球墨鑄鐵管在南水北調(diào)配套工程中的應(yīng)用

董建忠 趙志誠 葉衛(wèi)合

（新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056000）

球墨鑄鐵管在南水北調(diào)配套工程中的應(yīng)用

董建忠 趙志誠 葉衛(wèi)合

（新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056000）

本文根據(jù)南水北調(diào)中線配套管線1.0Mpa左右重力流的實際情況，K9等級球墨鑄鐵管允許壓力性能過剩，因此對 DN1600m以下球墨鑄鐵管根據(jù)不同規(guī)格、不同地段的地形及埋深分別選用K7、K8等級球墨鑄鐵管(局部地段埋深較深選用少量K9等級球墨鑄鐵管)，成功的應(yīng)用于南水北調(diào)配套工程，取得了良好的社會效益。

球墨鑄鐵管 南水北調(diào)配套工程 工作壓力 壁厚 外部荷載

引言

我國于二十世紀(jì)八十年代引進(jìn)離心球墨鑄管的生產(chǎn)技術(shù)，經(jīng)過多年對工藝及裝備的改進(jìn)，現(xiàn)有生產(chǎn)工藝已經(jīng)穩(wěn)定、技術(shù)日趨成熟，已達(dá)國際先進(jìn)水平。由于產(chǎn)品機(jī)械性能優(yōu)越，壁厚均勻性和球化鐵水純凈度大幅提高，使得生產(chǎn)薄壁高強(qiáng)的球墨鑄鐵管成為了現(xiàn)實。

據(jù)此，相關(guān)單位對中、小口徑球墨鑄鐵管的管壁進(jìn)行調(diào)整，并對K8、K7級別壁厚的管道進(jìn)行了壓力試驗，結(jié)果證明K8單支管水壓試驗性能幾乎與原K9管相當(dāng)。

根據(jù)《球墨鑄鐵管設(shè)計方法》（ISO10803-2011），管壁厚度提供的強(qiáng)度應(yīng)滿足內(nèi)部流體的壓力要求及因回填和交通產(chǎn)生的外部荷載影響。因為專供南水北調(diào)配套工程的K8、K7管材已經(jīng)滿足輸水壓力的要求，所以在實際應(yīng)用中主要考慮的問題為外部荷載。本文將對管道所受的外部荷載進(jìn)行全面分析，證明K8及K7管子在低壓力工程中的優(yōu)勢。

1 球墨鑄鐵管的壁厚與工作壓力

《水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件》（GB/T 13295-2008）5.1.3條款中對球鐵管與管件的公稱壁厚做出了要求，公式如下：

式中：

e—公稱壁厚，單位為毫米（mm）；

DN—公稱直徑，單位為毫米（mm）；

表1 K9管允許壓力14

K—壁厚級別系數(shù)。取7、8、9、10、11、12等整數(shù)。

表2 K8管允許壓力

表3 K7管允許壓力

球墨鑄鐵管的允許工作壓力可按以下公式進(jìn)行計算：

式中：

PFA—允許工作壓力，單位為兆帕（MPa）；

emin—球鐵管最小壁厚，單位為毫米（mm）；

D—球鐵管平均直徑(DE-emin), 單位為毫米（mm）；

Rm—球鐵管最小抗拉強(qiáng)度，單位為兆帕（MPa），(Rm＝420MPa)；

SF—安全系數(shù)，取3。

2 外部荷載的設(shè)計

2.1 設(shè)計公式（符合《球墨鑄鐵管設(shè)計方法》（ISO10803-2011））

式中：

Δ—管道的徑向偏移，用外徑D的百分?jǐn)?shù)表示；

KX—取決于底層反作用角的偏移系數(shù)；

q—因外部所有的荷載造成的管頂上的垂直壓力，MPa；

S—管道的徑向剛度，MPa（見ISO2531和ISO 7186）；

E＇—土壤反作用模量，MPa；

E—管壁材料的彈性模量，MPa（球墨鑄鐵為170000MPa）；

I—單位長度管道面積的二次矩，mm3；

D—ISO 2531規(guī)定的管道外徑，mm；

tm—管道徑向剛度的計算厚度，mm；

t2—限制外部荷載所致的徑向偏移和彎曲應(yīng)力的最小管壁厚度，mm；

t—額定的管壁厚度，mm。

圖1 Spang1er模型

注：本設(shè)計公式是基于Spangler模型（圖1），其中向下作用的垂直壓力q

——在管道頂部沿著直徑范圍為均勻分布的；

——同管道內(nèi)底向上作用的壓力相等，均勻地分布在底層反作用角2α范圍；

——產(chǎn)生一個管道偏移，使管道側(cè)面受到一個橫向的反作用壓力，在100°角范圍內(nèi)為拋物線分布。

2.2 施于管道上的荷載

作用在管道頂部的總垂直壓力q為兩個壓力之和：

式中:

q1—土壤荷載壓力；

q2—交通荷載壓力。

注：交通荷載的壓力q2要大于加在地面上的普通靜荷載的壓力；同樣對于任何不正常的地面荷載需要進(jìn)行特別考慮。

（1）地面荷載的壓力

下式應(yīng)用于由管道土方緊挨的地面棱柱的重量計算q1：

式中：

q1—管道頂部的壓力，MPa；

γ—回填層的單位重量，KN／m3；

H——覆蓋土層的高度（從管道頂部到地面的距離），m。

在沒有其它數(shù)據(jù)的情況下，土壤的單位重量，對于最大多數(shù)的情形應(yīng)取為20KN/m3。不過，若初步的地工勘測確定的實際單位重量不到20KN/m3，也可以使用實際值來確定q1；或者，實際值高于20KN/m3，則應(yīng)使用實際值。

