長距離引調(diào)水工程中大口徑輸水管材的選用

王明輝

中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司 湖南 長沙 410014

引言

在引調(diào)水工程中，管道材料是關(guān)系到整個工程經(jīng)濟性和可靠性的基礎(chǔ)，各種管材的綜合性能、經(jīng)濟性能、運行維護等指標(biāo)差異顯著，因此，合理選擇管材不僅是有效降低工程投資和維護成本的要求，還是保證供水安全的重要保障。

1 管材介紹

1.1 鋼管

鋼管（SP）力學(xué)性能優(yōu)異，鋼板焊制的輸水管道承受壓力高。SP的制作、焊接、安裝以及檢測技術(shù)早已非常成熟。鋼材易于加工，根據(jù)需要可以制成各種形狀。SP可以適應(yīng)環(huán)境條件較為復(fù)雜的情況。一般情況下，SP具有很高的抗拉強度，可以承受軸向方向的外力。

SP具有以下特點：①可設(shè)計性強。管徑、管型和管壁厚度可以通過計算確定。②管道可以采取防腐措施或者犧牲陽極的方法來大幅提高其使用年限。③接口采用焊接方式，焊接質(zhì)量滿足設(shè)計要求的情況下，接口也不容易損壞。④除銹和防腐層的質(zhì)量直接決定了其使用期限，因此需要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求進行防腐處理。⑤管道配件可按根據(jù)設(shè)計要求進行加工和制作。

鋼管也有自身的缺陷：①容易腐蝕。埋地SP容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，降低其使用壽命。因此防腐措施的好壞直接影響其使用壽命。②施工費用高。SP現(xiàn)場焊接、焊縫處的內(nèi)外防腐及檢驗等現(xiàn)場施工的工作量較大。③管道發(fā)生事故需要搶修時，若采用焊接手段補修，必須中斷輸水并且需要維修部位管道保持干燥才能進行[1]。

1.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管（DIP）具有良好的韌性和耐腐蝕性。無論在海水和不同的土壤中均優(yōu)于鋼管，其電阻抗比鋼管大3倍。其主要特點有：

1.2.1 承壓能力強?？梢猿惺?00m水頭高度的內(nèi)水壓力。施工到位的球墨鑄鐵管道使用安全性高，耐壓強度高。

1.2.2 具有良好的防腐性能：一般內(nèi)防腐采用水泥砂漿襯里，內(nèi)防腐工藝采用高速離心噴涂并機械打磨，附著力高，表面光滑，長時間使用管道粗糙系數(shù)也基本不會增大，不會增大水頭損失。長時間使用后，流量和流速幾乎不會有什么變化。

1.2.3 接口采用柔性接口，密封效果好，不容易漏水；對地基的不均勻沉降適應(yīng)能力強，抗震效果好。

1.2.4 球墨鑄鐵管通常使用壽命超過50年，比化學(xué)管材及鋼管使用壽命長。球墨鑄鐵管防腐和管道制作均在工廠內(nèi)制作，現(xiàn)場僅進行接管等簡單操作，對現(xiàn)場操作的質(zhì)量要求不高，不如鋼管高，施工也非常方便，施工質(zhì)量容易滿足設(shè)計要求，因此在供水行業(yè)中，球墨鑄鐵管道的使用壽命是公認(rèn)最長的，更認(rèn)可球墨鑄鐵管的使用壽命。

1.2.5 采用滑入式承插連接，安裝方便高效，對管道基礎(chǔ)要求簡單。

1.2.6 根據(jù)配套條件可自由選擇配套各厚度的管子和采用各種橡膠圈柔性接口及管配件。球墨鑄管在供貨時，都配有不少于10%的任意可切割鑄管，完全可以滿足各種管道設(shè)計的需要。

1.2.7 搶修方便。球墨鑄鐵管管身強度較高，且管道各種配件（含搶修或改造）品種齊全，管道搶修時小的破損不需要完全停水，可以實現(xiàn)帶水作業(yè)，非常適合快速搶修[2]。

1.3 鋼筒混凝土管

鋼筒混凝土管（PCCP）是一種復(fù)合管，它既具有PCP的剛性好、耐久防腐的優(yōu)點，又兼?zhèn)銼P承壓高，安全好的優(yōu)點。PCCP性能綜合歸納如下：

1.3.1 PCCP接口為插口槽滑入式接口，采用的膠圈為O型膠圈，只有軟膠部分，沒有固定槽，插入深度比球墨鑄鐵管小，在長期管道重力作用下，膠圈易出現(xiàn)上下壓縮比逐步變化，有時候會出現(xiàn)上部由于壓縮比減小，滿水時，接口頂部出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。對地基的不均勻沉降適用性較差，若存在軟土地基，必須對管道基礎(chǔ)進行地基處理，達到設(shè)計要求后方能埋管。適應(yīng)不均勻沉降能力較低，如在軟土地基使用，管基必須處理，控制沉降量在50mm。

1.3.2 PCCP管既經(jīng)濟又耐腐蝕，可以大大節(jié)約鋼材用量，但在運行過程中，高水壓會使管道產(chǎn)生一定的膨脹，會讓保護層產(chǎn)生脹裂的趨勢，即使在保護層外做環(huán)氧煤瀝青等涂層，對膨脹形成的裂縫也很難起到阻止作用。

1.3.3 施工費用較高。PCCP管接口屬于半柔性接口，由于其偏轉(zhuǎn)角度較小，且管身較重，為避免在運輸和施工，以及運行期間的管道沉降過大，造成管身裂紋或接口破損，一般需要對管道基礎(chǔ)進行特別處理。為了有效解決預(yù)應(yīng)力鋼筋容易腐蝕的難題，常常使用電化學(xué)保護措施，并且需要加強檢查和維護[3]。

