長距離鋼質(zhì)輸水管道管材和防腐設(shè)計分析

楊建中

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

引言

我國水資源極為稀缺，而且分布不均，長距離輸水管道是實現(xiàn)水資源調(diào)補(bǔ)的一種經(jīng)濟(jì)、可靠的方式。尤其是在城市地下水過度開采、大型企業(yè)用水急速增加的現(xiàn)狀下，長距離輸水里程增長迅速，長距離輸水技術(shù)逐漸成熟[1]。目前用于長距離輸水管道的管材有預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、鋼管以及化學(xué)建材管，然而鋼管柔性好，承壓能力強(qiáng)，焊接方式連接的整體性好，對地形的適應(yīng)性強(qiáng)，對地基承載力要求低，非常適用于長距離輸送[2～3]。但鋼管的鋼級、制管形式很多，鋼管的防腐形式也存在較大差異，在鋼管選材和鋼管防腐方面，應(yīng)結(jié)合我國油氣長輸管道的設(shè)計理念，進(jìn)一步開展長距離鋼質(zhì)輸水管道的管材和防腐設(shè)計研究，以推進(jìn)長距離鋼質(zhì)輸水管道的技術(shù)發(fā)展。

1.基管選擇

鋼質(zhì)輸水管道首先應(yīng)考慮基管的選擇，基管選擇主要需確定制管用鋼級和制管形式。

1.1 鋼級選擇

鋼級的選擇應(yīng)根據(jù)壓力等級、管徑、選取壁厚及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比選論證。通常選用鋼級越高，鋼管壁厚越小， 耗鋼量越少，也更經(jīng)濟(jì)，然而選用壁厚必須滿足鋼管的剛度校核和穩(wěn)定性校核[4]。

由于輸水管道的壓力一般不會超過4MPa，一般情況下Q235B和Q355B鋼級即可滿足鋼管的強(qiáng)度校核計算。輸水管道管材強(qiáng)度等級不應(yīng)低于 Q235。 Q235B管材性能應(yīng)滿足GB/T 700的要求，Q355B管材性能應(yīng)滿足GB/T 1591的要求。對于重要等級特別高的長距離輸水管道，可以選擇更高的鋼級，也可以參照《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》（GB/T 9711）中PSL1或PSL2鋼管來進(jìn)行鋼級選擇，油氣管道用管線鋼在屈服強(qiáng)度、化學(xué)成分、管材韌性等方面更具優(yōu)勢，然而其經(jīng)濟(jì)性較差。

1.2 管型選擇

輸水管道常選用的制管型式主要有無縫鋼管（SMLS）、高頻焊鋼管（HFW）和螺旋縫埋弧焊鋼管（SAWH）。管型選擇應(yīng)根據(jù)管道直徑、設(shè)計壓力、沿線自然條件、經(jīng)濟(jì)投資、鋼管生產(chǎn)加工、供貨周期等因素綜合考慮[5]。不同管型優(yōu)缺點見表1。

表1 不同管型有缺點對比表

管型選擇一般可按照下述原則進(jìn)行：

對于直徑DN大于或等于500mm的管道，宜選用螺旋縫埋弧焊鋼管；對于直徑DN大于或等于250mm、小于500mm的管道，宜選用螺旋縫埋弧焊鋼管，也可采用高頻焊鋼管；對于直徑DN大于或等于150mm、小于250mm的管道，宜選用無縫鋼管或高頻焊鋼管。

基管為直縫焊接鋼管的應(yīng)符合GB/T 3091對基管的要求；基管為螺旋縫埋弧焊鋼管的應(yīng)符合SY/T 5037對基管的要求；基管為無縫鋼管的應(yīng)符合GB/T 8163對基管的要求；基管為其他鋼管的應(yīng)符合國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對基管的要求。

2.彎管/彎頭選用

2.1 彎管/彎頭形式選用

基于鋼管的可變形能力，長距離鋼質(zhì)輸水管道對于小角度轉(zhuǎn)向可以采用彈性敷設(shè)和冷彎彎管，彈性敷設(shè)曲率半徑應(yīng)根據(jù)管徑大小，可選1000D～1500D，但不應(yīng)小于1000D。冷彎彎管采用直管進(jìn)行現(xiàn)場彎制，冷彎彎管曲率半徑根據(jù)管徑大小可選擇40D～50D，但不應(yīng)小于40D。

