自錨式球墨鑄鐵管性能分析及研究

劉天政　杜培文　祝鳳山　花金祥　譚樂彥　朱　琳　李　孟

自錨式球墨鑄鐵管性能分析及研究

劉天政杜培文祝鳳山花金祥譚樂彥朱琳李孟

一、概述

自錨式球墨鑄鐵管是一種高性能的輸水材料，廣泛應用于水利工程建設。與其他管材相比，自錨式接口利用自錨組件與插口焊環(huán)之間的推力傳遞，實現可靠的防滑脫能力，同時自錨組件的徑向滑動使接口具有較好的偏轉性能；管道內襯高鋁水泥，可有效防止輸送介質對管道的腐蝕。本文通過實際案例，對其性能特點及應用作簡要分析與探討。

二、應用實例及性能分析

云蒙湖是山東省第二大人工湖，興利水位176.0m，流域面積1693.3km2，涉及蒙陰縣的10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和沂水的兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。1997年云蒙湖被確定為臨沂市飲用水水源地，2010年省環(huán)保廳代省政府批復確認了云蒙湖飲用水水源地保護區(qū)范圍。通過多年的努力，云蒙湖水體水質整體改善明顯，但尚不能穩(wěn)定達到地表水環(huán)境質量II類標準要求。蒙陰縣污水處理廠雖然能夠按照城鎮(zhèn)污水廠一級（A）達標排放，但污染物排放濃度仍遠高于水源地質量標準，是造成云蒙湖水體水質不能穩(wěn)定達標的主要原因。同時，蒙陰縣城區(qū)緊靠水源地上游，其生產活動對水源地水質安全造成隱患。

為進一步改善云蒙湖水體水質，確保臨沂市飲水安全，擬新建1條輸水管道，把中水排放到蒙河水系。管道管徑DN1400mm，長度為6.9km，材料選用自錨式球墨鑄鐵管。

1.項目特點及管材選擇

項目特點：（1）管道輸送介質為中水，具有一定腐蝕性；（2）沿線管道敷設在云蒙湖庫區(qū)，地下水位較高，需著重考慮抗浮問題；（3）由于是在庫區(qū)，管頂覆土加上湖水的靜壓力，管道承受外荷載較大；（4）為了避免中水污染湖水，管道接口應密封嚴實；（5）全程自流，設計水頭2m，富余的水頭較??；（6）沿線需穿越兩條較大河流。

表1　三種管材的優(yōu)、缺點比較表

圖1　接口構造圖

表2　自錨接口參數表

管材的選取要綜合考慮各種因素，如輸送介質、壓力、溫度、地質構造以及綜合造價等。選取3種常用管材綜合比較，見表1。綜合考慮，選用球墨鑄鐵管。

2.管道接口（自錨式）

承插接口是鑄鐵管最常見的接口形式，具有結構簡單、安裝方便、密封性較好等特點。在接口結構上一定程度考慮了橡膠圈的定位和偏轉角問題，因此這種接口能適應一定的基礎變形，具有一定的抗震能力，同時利用其偏轉角實現管線長距離的轉向。但對地質條件復雜、易造成不均勻沉降的地段，或者承受外荷載不均勻、荷載變化幅度較大的情況，管道接口易泄漏。

自錨接口設計采用密封腔和擋塊倉兩個環(huán)形腔，密封腔安裝密封膠圈，擋塊倉安裝自錨組件，自錨組件由前排擋塊、后排擋塊、支撐圈組成。利用自錨組件與插口焊環(huán)之間的推力傳遞，實現可靠的防滑脫能力，同時自錨組件的徑向滑動使接口具有較好的偏轉性能。接口構造如圖1，技術參數見表2。

自錨接口由于其防滑脫能力，廣泛用于各類工程，在如下情況中更能發(fā)揮其使用效果：

（1）用以抵消水力推力的水泥支墩無法設置時，可以用來代替水泥支墩。

（2）管線敷設地區(qū)地基不穩(wěn)定，可能產生較大的土壤沉降，如河床的淤泥層，實現接口防滑脫功能。

（3）沿陡坡敷設。

排污類項目輸送介質具有腐蝕性、外荷載變化幅度較大、對嚴密性要求較高，自錨式接口能最大程度上滿足這些特殊要求。

3.防腐蝕研究

管道內部防腐蝕處理措施直接決定了管道壽命。鑄鐵管比較常用的內襯材料為硅酸鹽水泥，其主要礦物組成是硅酸鈣，水化后，含有大量的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣。因此，其耐軟水和耐化學腐蝕性差，不能用于介質腐蝕性較強的工程。而高鋁水泥主要組成是鋁酸鈣，合成的鋁酸鈣具有水硬性，對海水和中水均具有抗侵蝕能力。

（1）鋁酸鹽水泥的主要膠結性礦物是低堿性鋁酸鈣CA和C12A7。它們的水化產物生成水化鋁酸鈣CAH10，即便是鋁酸鹽水泥中含有微量的其他化合物水化時生成氫氧化鈣也會和多余的氧化鋁發(fā)生反應，因而在高鋁水泥的水化產物中不存在氫氧化鈣。這就是高鋁水泥能夠抵抗硫酸鹽侵蝕的原因。

（2）鋁酸鹽水泥在水化期間生成的相對惰性的鋁膠，對管道起到保護作用。另外鋁酸鹽水泥比硅酸鹽水泥的抗壓強度要高出許多，主要是由于鋁酸鈣水化物要比硅酸鈣水化物的強度高，并且賦予它優(yōu)良的耐磨性能。

鋁酸鹽水泥耐化學腐蝕主要是因為水化產物中沒有氫氧化鈣，在物理作用上它的強度高、耐磨性好。污水中含有酸、堿、鹽以及固體顆粒等物質，水質條件極為惡劣，普通硅酸鹽水泥不適用。

三、結束語

當前國家對水利、電力、市政等工程事業(yè)的投入越來越大，長距離輸水管道項目也越來越多，管材的選擇將直接決定工程壽命，需要結合項目特點考慮諸多因素和技術參數。隨著民眾與政府環(huán)保意識的增強，自錨式球墨鑄鐵管因其綠色環(huán)保、性能好、高性價比，將會越來越廣泛地應用于各類建設項目中■

（作者單位：山東省水利勘測設計院250013）