1.3.4 PCCP管在施工現(xiàn)場不能切割，所需配套管件加工制作難度大，且質(zhì)量不易保證。對于非標(biāo)準(zhǔn)管件、轉(zhuǎn)彎等特別部位需要采用其他類型管件進行替換，不能保證管道材質(zhì)的一致性，增加管道安裝的難度，降低接口部位的安全性。

1.3.5 PCCP管的管件制作困難、現(xiàn)場不具備切割或開孔的特性，不能進行帶壓開孔和搶修，不利于管道的后期改造作業(yè)；出現(xiàn)事故維修時，必須完全停水，對破損管道進行置換，對破損處鋼筋進行重新焊接修補或用小塊鋼板進行焊接修補，再用水泥砂漿進行修補，由于水泥砂漿需要較長的自然養(yǎng)護時間，因此搶修時間長周期很長，無法完成迅速搶修的目標(biāo)。

1.4 玻璃鋼夾砂管

玻璃纖維增強塑料夾砂管（FRPM）是一種復(fù)合管道。與目前其他輸水管材相比，F(xiàn)RPM管有以下優(yōu)點：

1.4.1 質(zhì)量輕，其比重僅1.6～2.0，比鋼材質(zhì)量降低了80%左右。

1.4.2 單根管長通?？蛇_12m，接頭少，對供水安全有利。

1.4.3 由于質(zhì)量輕，單管長，因此，起吊運輸和安裝施工非常方便，在地形陡峭復(fù)雜的山區(qū)鋪管優(yōu)勢明顯[4]。

1.4.4 FRPM管采用雙“O”型橡膠圈密封，連接后可單獨對接口的密封性進行試壓檢驗。

1.4.5 FRPM管道內(nèi)壁光滑，粗糙系數(shù)相比其他管材小，水頭損失小。

1.4.6 玻璃鋼材料為惰性，抗腐蝕性能強，無須采取防腐措施，可應(yīng)用于不同的土壤情況，使用年限可達50年之久，適用于各種土壤條件，使用壽命長達50年。

FRPM也有自身的缺點：①環(huán)剛度較鋼管、球墨管低，容易發(fā)生管道環(huán)向變形，故對管道周邊的回填土要求較高。②目前影響玻璃鋼夾砂管壽命的因素主要為材質(zhì)的差別，一是國內(nèi)市場廠家林立，競爭激烈，無序競爭導(dǎo)致有些廠家偷工減料，管道的質(zhì)量較差；二是與鑄造工藝也有一定的關(guān)系，目前市場反應(yīng)連續(xù)纏繞法質(zhì)量相對較好；三是現(xiàn)場施工質(zhì)量，玻璃鋼夾砂管對管道基礎(chǔ)和回填要求很高，對地面荷載比較敏感，往往容易出現(xiàn)問題。③玻璃鋼夾砂管運輸方便，但是需要在工廠加工制作，沒有鋼管方便，玻璃鋼夾砂管剛度相對較小，對管道的基礎(chǔ)有嚴(yán)格要求，若地質(zhì)條件較差時，最好不要采用，否則容易發(fā)生事故[5]。

2 管材綜合比較

鋼管、球墨鑄鐵管、鋼筒混凝土管、玻璃鋼夾砂管管材綜合性能比較見下表。

表1 管材性能比較表

從以上比較可以看出：

鋼管的整體性能較好，供水的安全性能較高，在各種條件下施工、安裝均能適應(yīng)，抗拉伸和變形能力強；但鋼管容易腐蝕，使用壽命相對較短，需要加強防腐處理[6]。

鋼筒混凝土管管道價格較便宜，重量最大，幾乎是鋼管的3倍，運輸、施工、安裝不便，也易碰裂損壞，使用中漏水率較高，運輸費用高，安裝時需大噸位起吊設(shè)備。用于壓力輸水時事故率高，城市供水管網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)爆管；接口加工精度要求高，水密性差；對地基要求高；對于非標(biāo)準(zhǔn)管件，往往需要使用別的管材進行替換，不能保證管道材質(zhì)和使用年限的統(tǒng)一性。在管道發(fā)生事故時，搶修時間周期長，無法完成迅速搶修的目標(biāo)。

玻璃鋼夾砂管質(zhì)量輕，施工安裝簡便，防腐能力強。玻璃鋼夾砂管由于生產(chǎn)設(shè)備門檻較低，小型企業(yè)多能生產(chǎn)，因此市場上品牌較亂，良莠不齊，管材質(zhì)量較難控制。玻璃鋼夾砂管道基礎(chǔ)需中粗砂鋪設(shè)墊層，一般不允許使用原土，管道對回填工藝和回填料要求較為苛刻，回填料要用篩網(wǎng)篩選，其目的限制最大粒徑防止在壓實回填時較大石子損傷管道，總體上施工質(zhì)量不易控制。

球墨鑄鐵管管材強度高，具有很好的耐腐蝕性能，使用年限長；接頭使用柔性接口，安裝方便，施工速度快，可偏轉(zhuǎn)角度較大，能適應(yīng)一定的不均勻沉降和變形，抗震性能好；大口徑管道的生產(chǎn)商較少，管材價格較貴[7]。

3 結(jié)束語

長距離的引調(diào)水工程，口徑大，對輸水安全性要求高，從供水安全的角度出發(fā)，優(yōu)先考慮球墨鑄鐵管和鋼管，當(dāng)然，具體采用何種管材，需要對經(jīng)濟指標(biāo)、施工條件、運行維護、環(huán)境條件進行綜合比選分析，才能最終選出合適的管材。