用于長距離輸水管道大角度轉(zhuǎn)向的彎管/彎頭有拼接式彎頭、對焊彎頭和整體式熱煨彎管。拼接式彎頭應(yīng)滿足《鋼制管件》（GB 02S403-2002）的技術(shù)要求，不同角度彎頭包含2～4道環(huán)焊縫，彎頭長度小，焊縫處應(yīng)力集中顯著，泄露風(fēng)險較高。對焊彎頭應(yīng)滿足《鋼制對焊管件技術(shù)規(guī)范》（GB/T 13401-2017）的技術(shù)要求，是通過對鋼板的擠壓、推制、拉拔或鍛制等工藝制作而成。每個彎頭有一道或兩道縱向焊縫，應(yīng)力集中較小。拼接式彎頭和對焊彎頭的曲率半徑為1.5D或3D，曲率半徑的選擇應(yīng)考慮彎頭角度、成品彎頭的長度，以便于安裝，同時保證相鄰環(huán)焊縫的距離滿足規(guī)范要求。熱煨彎管應(yīng)滿足《工業(yè)金屬管道施工驗收規(guī)范》（GB 50235-2010）或《油氣輸送用感應(yīng)加熱彎管》（SY/T 5257-2012）的技術(shù)要求，彎管曲率半徑通常取5D～6D，該類型彎管生產(chǎn)成本高，母管宜采用直縫埋弧焊鋼管，母管壁厚要求也較高，但是彎管的整體性最好。

以DN800*10管道彎頭、彎管成本來說，熱煨彎管的成本最高，拼接式彎頭和對焊彎頭價格相當(dāng)，對焊彎頭的價格略低于拼接式彎頭。通過近期向管廠對不同型式的彎頭、彎管詢價，各種彎頭、彎管的單價比較詳見表2。

表2 常用角度不同形式彎管/彎頭經(jīng)濟(jì)對比表

2.2 彎管/彎頭受力分析

按照《室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50013的要求，非整體連接管道在管道的垂直和水平方向轉(zhuǎn)彎點處， 以及管徑截面變化處都會產(chǎn)生軸向力，埋地管道一般設(shè)置支墩支撐[6]。采用焊接方式進(jìn)行連接的鋼質(zhì)輸水管道屬于整體連接管道，需要對選用彎管/彎頭進(jìn)行應(yīng)力分析，以確定設(shè)置支墩的必要性。以DN800*10管道為例，設(shè)計參數(shù)和土壤參數(shù)分別見表3和表4，采用Ansys軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。

表3 設(shè)計參數(shù)取值表

表4 土壤參數(shù)取值表

25°以上彎頭曲率半徑取1.5D，取水平方向、豎直方向、水平和豎直疊加三種工況進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表5所示：

表5 計算結(jié)果表

對不同角度彎頭計算結(jié)果進(jìn)行整理，軸向應(yīng)力和當(dāng)量應(yīng)力變化趨勢見圖1所示。從圖中可以看出，該案例中水平彎頭、縱向彎頭、疊加彎頭的軸向應(yīng)力和當(dāng)量應(yīng)力均低于0.9s3，無需增設(shè)支墩。

圖1 彎頭應(yīng)力變化趨勢圖

3.管材防腐

3.1 管材外防腐的選擇

輸水鋼管最重要的是解決防腐問題，鋼管本身容易生銹、抗侵蝕性能較差，為提高管道的防腐性能，推薦選用工廠預(yù)制的鋼塑復(fù)合管或涂塑復(fù)合鋼管[7～8]。

管材外防腐層可選用熱塑性聚乙烯粉末涂層或PE防腐層。PE防腐層執(zhí)行《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》GB/T 23257中的相關(guān)技術(shù)要求，具有良好的穩(wěn)定性、電絕緣性及機(jī)械強(qiáng)度，是首選的外防腐形式。PE外防腐層可以根據(jù)輸水管道的重要程度、敷設(shè)區(qū)域及土壤和水對鋼材的腐蝕程度來選擇單層PE防腐層或3層PE防腐層。3層PE外防腐層的涂層黏結(jié)力、整體防腐性能等均遠(yuǎn)高于單層PE，已應(yīng)用于引黃濟(jì)臨項目、圖克水線、天水引洮、檳長礦區(qū)輸水管道等工程[9]。

3.2 管材內(nèi)防腐的選擇

管材內(nèi)壁可采用常溫型環(huán)氧涂料或熱固性環(huán)氧樹脂。

內(nèi)壁熱固性環(huán)氧樹脂粉末由環(huán)氧樹脂、顏填料、固化劑、流平劑組成，采用熱涂工藝，先將鋼管預(yù)熱至230℃，再將環(huán)氧粉末噴灑至鋼管表面，鋼管旋轉(zhuǎn)使涂膜均勻，涂層一次成膜厚度大，效率高，不含揮發(fā)性介質(zhì)，涂層無毒，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《給水涂塑復(fù)合鋼管》（CJ/T120-2016）及《鋼塑復(fù)合管》（GB/T 28897-2012）的相關(guān)要求，具有較好的抗化學(xué)、防腐耐水性能。涂層一次成膜，堅韌耐磨，抗沖擊性較好，具有極佳的附著力，能有效防止施工中機(jī)械損壞，內(nèi)壁光滑不易結(jié)垢。熱固性環(huán)氧樹脂粉末的厚度應(yīng)滿足《鋼塑復(fù)合管》（GB/T 28897-2012）和《給水涂塑復(fù)合鋼管》（CJ/T 120-2016）的規(guī)定，內(nèi)壁環(huán)氧樹脂厚度為≥0.45mm。

