長距離輸水工程管材性能分析研究

姚園園

（山西省漳河水利工程建設(shè)管理局，山西 長治 046000）

長距離輸水工程管材性能分析研究

姚園園

（山西省漳河水利工程建設(shè)管理局，山西 長治 046000）

長距離的輸水工程管材的投資比例，占總投資的55%～75%。考慮輸水線路、管線附屬建筑物、泵站位置等影響因素，對(duì)常用PCP、PCCP、DIP、FRPM、SP等5種管材，根據(jù)其特性和優(yōu)缺點(diǎn)，論證每種管材的適用條件，選擇適合改擴(kuò)建輸水工程的管材。

輸水工程；管材；性能分析

隨著我國工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、飲用水的需求量不斷增加，長距離輸水工程在全國范圍內(nèi)大批興建。在長距離輸水工程中，管材投資比例可占總投資的55%～75%。輸水線路、管線附屬建筑物、泵站位置等因素，影響管道材質(zhì)的選擇。輸水工程中經(jīng)常使用的管道材料有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）、玻璃鋼管（FRPM）、鋼管（SP）等。

1 管材

我國在50年代使用PCP管較多，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)工序多，易產(chǎn)生次品，使用過程中易出現(xiàn)質(zhì)量問題，如爆管、滲漏等，維修難度大，現(xiàn)已很少使用。PCCP管已有70多年的應(yīng)用歷史，具有經(jīng)濟(jì)性能高、壽命長、抗震性好、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低、安裝方便、適用范圍廣等特點(diǎn)。由于鋼材造價(jià)較高，長距離輸水管道一般不采用SP管，工程中使用SP管應(yīng)注意防腐。DIP管身比PCCP輕，連接方便，但配件缺乏，如果由灰口鑄鐵管件代替，則影響管線質(zhì)量；此外，隨著管徑增大，價(jià)格升幅比例過大，DN 800以下的DIP管道性價(jià)比較高。FRPM管管身較輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕，運(yùn)輸、安裝、連接方便，但價(jià)格較高，剛性低，對(duì)溝槽的開挖回填標(biāo)準(zhǔn)要求高。

2 管材特性

辛安泉改擴(kuò)建工程供水對(duì)象為城鄉(xiāng)居民生活、工業(yè)和灌溉。項(xiàng)目線路較長、工壓高、管徑較大、保證率要求高，對(duì)工程管材的安全性、抗外環(huán)境不利因素性能、耐久性等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均高。綜合比較5種管材，分析每種管材的使用特性。

2.1 SP（鋼管）特性

可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。可根據(jù)鋼管環(huán)向強(qiáng)度、彈性模量等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算出承受的內(nèi)水壓力和管頂外荷條件，繼而依據(jù)鋼管的剛度、強(qiáng)度，計(jì)算出準(zhǔn)確的管壁厚度。

使用壽命長。將管道內(nèi)、外壁按規(guī)范要求進(jìn)行除銹和防腐處理，對(duì)長距離輸水管線輔以電化學(xué)保護(hù)，會(huì)極大增加鋼管的使用壽命，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。

基礎(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)，無需做多余的基礎(chǔ)處理。

接口采用焊接，較其他管件相比防滲性、對(duì)抗沉降性更好。

鋼管可以根據(jù)設(shè)計(jì)的布置圖要求，制作出準(zhǔn)確的彎頭及配件，便于施工安裝。

2.2 DIP（球墨鑄鐵管）特性

球墨鑄鐵是鐵、碳、硅合金，球墨鑄鐵管主要特點(diǎn)，具有較高的承壓能力；通過水泥砂漿做內(nèi)防腐，噴鋅和煤瀝青防腐漆做外防腐，球墨鑄鐵管具有良好的防腐性能；密封性好；接口為柔性，抗震性能高；大管徑球墨鑄鐵管價(jià)格較高，一般使用的管徑范圍為DN 100～DN 2200。

2.3 FRPM（玻璃鋼管）特性

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管簡稱玻璃鋼管，根據(jù)制作方法不同分為玻璃長纖維纏繞夾砂和玻璃短纖維離心澆鑄加砂。

玻璃鋼夾砂薄壁彈性管，其外壓承受能力較差，所以在設(shè)計(jì)過程中主要以環(huán)剛度作為控制指標(biāo)，埋地管環(huán)剛度采用5～7.5 kN/m，特殊地段（穿越公路等）需采用10 kN/m。

