天水城區(qū)引洮供水工程壓力鋼管設(shè)計與研究

孫江河，楊勝平

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

天水城區(qū)引洮供水工程建成后年供水量5548m3，可有效解決天水市城區(qū)供水緊張的狀況。工程自通渭縣榜羅鎮(zhèn)境內(nèi)的引洮二期四干渠末端6#分水閘處取水，利用暗渠、隧洞及壓力管道輸水至天水市秦州區(qū)藉口鎮(zhèn)楊家灣調(diào)蓄水池。輸水方式為無壓自流暗渠(隧洞)+有壓重力流管道輸水，地埋單管(渠)設(shè)計，設(shè)計流量2.1m3/s。工程新建輸水線路92.4km，其中，暗渠及倒虹吸14.7km，隧洞8.7km，重力流管道69km；輸水管線末端新建一座155萬m3調(diào)蓄水池。

重力流管道主要包括三段：第一段從7#洞出口至1#消能箱，管徑1.4m，全長約6.1km，順地勢長下坡布置，最大靜水壓力308m；第二段自1#消能箱尾部至2#隧洞進口消能箱，管徑1.2m，全長約42km，倒虹形式布置，倒虹吸最低點靜水壓力423m；第三段自2#隧洞出口至調(diào)蓄水池，倒虹形式布置，管徑1.4m，管線全長約20.9km，倒虹吸最低點靜水壓力為143m。本工程第一、二段管道管徑大，管線長，壓力高，采用壓力鋼管，是工程設(shè)計與施工的重點和難點；第三段壓力相對較低，采用球磨鑄鐵管。

2 壓力鋼管的設(shè)計

2.1 管材及連接方式的選擇

鋼管安裝有焊接、承插、卡箍式及法蘭等方式，其各有優(yōu)缺點及適用范圍。經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟性比較，本工程選用焊接方式連接，廠內(nèi)將管端制備成單面V型坡口，工地安裝時按單面焊雙面成型工藝施焊。

2.2 壁厚及穩(wěn)定性的計算

本工程壓力鋼管控制性工況為承受設(shè)計內(nèi)水壓力，設(shè)計內(nèi)水壓力按最大工作壓力再加0.5MPa確定。第二段鋼管壓力最大、單管最長，具有代表性，本文選取該段壓力鋼管進行分析研究。根據(jù)水力過渡過程計算，該段鋼管最大工作壓力為441m，故設(shè)計內(nèi)水壓力最大值確定為4.91MPa。

由于鋼管埋深較淺，僅在凍土層以下，外壓較小，許用應(yīng)力按SL281規(guī)范中明設(shè)鋼管[δ]=0.55σs取用。對于Q345C鋼，當壁厚≤16mm時，σs=345MPa；壁厚>16mm時，σs=325MPa。相應(yīng)的鋼管允許應(yīng)力分別為189.75 MPa和178.75 MPa。壁厚在計算值基礎(chǔ)上另加不小于2mm的腐蝕、磨損裕量。

鋼管承受壓力大，為節(jié)約成本和方便制造及安裝，鋼管壁厚根據(jù)不同壓力進行分級，級差太大不能充分發(fā)揮鋼管的承壓能力，級差太小會造成鋼管壁厚種類多；結(jié)合工程實際情況，按照級差2mm的原則進行壁厚分級，壁厚按滿足抗內(nèi)壓要求進行計算：

式中，σx、σθ—軸向、環(huán)向正應(yīng)力，MPa，以拉為正；τXθ—剪應(yīng)力，MPa；[σ]—允許應(yīng)力，MPa；ψ—焊縫系數(shù)。

管壁計算應(yīng)力除滿足上式計算應(yīng)力外，管壁最大環(huán)向應(yīng)力也應(yīng)不超過ψ[σ]，環(huán)向壓力按下式計算：

