產(chǎn)品最大口徑已達(dá)到DN2600。但實(shí)際工程使用中，DN2200及以上管徑使用較少，工作壓力普遍在2.0 MPa以下。管徑DN2400和DN2200，工作壓力在2.5 MPa的球墨鑄鐵管在新疆大西溝管道引水工程中的應(yīng)用，為大口徑高工作壓力球墨鑄鐵管在其他項(xiàng)目上的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 球墨鑄鐵管簡(jiǎn)介

球墨鑄鐵管采用不同于傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)的一種新型鑄鐵管材，鑄造時(shí)在鐵水中加入了少量的鎂，改變了鑄鐵中的片狀石墨結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)變成球狀，從而克服了片狀石墨對(duì)鐵基體連續(xù)性的阻止作用，具有卓越的可延性、柔韌性和抗沖擊性。

球墨鑄鐵管管壁薄、韌性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕，其機(jī)械性能接近鋼管，而耐腐蝕性能又優(yōu)于鋼管，不僅可以用作輸水管道，而且可用于煤氣管道及腐蝕性、磨損性物質(zhì)的輸送以及地下建筑構(gòu)件等。再加上采用柔性接口，施工方便，大大降低了工程造價(jià)。

2 大西溝管道引水工程介紹

2.1 工程概況

大西溝管道引水工程位于新疆烏魯木齊河大西溝水庫(kù)下游石門子渠首至烏拉泊水庫(kù)河段上，為烏魯木齊城市引水工程。工程主要由取水首部（引水涵洞、壓力前池、壓力管道和水質(zhì)預(yù)處理廠）、多級(jí)引水管道及引水管道配套的消能減壓穩(wěn)壓設(shè)施組成。

引水管道全長(zhǎng)42.08 km，線路落差為655 m，采用四級(jí)壓力分區(qū)（不包括尾部引水管道），起點(diǎn)位于首部水質(zhì)預(yù)處理廠末端匯流池，末點(diǎn)位于烏拉泊水庫(kù)北側(cè)，中部（幸福閘）留有分水口向西山水廠分水。每級(jí)引水管道都由預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（以下簡(jiǎn)稱PCCP管）+球墨鑄鐵管組成。

大西溝管道引水工程各級(jí)管道特性見表1。

表1 大西溝管道引水工程各級(jí)管道特性表

2.2 引水規(guī)模和設(shè)計(jì)流量

最大引水規(guī)模為110萬m3/d，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量為12.73 m3/s；冬季最小引水規(guī)模為8.64萬m3/d，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量為1 m3/s；向西山水廠分水規(guī)模為22.6萬m3/d，相應(yīng)流量為2.62 m3/s。即一級(jí)、二級(jí)引水管道設(shè)計(jì)流量為12.73 m3/s，三級(jí)、四級(jí)和尾部引水管道的設(shè)計(jì)流量為10.2 m3/s。

2.3 工程特點(diǎn)

（1）水頭落差大，首部水質(zhì)預(yù)處理廠末端匯流池至第四級(jí)引水管道末端消能減壓穩(wěn)壓設(shè)施高差為655 m；

（2）單級(jí)壓力高，最大單級(jí)靜水頭為175 m，考慮水錘壓力后的控制工況設(shè)計(jì)壓力為2.45 MPa；

（3）球墨鑄鐵管采用管道管徑DN2400長(zhǎng)8.23 km，采用管道管徑DN2200長(zhǎng)6.61 km，工作壓力為2.45 MPa。

3 工程管材的選擇

參考全國(guó)多項(xiàng)長(zhǎng)距離輸水工程管材選擇上的經(jīng)驗(yàn)：工程的規(guī)模及重要性；管道口徑及所能承受內(nèi)壓力和外荷載要求；管道使用性能安全及維修工程量小；管道使用年限長(zhǎng)；管道輸水能力相同情況下造價(jià)低；管道能滿足工程地質(zhì)、地形條件；結(jié)合各種管材在水利工程和市政引水工程中的應(yīng)用情況，考慮本工程管徑大，壓力高的特點(diǎn)，本工程主要采用PCCP和球墨鑄鐵管兩種管材進(jìn)行比較（見表2）。