內(nèi)壁無溶劑液態(tài)環(huán)氧涂料由A、B組分組成，A組分由低粘度環(huán)氧樹脂、顏填料和助劑組成，B組分為低粘度改性胺固化劑。A、B組分按一定比例混合后采用高壓無氣噴涂工藝進(jìn)行自動噴涂。一次成膜厚度大，噴涂效率高，不含揮發(fā)性介質(zhì)，安全環(huán)保。涂層無毒，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《給水涂塑復(fù)合鋼管》（CJ/T120-2016）的相關(guān)要求，涂層一次成膜，無孔隙、無裂紋、內(nèi)應(yīng)力小，耐磨性優(yōu)、抗劃傷性好、耐化學(xué)腐蝕性能好、涂膜致密、防腐耐水性能好。

上述兩種內(nèi)防腐形式，在地形適應(yīng)性、施工便捷性、安全環(huán)保性等方面均具有優(yōu)勢，都可以達(dá)到良好的防腐效果。

3.3 陰極保護(hù)

為抑制土壤對埋地鋼質(zhì)管道外壁的電化學(xué)腐蝕，可采用外防腐涂層和陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)措施[10]。管線的陰極保護(hù)方法通常有強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法，犧牲陽極法不需要外部電源、對鄰近金屬構(gòu)筑物無干擾或干擾很小、保護(hù)電流分布均勻、工程規(guī)模越小越經(jīng)濟(jì)，但是其保護(hù)年限短，不宜在高電阻率環(huán)境下使用，保護(hù)電流的大小不易調(diào)節(jié)。因此，犧牲陽極法常用于管線較短管徑較小密集敷設(shè)的城市管網(wǎng)保護(hù)中。強(qiáng)制電流法的輸出電流連續(xù)可調(diào)，保護(hù)范圍大，不受環(huán)境電阻率的限制，保護(hù)裝置壽命長，工程規(guī)模越大越經(jīng)濟(jì)，但是其需要外部電源、維護(hù)管理工作量較大，而且可能會對鄰近金屬構(gòu)筑物造成干擾。強(qiáng)制電流法常用于長輸管線的保護(hù)。根據(jù)工程規(guī)模、投資等方面可以對陰極保護(hù)方式進(jìn)行比選，也可采用兩種方式相結(jié)合的方案。

3.4 管道補(bǔ)口

管道現(xiàn)場補(bǔ)口是對管道防腐層的完善，補(bǔ)口質(zhì)量的好壞直接影響整條管線的使用壽命，是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。因此補(bǔ)口應(yīng)采用性能可靠、現(xiàn)場環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)、施工操作方便和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好的材料。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗和焊口防腐與管體防腐質(zhì)量等級相匹配的原則，推薦內(nèi)補(bǔ)口采用工廠配套的無溶劑液體環(huán)氧樹脂涂料進(jìn)行噴涂，根據(jù)管徑的大小，可選用人工進(jìn)入管道刷涂或者機(jī)器人噴涂的作業(yè)工藝，現(xiàn)場機(jī)器人噴涂工藝能保證施工人員安全并解決人工補(bǔ)口效率低下的問題，為首選方案。

對于PE層外防腐管道而言，目前國內(nèi)外應(yīng)用為廣泛的補(bǔ)口材料是熱熔膠型輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶體系，熱收縮帶可采用濕膜法安裝，人工火焰加熱施工工藝，或采用干膜施工中頻加熱的機(jī)械化施工工藝，底漆的漆膜厚度不小于200μm。

4.結(jié)論

基管選擇要考慮選用鋼級和制管形式，輸水管道管材強(qiáng)度等級不應(yīng)低于 Q235B，常用鋼級為Q235B和Q355B；管型應(yīng)結(jié)合國內(nèi)廠家生產(chǎn)能力及經(jīng)濟(jì)性，按照管徑規(guī)格進(jìn)行合理匹配。

小角度轉(zhuǎn)向可以采用彈性敷設(shè)和冷彎彎管，大角度轉(zhuǎn)向用彎管/彎頭可選擇拼接式彎頭、對焊彎頭和整體式熱煨彎管，水平或縱向轉(zhuǎn)角處支墩的設(shè)置應(yīng)根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果來確定。

管材外防腐首選PE層，PE外防腐層可以根據(jù)輸水管道的重要程度、敷設(shè)區(qū)域及土壤和水對鋼材的腐蝕程度來選擇單層PE防腐層或3層PE防腐層；內(nèi)防腐層可采用常溫型環(huán)氧涂料或熱固性環(huán)氧樹脂。

犧牲陽極法陰極保護(hù)方案常用于管線較短、管徑較小密集敷設(shè)的城市管網(wǎng)保護(hù)中，強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)方案常用于長輸管線的保護(hù)。

內(nèi)補(bǔ)口材料采用工廠配套的無溶劑液體環(huán)氧樹脂涂料，外補(bǔ)口材料采用熱熔膠型輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶體系。