式中，t0—鋼管計算壁厚，mm；Hp—管道中心處壓力水頭，MPa；D—管道直徑，mm；[δ]—鋼板允許抗拉應(yīng)力，MPa;ψ—焊縫系數(shù)。

風雨瀟瀟(“瀟瀟”，《全宋詩》作“蕭蕭”)夕，春寒燈較昏。茅檐數(shù)椽屋，荻浦幾家村。網(wǎng)到江鱗活，沽來市酒渾。焙衾供(“供”，《全宋詩》作“共”)結(jié)局，一覺眇乾坤。

鋼管壓力分級及壁厚計算取用值見表1。

SL281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》中對明管、地下埋管和壩內(nèi)埋管抗外壓強度校核進行了規(guī)定，未對本工程類似回填管進行要求，為確保安全，筆者按SL281中明管和地下埋管、《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》以及《泵站設(shè)計規(guī)范》中明設(shè)光面鋼管壁厚最小值的要求進行抗外壓穩(wěn)定校核，本工程采用壁厚均滿足抗外壓穩(wěn)定的要求，其所需壁厚均小于按承受內(nèi)壓計算壁厚。通過進一步分析，筆者認為對于類似設(shè)計內(nèi)水壓力大于3.0MPa且僅埋設(shè)于凍土層以下，母材為Q345強度級別的回填管工程，按承受內(nèi)壓計算的壁厚均滿足抗外壓穩(wěn)定的要求。結(jié)合本工程對上述3種規(guī)范的適用性進行分析，認為《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對抗外壓穩(wěn)定分析與工程實際情況最為適用，建議長距離輸水壓力鋼管抗外壓穩(wěn)定按《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進行分析。

2.3 防腐設(shè)計

目前國內(nèi)外常用的鋼管外防腐主要有環(huán)氧煤瀝青防腐、PE粘帶防腐、熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐、3PE、2PE以及單PE等形式。3PE工藝為底層采用熱熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)、中間層膠黏劑、外層纏繞聚乙烯保護層，3種材料融為一體，并與鋼管牢固結(jié)合形成防腐層。其絕緣性能和抗機械損傷性能優(yōu)良，理論壽命可達50年以上。3PE防腐是從油氣鋼管外防腐發(fā)展而來，在國內(nèi)長輸油氣管道率先引進并大量使用。目前在國內(nèi)已全部實現(xiàn)自主開發(fā)，從原材料到設(shè)備制造均已實現(xiàn)國產(chǎn)化，經(jīng)濟性大幅提高，已成為大型地埋管道工程外防腐的主要形式。

管道內(nèi)防腐工藝目前主要有內(nèi)襯水泥砂漿、液態(tài)環(huán)氧涂料防腐、納米陶瓷涂料防腐、熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)防腐等。熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層是一種加熱固化交聯(lián)而形成的連續(xù)的熱同性聚合物，其羥基基團在一定溫度下，能夠與鋼管基體發(fā)生反應(yīng)結(jié)合在一起，附著力極強，其分子結(jié)構(gòu)致密性良好，具有衛(wèi)生等級高、阻力小、耐腐蝕、耐磨、耐沖擊等特點，理論壽命可達50年以上。其糙率理論平均值為0.0086，均小于其他防腐形式，意味著輸送相同流量的管道管徑可以更小，對于長輸管道工程投資有重大影響。

經(jīng)綜合分析比較，本工程外防腐采用3PE形式，內(nèi)防腐使用熱熔結(jié)環(huán)氧樹脂粉末形式。外防腐執(zhí)行GB/T23257—2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》標準，防腐層厚度不小于3.0mm；內(nèi)防腐執(zhí)行CJ/T120—2008《給水涂塑復(fù)合鋼管》標準，涂層厚不小于0.4mm。鋼管安裝焊口外補口使用輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套(帶)進行防腐，內(nèi)壁原設(shè)計為不銹鋼內(nèi)襯免補口工藝，在安裝試焊階段發(fā)現(xiàn)雙金屬焊接焊縫合格率低，若繼續(xù)采用該工藝會造成質(zhì)量隱患，實際施工中取消不銹鋼內(nèi)襯免補口工藝，改為雙組分無溶劑環(huán)氧樹脂補口。