（2）交通荷載的壓力

q2的值應(yīng)按照國家和/或地方適用的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)來計算。然而，下面的簡化公式因其覆蓋了大多數(shù)的交通法規(guī)和類型，可以用來計算q2：

式中：

q2—管道頂部的壓力，MPa；

β—交通荷載系數(shù)；

H—覆蓋土層的高度，m；

DN—額定尺寸。

注1：當(dāng)H＜0.3m時，本公式不適用。

應(yīng)考慮的三種交通荷載類型為：

——主道路，β＝1.5：這是一般的情形，出入道路除外；

——出入道路，β＝0.75：禁止車輛行駛的道路；

——鄉(xiāng)村地區(qū)，β＝0.5 ：所有其它的情形。

注：對于管線可能處在交通荷載特別高的情形，可使用系數(shù)β為2或大于2。

3 球墨鑄鐵管的徑向剛度

使用中，球鐵管在保證所有功能的前提下可以承受較大的徑向變形。管線使用中允許的徑向變形應(yīng)符合K7、K8剛度表（見表4、表5），同時表中也給出了最小徑向剛度值，使其在普通安裝條件下能承受較大的覆蓋深度。

徑向變形(單位為百分?jǐn)?shù)，%)等于管子在垂直方向的變形(單位為毫米，mm)除以管子初始外徑DE(單位為毫米，mm)，再乘以100?！端叭?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件》（GB/T13295-2008）中K7、K8管子的壁厚相似《輸水用球墨鑄鐵管、管件、附件及接頭》（ISO2531-2009）中C20、C25的壁厚（C20、C25管材的允許徑向變形值應(yīng)符合表6、表7的規(guī)定），這樣就保證了接口的完整性以及安全性，防止管壁受到過度應(yīng)力和內(nèi)襯的過度開裂。

管的徑向剛度S由下式計算得出：

式中：

S—徑向剛度，單位為千牛頓每平方米（kN/m2）；

E—材質(zhì)彈性模量，單位為兆帕（MPa） (球墨鑄鐵的彈性模量為170000Mpa)；

I—每單位長度管壁的二次面積矩，單位為立方毫米（mm3）；

e—管的壁厚，單位為毫米（mm）；

D—管的平均直徑(DE-e)，單位為毫米（mm）。

注：來源自GB/T13295-2008 附錄H

表4 球墨鑄鐵管K7級別特性指標(biāo)表

表5 球墨鑄鐵管K8級別特性指標(biāo)表

表6 C20級管的徑向剛度和允許變形

表7 C25級管的徑向剛度和允許變形

4 K7、K8級別中、大規(guī)格球墨鑄鐵管允許埋深

K7、K8級別中、大規(guī)格球墨鑄鐵管允許埋深見表8。

5 南水北調(diào)許昌段K7級別DN800球墨鑄鐵管變形實測

（1）DN800 K7級別球墨鑄鐵管管頂覆土2.5-3.0m；

（2）現(xiàn)場測量K7級別球墨鑄鐵管豎向內(nèi)徑尺寸802mm；

（3）現(xiàn)場測量管子橫向內(nèi)徑尺寸812mm；

（4）按照《水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件》（GB13295-2008）中3.25條不圓度計算

（5）見表9 DN800 K9級管允許徑向變形4%

表9 K9管最小徑向剛度和允許徑向變形

說明K7級球墨鑄鐵管只要埋深符合上述表8且管中心以下回填密度≥90%，K7管變形量符合CECS 142:2002在給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程第5.3.3條，當(dāng)內(nèi)防腐為水泥砂漿時，最大豎向變形不應(yīng)超過 0.02D～0.03D，則K7級別DN800管允許變形范圍16mm～24mm，而現(xiàn)場實測變形數(shù)據(jù)10mm,證明新興鑄管生產(chǎn)的這批專供南水北調(diào)許昌段的K7球墨鑄鐵管是強(qiáng)度、韌性均滿足工程要求的高性價比產(chǎn)品。

6 K7球墨鑄鐵管與其它管材對比

K7球墨鑄鐵管與其他管材對比情況見表10。

表8 K7、K8球墨鑄鐵管允許埋深表

注：允許埋深管溝3、4類，土壤類型C、D類選用。

技術(shù)規(guī)范：球墨鑄鐵管執(zhí)行ISO2531、GB/T13295-2008標(biāo)準(zhǔn)

表10 K7球墨鑄鐵管與其他管材對比表

7 結(jié)論

球墨鑄鐵管采用離心鑄造工藝，具有可同鋼管相媲美的機(jī)械性能。當(dāng)管線工作壓力1.0Mpa時，若采用K9級管道則性能過剩，無形中造成巨大浪費(fèi)。因此，在確保管線運(yùn)行安全的前提下，適當(dāng)降低壁厚，不但能提高離心球墨鑄鐵管的競爭力，擴(kuò)大市場占有率，還能節(jié)約國家資源，創(chuàng)造良好的社會效益。所以根據(jù)管線工作壓力，科學(xué)選用合理級別的球墨鑄鐵管必將是今后管道事業(yè)發(fā)展的趨勢。

1. 《水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件》（GB/T13295-2008）

2. 《輸水用球墨鑄鐵管、管件、附件及接頭》（ISO2531-2009）

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

4. 《球墨鑄鐵管設(shè)計方法》（IS010803-2011）

5. 《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS142-2002）

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.014

TG255

B

1672-2469（2014）08-0040-05

14作者簡介：董建忠（1957年—），男，高級工程師。