表2 PCCP和球墨鑄鐵管管材特性對(duì)比表

從表1可以看出：在管材直徑、管材壓力、管材剛度、管道接口、耐腐蝕這幾個(gè)方面PCCP管和球墨鑄鐵管均能夠滿足要求。

就管材壓力來說，PCCP管道目前常使用的工作壓力范圍為0-1.4 MPa，2.4 m管徑的K9球墨鑄鐵管能承受最大2.5 MPa的工作壓力，兩種管材常使用的工作壓力區(qū)間，決定了相應(yīng)的管道分段壓力。就管道接口而言，兩種管道都采用柔性接口，接口剛度高、尺寸精確、抗?jié)B性能優(yōu)良，均能夠滿足使用要求，機(jī)械式（K型）柔性接口安裝略復(fù)雜。維修速度方面，球墨鑄鐵管比PCCP管快，在管道發(fā)生漏水事故時(shí)，球墨鑄鐵管對(duì)正常引水的影響時(shí)間較PC?CP管短。管道自重方面，相同管徑的PCCP管比球墨鑄鐵管重很多，在安裝時(shí)球墨鑄鐵管較PCCP管有優(yōu)勢(shì)。每米綜合造價(jià)方面，PCCP管比較經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)PCCP和球墨鑄鐵管兩種管材特性和本工程的特點(diǎn)，擬定3個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。方案一為PCCP管方案，壓力分段為6級(jí)；方案二為球墨鑄鐵管方案，壓力分段為4級(jí)；方案三為PCCP管和球墨鑄鐵管組合方案，即靜水壓力小于等于1.0 MPa以下采用PCCP管，靜水壓力大于1.0 MPa以上采用球墨鑄鐵管，壓力分段為4級(jí)。管材選擇3個(gè)方案的對(duì)比見表3。

表3 管材選擇方案對(duì)比表

表3可以看出：方案三投資比方案一稍貴，但比方案二便宜很多，同時(shí)方案三考慮了兩種管材的承壓條件，在安全性能夠得到保證的同時(shí)充分利用了兩種管材的承壓能力，方案三在調(diào)度運(yùn)行上和方案二保持一致。因此，本階段從地形地質(zhì)條件、管線布置、施工條件、工程占地及移民、運(yùn)行管理、管材的耐久性、工程投資等方面綜合考慮，最終推薦方案三，壓力分段4級(jí)，管材采用PCCP管+球墨鑄鐵管組合方案為引水管材方案。

4 工程球墨鑄鐵管的主要設(shè)計(jì)[1]

4.1 主要性能

新疆大西溝管道引水工程中球墨鑄鐵管直管執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為《水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件》GB/T13295[2]；管件采用鋼管，設(shè)計(jì)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》SL281[3]，制作、安裝和驗(yàn)收?qǐng)?zhí)行《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》SL432[4]。

球墨鑄鐵管標(biāo)準(zhǔn)直管屬K9型，管徑DN2 400的允許壓力PFA為2.5 MPa，PMA為3.0 MPa，PEA為3.5 MPa；管徑DN2200的允許壓力PFA為2.6 MPa，PMA為3.1 MPa，PEA為3.6 MPa。DN2200和DN2400單管有效長(zhǎng)度有6.0 m和8.15 m兩種規(guī)格。兩種管徑壁厚分別為24.3 mm和26.1 mm，水泥砂漿內(nèi)襯厚均為12 mm。

力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度 420 N/mm2，屈服強(qiáng)度300 N/MPa，延伸率 7%。