表1 壓力鋼管壓力分級及壁厚計算表

2.4 高壓管件設(shè)計

為了管道安全運行，管線沿途設(shè)置補排氣閥、超壓泄壓閥、放空閥等控制設(shè)備，相應(yīng)位置上設(shè)置三通管件或四通管件，均為正交貼邊岔管，支管直徑最小0.2m(放空三通)，最大0.5m。考慮到本工程防腐等級高以及承壓高等特點，為確保管徑加工質(zhì)量，將所有管件按SL281《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》設(shè)計成主管長2.0m的標準管節(jié)，依SL432—2008《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》在工廠加工制造，并按主管標準除銹防腐后運至工地，避免了工地現(xiàn)場制造對成品管內(nèi)外防腐層的破壞，保證了管件的加工質(zhì)量。為了確保安全，利用有限元軟件對于支管較大的三通管件進行強度、變形復(fù)核。

2.5 招標及施工安裝的主要技術(shù)要求

為了保證鋼管母材(熱軋卷板)的質(zhì)量，招標階段首先對管材原料廠家進行了限制，指定必須選用國內(nèi)一線鋼廠產(chǎn)品，使用寶鋼、鞍鋼、首鋼、武鋼、攀鋼等廠家生產(chǎn)的熱軋卷板；其次對熱軋鋼帶板寬進行了規(guī)定，鋼管管徑Φ1000mm以上(含1000)的熱軋卷板寬帶板寬≥1450mm，Φ630～Φ1000之間鋼管熱軋鋼帶寬不小于1000mm；最后對焊管成型后壁厚負偏差嚴加限制，規(guī)定允許偏差為公稱壁厚的-3%～+6%(國家標準規(guī)定壁厚偏差為±10%，且不大于1.5mm)，且平均壁厚值不允許有負偏差。同時要求對每一根鋼管焊縫進行100%的X射線檢查，逐根進行打壓試驗，試驗壓力根據(jù)管壁應(yīng)力達到母材最小屈服強度的90%進行控制。對外防腐規(guī)定了具體厚度：底層環(huán)氧粉末層≥140um，中間層膠黏劑170～250um，防腐層總厚度(平均)≥3.0mm。內(nèi)防腐須符合GB/T 17219《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護材料的安全性評價標準》要求，確保環(huán)保無毒符合飲用水標準。其它制管及防腐涉及的材料、過程檢驗項目及要求、檢驗頻次等均按相應(yīng)規(guī)范執(zhí)行。

本次設(shè)計過程中，按照《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》并參照GB50369《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容，從施工準備、材料及設(shè)備檢驗、交接樁及測量放線直到最終工程交工等12個方面，制定了詳細的施工技術(shù)要求，為施工安裝提供了質(zhì)量保證。

3 施工安裝過程簡述及存在的主要問題

一是在簽署技術(shù)協(xié)議階段發(fā)現(xiàn)管材Q345C材質(zhì)和制管標準GB/T9711國標規(guī)范不完全匹配。GB/T9711規(guī)范適用于母材為管線鋼卷制的鋼管，而Q345C和管線鋼因用途不同，兩種鋼材對冶煉、軋制要求不相同，檢驗檢測范圍要求也各不相同，因此Q345C鋼材卷制的鋼管無法滿足GB/T9711規(guī)范的部分檢測項目要求。將原文件中適用于更高鋼級(>L485/X70)的PSL2級產(chǎn)品規(guī)范水平不適用于Q345C鋼材的部分條款刪除，保留其它檢測項目及頻次，使材質(zhì)和制管標準基本匹配，達到技術(shù)合理適用、可操作性強的目的，且滿足了設(shè)計要求。

