球墨鑄鐵管輸水工程設(shè)計綜述

邱丁初，楊 鋒

球墨鑄鐵管輸水工程設(shè)計綜述

邱丁初，楊 鋒

(河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050021)

近年來，由于球墨鑄鐵管（DIP）具有多項優(yōu)點，在眾多管材中優(yōu)勢凸顯，因此在市政供水工程以及南水北調(diào)配套工程中得到了廣泛應(yīng)用。本文闡述了球墨鑄鐵管產(chǎn)品特點、管材特性及標準體系，并歸納了球墨鑄鐵管管道輸水工程設(shè)計要點，對此類工程設(shè)計具有一定的參考價值。

球墨鑄鐵管；管道輸水工程；設(shè)計

1 管材概況

球墨鑄鐵管廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)的供水、排水和輸氣工程，與人們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。鑄鐵管按材質(zhì)可分為灰口鑄鐵管和延性鑄鐵管。由于灰口鑄鐵管口徑不大、材質(zhì)不穩(wěn)定，造成事故較多，在輸水工程中基本不采用。延性鑄鐵一般指其鑄鐵內(nèi)部析出的石墨大部或全部呈球形狀態(tài)，因此也稱為球墨鑄鐵管，其強度比鋼管大，DN1000以下管道延伸率高于10%，DN1000以上或K12以上管道延伸率也能達到7%。另外，當廠家生產(chǎn)不進行退火處理時，成為鑄態(tài)球墨鑄鐵管，其材質(zhì)的性能除延伸率低于球墨鑄鐵管外，其余性能指標均與球墨鑄鐵管相似，價格也低，應(yīng)用較多。

2 產(chǎn)品特點

球墨鑄鐵管具有強度高、壁薄、耐壓、耐沖擊、耐腐蝕、耐抗震等優(yōu)良性能，管道采用柔性接口，具備一定的延伸率和偏轉(zhuǎn)角，可以實現(xiàn)小角度水平和垂直方向偏轉(zhuǎn)，還同時具備生鐵管和鋼材管質(zhì)的優(yōu)點，避免了鐵和鋼的缺點，價格適中，經(jīng)濟合理?；谝陨咸攸c，球墨鑄鐵管優(yōu)勢凸顯，近年來在市政供水工程以及南水北調(diào)配套工程中得到了廣泛應(yīng)用。

3 管材分類

3.1 按公稱直徑分類

目前，鑄鐵管的常用公稱直徑范圍為DN40～ DN2600。DN150以下管徑以10～25為模數(shù)，DN150～DN500管徑以50為模數(shù)，DN500～DN1100管徑以100為模數(shù)，DN1200管徑以上一般以200為模數(shù)。按照文獻［4］分類規(guī)定，公稱直徑可分為DN40～DN2600共30種，其中DN1600及以下管徑在工程中應(yīng)用較為廣泛。

3.2 按接口型式分類

球墨鑄鐵管按接口型式可分為滑入式柔性接口(T型)、機械柔性接口(K型、N1型、S型)和法蘭接口等型式。N1型、S型常用于燃氣管道，T型接口結(jié)構(gòu)簡單，密封性好、安裝速度快，在供水管道中應(yīng)用較多，但其接口防脫滑性能差，通過在拐角設(shè)鎮(zhèn)(支)墩或局部采用自錨式接口解決。

3.3 按壁厚等級分類

國際上把球墨鑄鐵管按管壁厚度分為12級，各級別標準壁厚根據(jù)公稱直徑DN的函數(shù)來計算：

式中，e—標準壁厚，mm；DN—公稱直徑，mm；K—壁厚級別系數(shù)，取8，9，10，11，12，…，等系列整數(shù)。

離心球墨鑄鐵管的最小標準壁厚為6mm，非離心球墨鑄鐵管的最小標準壁厚為7mm，在輸水工程中，以K8～K10級別標準壁厚管道為應(yīng)用最多。

4 標準體系

(1)管材、管件類。文獻［4］，對應(yīng)國際標準：ISO2531：2009；《水泥內(nèi)襯離心球墨鑄鐵管及管件》(CJ/T161-2002)。

(2)設(shè)計類。《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(CECS 142：2002)；《球墨鑄鐵管設(shè)計方法》(ISO10803：1999)。

(3)施工類。《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB50268-2008)。

(4)涂層、防腐處理類。《球墨鑄鐵管水泥砂漿離心法襯層一般要求》(GB/T17457-1998)，對應(yīng)國際標準：ISO4179：1985，MOD；《球墨鑄鐵管水泥砂漿離心法襯層新拌砂漿的成分檢驗》(GB/T17458-1998)，對應(yīng)國際標準：ISO6600：1980；《球墨鑄鐵管瀝青涂層》(GB/T17459-1998)；《球墨鑄鐵管外表面鋅涂層》(GB/T17456.1-2009)，對應(yīng)國際標準：ISO8179-1：2004。

5設(shè)計要點

球墨鑄鐵管管道工程設(shè)計應(yīng)符合國家有關(guān)設(shè)計標準、規(guī)范、規(guī)程要求。選擇管材、管件應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)產(chǎn)品標準，避免選用異形管徑和管件，給工程招投標、施工帶來方便。

(1)路線選擇。管道工程路線選擇主要按照盡量縮短管線長度、節(jié)省投資的原則，避開不良地質(zhì)構(gòu)造段，避開現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)和規(guī)劃產(chǎn)業(yè)園區(qū)，避開已有建筑，減少拆遷；管線穿越鐵路、公路、河流時盡量正交布置。值得注意的是，在多個行政區(qū)域交界部位布置管線時，應(yīng)考慮將管線布置在受水目標行政區(qū)域，盡量避免線路在行政區(qū)劃界線兩側(cè)來回穿越，減少征遷協(xié)調(diào)工作，便于工程運行管理。