特點(diǎn)是內(nèi)壁光滑，過水性較好；承受內(nèi)壓一般，適用性受限；不需做防腐層；重量輕，施工吊裝、運(yùn)輸方便。

接口處理方法為采用承插口，承插口上安裝橡膠圈止水，抗震性能較好。管道配件生產(chǎn)能力差，周期長，不利于大型工程及工期有要求的工程使用。

施工要求高，基礎(chǔ)壓實(shí)度要求高（一般在95%以上），質(zhì)檢要求高，對(duì)工程質(zhì)量依賴性較大，使工程費(fèi)用大幅提高，不利于降低成本。

雖國內(nèi)制造廠已具備大口徑（DN 1600～DN 3000）的生產(chǎn)能力，實(shí)際工程應(yīng)用以中、小口徑為主，缺乏大口徑管道的使用經(jīng)驗(yàn)。

2.4 PCCP（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管）特性

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，由內(nèi)部嵌置鋼筒、纏繞在管芯上的環(huán)向預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲、外部施噴水泥砂漿層、內(nèi)部混凝土層構(gòu)成，特點(diǎn)是管徑范圍廣（DN 800～DN 4000），抗?jié)B能力好；承受內(nèi)、外壓較高；耐腐蝕性能好，除接口處一般不需作內(nèi)外壁防腐處理，壽命長。

采用承插口連接，可采用單、雙橡膠圈止水，密封性能高，接口帶有試壓孔，雙膠圈止水安裝后可逐一接頭試壓。重量大，運(yùn)輸成本及吊裝成本較高。配件（彎頭、排水三通、排氣三通）采用鋼制配件，需進(jìn)行防腐處理。

對(duì)軟土地基，需做管道基礎(chǔ)，工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用較低。

2.5 PCP（預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管）

預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管，采用承插式膠圈柔性接口，適應(yīng)各種地質(zhì)條件下的地基，施工安裝便捷，防腐能力較強(qiáng)，不需要做內(nèi)外防腐，工程投資較少。缺點(diǎn)是承插接口的加工精度無法保證，滲漏較嚴(yán)重；重量較重，運(yùn)輸不方便，輸水安全性能低。

3 管材比選

根據(jù)工程實(shí)際管徑和工壓情況，選取五種規(guī)格管材進(jìn)行造價(jià)比較。

3.1 性能比選

依據(jù)管材的糙率、輸水能力、抗內(nèi)壓、抗外荷載、抗腐性、密封性等特性，對(duì)5種管材分析比較（見表1）。

比較可知，鋼管的抗外荷載性能差，玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管的抗外荷載性較差。辛安泉供水改擴(kuò)建工程的管道施工均是地下埋設(shè)，施工環(huán)境復(fù)雜，需承受較高的內(nèi)、外壓，不適于使用以上3種管材，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管與球墨鑄鐵管的各項(xiàng)性能符合本工程的需求。

3.2 造價(jià)比選

管道的材料不同，造價(jià)相差較大，本工程是長距離輸水管線，管道投資占總投資比重較大，需選用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高的管材。長距離輸水工程，常用的5種管材不同管徑的造價(jià)比較見表2。

表1 管材性能比選表

表2 管材造價(jià)比較表 元/m

由表2可知，玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管的造價(jià)較低，鋼管的造價(jià)最高，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管與球墨鑄鐵管的造價(jià)較高。

通過對(duì)管材的性能、造價(jià)比選得出：SP的造價(jià)高、抗外荷載性能差、防腐性能差；FRPM的費(fèi)用較低、糙率較小、投資較少，但其抗內(nèi)、外壓性能較差、對(duì)地基及回填的標(biāo)準(zhǔn)較高，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在地質(zhì)與外界環(huán)境條件比較好的情況下，效果較好；PCP的施工、安裝方便，投資較少，但其承插接口的加工精度難以得到保證，滲漏較大，安全性較差，在國內(nèi)長距離、管徑較大的輸水工程中很少被采用；PCCP與DIP的造價(jià)較高，抗內(nèi)、外壓、防腐、密封性等性能高。辛安泉供水改擴(kuò)建工程管道線路長，施工環(huán)境復(fù)雜，管道內(nèi)、外壓較高，埋設(shè)較深，因此宜選用PCCP與DIP作為本工程的主要管材。

4 管徑選擇

選擇工程輸水方式的原則，充分利用輸水地形高差，采用有壓重力輸水方式，且管徑要求最小。管徑計(jì)算公式：

式中：D——設(shè)計(jì)管道內(nèi)徑，m；

Q——設(shè)計(jì)引水流量，m3/s；

v——管道經(jīng)濟(jì)流速，m/s。

加壓輸水段管道，要準(zhǔn)確比較管道的管徑、工程費(fèi)用、泵站揚(yáng)程、運(yùn)行費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)成本，擇優(yōu)選取。

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1004-7042（2017）09-0014-02

姚園園（1986-），女，2012年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院工程管理專業(yè)，助理工程師。

2017-07-15；

2017-08-19