二是內(nèi)襯不銹鋼的問題?？紤]施工安裝的便利性，設(shè)計初期采取了管端內(nèi)襯不銹鋼板免補口工藝措施：管口內(nèi)襯厚度1.5mm的S304不銹鋼板，安裝時先用免充氬不銹鋼焊絲打底焊接不銹鋼板，再使用碳鋼焊條焊接母材，焊后不再進行內(nèi)補口防腐處理。安裝試焊過程中發(fā)現(xiàn)焊縫X射線探傷合格率僅為12.8%，不合格焊縫的主要問題是夾渣、氣泡、未熔合、裂紋及不銹鋼鼓包等。經(jīng)分析主要原因是不銹鋼板與基材之間存在縫隙，該縫隙的存在以及縫隙氣體受熱涌出擾動熔池是產(chǎn)生缺陷的根本原因。后續(xù)的正式焊接中，取消了內(nèi)襯不銹鋼免補口工藝，改為常規(guī)焊接工藝，無損探傷合格率達到97.44%。

4 壓力輸水鋼管設(shè)計的思考

4.1 鋼管母材與制管標準選擇

水利工程長距離輸水壓力鋼管參照SL281《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計，其中鋼管所用鋼材宜用的有Q235的C、D級和Q345、Q390的C、D、E級及部分壓力容器用鋼板。制管規(guī)范有石油行業(yè)標準(SY/T5037，適用于碳素結(jié)構(gòu)鋼)和國家標準(GB/T9711，適用于管線鋼)兩種，國家標準在尺寸誤差、無損探傷方面要求較部頒標準嚴格，在理化、機械性能檢測項目和頻次方面也較部頒標準多。如果鋼管母材選用Q235鋼板，那么制管規(guī)范使用部頒標準(SY/T5037)無疑是匹配合適的。如果鋼管母材選用Q345鋼板，由于低合金結(jié)構(gòu)鋼與管線鋼冶煉軋制要求不相同，制管規(guī)范若選擇部頒標準則不夠嚴格，而選擇國家標準在檢驗檢測范圍和要求方面與低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345無法匹配?？紤]到本工程管道管徑大、壓力高，管道的缺陷會造成較大的危害，按照就高不就低的原則，為保證工程質(zhì)量，制管最終選擇國家標準。需要注意的是，規(guī)范引用應(yīng)注明GB/T9711的PSL1級，因為PSL2級適用的最低鋼級是L485/X70，且PSL2級的部分鋼材冶煉、軋制及理化、機械性能檢驗檢測要求用于低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345是無法實現(xiàn)的。

長距離管道使用管線鋼更為適合，管線鋼相比低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345有更好的化學(xué)成分，其添加了更多有益合金元素，S、P有害元素低，顯微組織晶粒更細，軋制、冷卻控制工藝生產(chǎn)更為先進，強度、塑性及韌性等機械性能更優(yōu)。而SL281《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》第6節(jié)結(jié)構(gòu)分析中規(guī)定：若鋼材曲強比σs/σb>0.7，應(yīng)以σs=0.7σb計算許用應(yīng)力。因此采用SL281標準計算鋼管壁厚無法體現(xiàn)管線鋼機械性能更優(yōu)的特性。以低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345鋼級相近的管線鋼L360為例，其抗拉強度σb=460MPa，則其屈服強度σs=0.7σb=322MPa，與低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345相當，鋼材量基本不變，但管線鋼L360較低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345鋼材單價要高，經(jīng)濟性要差。筆者認為SL281是2003年頒布的，目前國家的經(jīng)濟實力和高性能管線鋼材的發(fā)展已達到一定的水平，有必要盡快修訂水利行業(yè)SL281的標準。一是解決與國家標準的不匹配問題，二是針對高性能鋼材的特性修改有關(guān)材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)計算的內(nèi)容。