4.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

管頂覆土深度不得小于1.8 m，設(shè)計(jì)計(jì)算按5 m計(jì)算，管頂回填土容重按1 900 kg/m3；汽車荷載按中國(guó)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTGB01-2003規(guī)定的汽車-20級(jí)荷載計(jì)算；作用于管頂?shù)孛嬉陨系木己奢d為附加荷載（堆積荷載），按10 KPa計(jì)算；輸送介質(zhì)為淡水原水；抗震設(shè)防烈度Ⅶ度。

4.3 內(nèi)外防腐形式

球墨鑄鐵管管道內(nèi)壁采用普通硅酸鹽水泥砂漿防腐，外壁采用噴鋅加噴涂環(huán)氧煤瀝青防腐。金屬鋅噴涂厚度不應(yīng)小于130 g/m2，金屬鋅的含量至少為99.95%，金屬鋅外再噴涂環(huán)氧煤瀝青，最終防腐層漆的厚度要求不小于70 μm。

4.4 接口形式

球墨鑄鐵管接口種類繁多，目前常用的接口有滑入式（T型）柔性接口、機(jī)械式（K型）柔性接口、機(jī)械式（NⅡ型、SⅡ型）柔性接口、法蘭型接口等，根據(jù)本工程所采用的管徑及所承受的工作壓力，兩種管徑的球墨鑄鐵管均采用機(jī)械式（K型）柔性接口。

4.5 管道借轉(zhuǎn)角度

根據(jù)計(jì)算，最終確定DN2400和DN2200球墨鑄鐵管道轉(zhuǎn)角小于0.5°時(shí)，管段自身過渡，每根管過渡角度不大于0.2°，大于0.5°轉(zhuǎn)角時(shí)，配件另行制作。

4.6 管溝和填筑

管道貼近原地面鋪設(shè)，縱坡與原底面相近，由于工程位于高寒地區(qū)，為滿足冬季運(yùn)行要?dú)夤茼斠陨细餐梁穸刃璐笥诘扔?.62 m，最終引水管道平均縱坡0.015%左右，平均覆土厚度為1.8 m。

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)》GB-50268[5]規(guī)定，考慮管道的安裝機(jī)具布置，DN2400管徑的球墨鑄鐵管溝底寬為4.4 m，DN2200管徑的球墨鑄鐵管溝底寬為4.2 m。管道分區(qū)填筑指標(biāo)如下：管底30 cm砂礫料墊層（d 40 mm），壓實(shí)度 95%；管道中心線下150°區(qū)域以內(nèi)砂礫料壓實(shí)回填（d 40 mm），壓實(shí)度 95%；管頂50 cm以下砂礫料壓實(shí)回填（d 40 mm），壓實(shí)度 90%；管頂50 cm以上至原地面回填原狀料，壓實(shí)度 90%。

5 結(jié)論

大西溝管道引水工程2014年11月～2015年9月小流量調(diào)試運(yùn)行并通過驗(yàn)收[5]，于2015年10月正式投入使用，至今運(yùn)行良好，說明DN2400和DN2200的大口徑高工作壓力球墨鑄鐵管在本工程上設(shè)計(jì)和應(yīng)用是成功的，經(jīng)驗(yàn)是值得推廣的，使大口徑球墨鑄鐵管在引水工程上發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.大西溝管道引水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].烏魯木齊：新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

[2]GB/T13295，水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件[S].[3]SL281，水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]SL432，水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[5]GB 50268，給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

（責(zé)任編輯：周 群）

Application of large diameter and high pressure ductile iron pipe in Daxigou water diversion project

KONG Xiao-yang
（Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey&Design Institute，Urumqi 830000，China）

Combined with the actual conditions of Daxigou water diversion project，an introduction was made on the application large diameter and high pressure ductile iron pipe in water diversion project.The author also dis?cussed the selection of pipe material for diversion project and relevant design of ductile iron pipe.

Large diameter ductile iron pipe；high working pressure；water diversion project；application

TU991.36

B

1003-1510（2016）03-0081-03

2016-03-29

孔曉陽（1983—），男，新疆烏魯木齊人，新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。