(2)線路方案比較。線路的方案比較是按照經(jīng)濟合理、投資最低的原則，結(jié)合管道工程輸水方式、地形條件、地質(zhì)條件、交通運輸條件、地表附著物等因素進行多方案線路布置后，從工程投資、征遷投資、協(xié)調(diào)難度、施工難度、運行管理等多方面進行綜合論證，選擇綜合最優(yōu)線路走向。球墨鑄鐵管內(nèi)壓等級高、防腐性能好、施工運輸方便，同時由于具有不同的壁厚等級，因此可以適應(yīng)不同的埋深變化和外壓荷載，為管線布置提供了便利條件，因此，管材確定后，線路方案的優(yōu)劣一定程度上取決于工程的線路長度和地表附著物的征遷投資。

(3)主要計算。球墨鑄鐵管管道工程主要計算包括：確定管材管徑的水力計算，進行瞬態(tài)分析的水錘計算，確定管壁厚度管材等級的強度和變形計算以及確定支墩尺寸的抗滑穩(wěn)定計算，管道設(shè)在地下水位以下時，要進行抗浮計算，抗震區(qū)管道還需進行地震剪切波作用下的變位(應(yīng)變)計算。這些計算可參考相關(guān)規(guī)程規(guī)范進行，需要注意的是，部分計算有多種計算方法，計算過程中應(yīng)進行綜合分析或成果比較，選取合適的計算公式和計算成果，保證計算成果的科學(xué)合理性。

(4)管道轉(zhuǎn)角。球墨鑄鐵管管道接口一般采用承插連接，為柔性接頭，需在水平及垂直拐點處設(shè)置鎮(zhèn)(支)墩，其結(jié)構(gòu)尺寸可參考國家建筑標準設(shè)計圖集《柔性接口給水管道支墩》(10S505)，根據(jù)管道設(shè)計內(nèi)水壓力(0.8～1.1M pa)及土壤等效內(nèi)摩擦角(20°～35°)直接選用或進行復(fù)核計算。當實際內(nèi)水壓力與圖集壓力不一致時，應(yīng)按高一級壓力選用，實際土壤等效摩擦角與圖集摩擦角不一致時，應(yīng)按土壤等效內(nèi)摩擦角較小值選用。

實際工程設(shè)計中，管道轉(zhuǎn)角角度數(shù)值可能較為零散，應(yīng)在管線線路布置時適當調(diào)整拐點轉(zhuǎn)角或通過管道接口上下游的接轉(zhuǎn)，盡可能采用標準彎頭完成轉(zhuǎn)角銜接。

(5)管道附件。管道附件是為保障管道輸水運行的各類專用設(shè)備和部件，主要包括檢修閥、排氣閥、泄水閥、調(diào)流閥、減壓閥等10余類，這些閥件均安裝在井室內(nèi)。檢修閥根據(jù)管道檢修情況，一般在管道首端、末端、分水口和穿越建筑物等部位設(shè)置；排氣閥布置主要考慮管道縱斷面高程情況結(jié)合水錘防護計算確定，一般布置在分段管道最高點；泄水閥分干井和濕井2部分，布置在線路最低點，用于檢修時排空管道存水，間距主要考慮泄水閥排水和檢修時間；調(diào)流閥用于調(diào)節(jié)管道分水流量，平衡水頭壓力，在分水支管首端布置。綜上，管道附件功能各異，設(shè)計時應(yīng)結(jié)合具體情況合理選擇和布置，有效保障管道輸水安全運行。

(6)防腐設(shè)計。球墨鑄鐵管自身電阻值較大，同時接口所用橡膠密封圈具有絕緣作用，因此不易產(chǎn)生電腐蝕。球墨鑄鐵管具有良好的防腐性能，外防腐涂層種類包括瀝青涂層、環(huán)氧煤瀝青涂層、噴鋅加噴涂瀝青漆、環(huán)氧粉末涂層、聚氨酯涂層和聚乙烯套等，其防腐應(yīng)根據(jù)對管道周邊土壤進行性能測試確定土壤腐蝕等級后合理選擇；球墨鑄鐵管的內(nèi)襯涂層一般為水泥砂漿襯層，采用離心法涂覆，既能提高管道耐腐蝕性能，又能保護輸水水質(zhì)。

(7)其他。管道設(shè)計壓力、試驗壓力、水壓試驗要求、施工及驗收標準等可參考現(xiàn)行國家標準《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268-2008)的有關(guān)規(guī)定要求，這里不再贅述。

6 結(jié)語

在管道工程設(shè)計中，管材投資占工程總投資的比重很大，尤其是平原地區(qū)。而管材選用條件與當?shù)氐匦螚l件、地質(zhì)狀況、工程規(guī)模、管道壓力等因素息息相關(guān)，科學(xué)合理的管材方案，對節(jié)省工程投資、方便工程施工、保障工程安全運行意義重大。球墨鑄鐵管所具有的強度高、壁薄、耐壓、耐沖擊、耐腐蝕、耐抗震等性能將與更多具體工程要求吻合，并在輸水工程領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院.衡水市南水北調(diào)工程水廠以上輸水管道工程初步設(shè)計報告［R］.2014.

［2］范英俊.球墨鑄鐵管及管件技術(shù)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］陳湧城.長距離輸水工程的管材選用［J］.中國給水排水，1999，15(08).

［4］GBT13295-2008.水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件［S］.［5］GB50013-2006.室外給水設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］CECS193：2005.城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程［S］.

TV672+.2

B

1672-2469(2017)03-0080-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.029

2017-01-17

邱丁初(1982年—)，男，高級工程師。