4.2 防腐形式的選擇標準與預(yù)留腐蝕厚度的探討

本工程對于鋼管壁厚的設(shè)計除強度要求外，增加了2mm的銹蝕裕量，這是依據(jù)SL281規(guī)范做出的。由于鋼管采用了高級別的內(nèi)外防腐保護，壁厚增加2mm銹蝕裕量有無必要是有爭論的。雖然最終按SL281規(guī)范要求增加了2mm裕量，但筆者認為應(yīng)按照鋼管采用的內(nèi)外防腐形式和防護等級區(qū)別對待預(yù)留銹蝕裕量的問題，本工程預(yù)留的銹蝕裕量必要性值得思考。建議在修改規(guī)范時針對此類問題進行專題研究并予以明確。

4.3 管道接頭段內(nèi)襯不銹鋼工藝的教訓(xùn)及思考

本工程免補口內(nèi)襯不銹鋼工藝因焊縫質(zhì)量不過關(guān)最終沒有實施，對設(shè)計而言是一個教訓(xùn)，但也不能否定雙金屬連接工藝在鋼管接口的應(yīng)用，畢竟小口徑鋼管內(nèi)補口因尺寸限制，人工施工存在薄弱環(huán)節(jié)，需要對這種工藝進行進一步的改進。最近有廠家在嘗試使用多焊頭涂覆焊工藝在管口焊接一定寬度和厚度的不銹鋼層，使基材和不銹鋼層之間達到冶金分子層面的結(jié)合，采取復(fù)合鋼板焊接工藝可以保證焊縫質(zhì)量，如果焊縫可滿足相應(yīng)規(guī)范的機械性能試驗要求，應(yīng)該具有良好的應(yīng)用前景。

4.4 高壓輸水鋼管檢測方法的探討

本工程鋼管的制作要求生產(chǎn)廠家對每一根鋼管焊縫進行100%的X射線檢查，逐根進行打壓試驗。為保證現(xiàn)場各管段連接的焊接質(zhì)量，采取了所有焊縫100%超聲波和X射線雙重檢驗的方法。按照最先設(shè)計的管端內(nèi)襯不銹鋼板免補口工藝，安裝試焊過程中發(fā)現(xiàn)焊縫X射線探傷合格率僅為12.8%，而超聲波探傷合格率可達95%以上。兩種檢測方式對雙金屬連接工藝在鋼管接口的應(yīng)用影響很大，雖然出于安全考慮，最終放棄了內(nèi)襯不銹鋼板免補口工藝，但各種規(guī)范均沒有明確要求進行雙重檢驗?？紤]到今后雙金屬連接工藝在鋼管接口的應(yīng)用，建議在修定相應(yīng)的規(guī)范時對檢測方法區(qū)分不同的材質(zhì)進行相應(yīng)的規(guī)定。需要指出的是本工程制管、工地防腐及焊接等檢驗都具有較強的專業(yè)性，項目業(yè)主聘請了專業(yè)的第三方單位進行檢測，保證了鋼管的制作和施工質(zhì)量，這種做法值得在大中型重要項目中推廣。

5 結(jié)語

本工程壓力鋼管于2017年12月全部安裝完成，并分段完成水壓試驗后，于2019年10月全線通水，截至目前工程運行良好。水利行業(yè)在類似長距離輸水壓力鋼管設(shè)計中無相應(yīng)規(guī)范，尤其在鋼管母材選擇、基管制造、防腐形式等方面無明確的指導(dǎo)意見，設(shè)計和施工只能參考相近或其他行業(yè)相關(guān)規(guī)范，在工程建設(shè)中遇到不少問題；本文所述的結(jié)構(gòu)計算方法、基材選擇、防腐方案、檢測手段等內(nèi)容，可供類似工程參考；免補口內(nèi)襯不銹鋼工藝和檢測方式值得深入研究，SL281中規(guī)定的材料更適合水電站壓力鋼管，筆者認為長距離輸水管道使用管線鋼更為合適，規(guī)范修訂時應(yīng)進一步探討，隨著我國水利事業(yè)的發(fā)展，類似工程會越來越多，急需出臺相應(yīng)規(guī)范統(tǒng)一指導(dǎo)設(shè)計和施工。