大口徑輸水管材及其比較

王莉莉 張 亞 李乃回 李洋洋

一、前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市用水量在不斷增加。為減少輸水線路損耗，避免原水二次污染，引水工程采用大口徑管道輸水是大勢(shì)所趨。目前國內(nèi)可用于埋地給水的管道有鋼、鑄鐵等金屬材料，混凝土等無機(jī)材料，各種塑料等有機(jī)材料，實(shí)現(xiàn)了管材的多樣化。一般來講，引水工程前期除了要進(jìn)行水源、輸水線路、水廠、泵站等勘察設(shè)計(jì)外，還要考慮管線運(yùn)行維護(hù)管理等諸多因素，但最重要的工作還是合理選擇管材。根據(jù)工程要求選擇管材時(shí)，必須熟悉各種管材的材質(zhì)、使用條件，采用符合要求、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的管材。管材還須根據(jù)其外部荷載、內(nèi)水壓力、設(shè)計(jì)流量、環(huán)境介質(zhì)、使用壽命、造價(jià)等因素綜合考慮確定。

二、管材簡(jiǎn)介

1.鋼管（SP）

鋼材具有極好的力學(xué)性能，鋼管可以承受極高的內(nèi)壓和較高的外壓。用于城市給水管道工程的鋼管口徑一般在DN600～DN2000mm范圍，最大口徑可達(dá)DN4000mm。鋼管的制作和焊接技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，各種檢測(cè)手段也日臻完善。鋼材可加工成各種管件，尤其在穿越障礙較多、地形復(fù)雜地段時(shí)，鋼管有很強(qiáng)的實(shí)用性。

但埋地鋼管不耐腐蝕。使用鋼管輸水最重要的問題是防止腐蝕，必須做好管道內(nèi)外壁的防腐，鋼管的使用壽命在很大程度上取決于內(nèi)外防腐層的材料和施工質(zhì)量。鋼管的外防腐通常采用涂層保護(hù)和電化學(xué)保護(hù)的方法。鋼管的內(nèi)防腐通常采用水泥砂漿涂襯，防腐效果較好，但需要采取相應(yīng)措施，確保施工質(zhì)量，防止水泥砂漿在管道吊運(yùn)、施工期間因管道變形而引起的開裂脫落。

2.球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管是經(jīng)過球化處理的優(yōu)質(zhì)鐵水用離心鑄造工藝生產(chǎn)的，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊韌性和延伸率與鋼管相當(dāng)，抗腐能力比鋼管好。球墨鑄鐵管的瀝青外涂層和水泥砂漿內(nèi)襯的制作均在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，不需要焊接和防腐處理。

大口徑的球墨鑄鐵管價(jià)格昂貴，這對(duì)于大型引水工程來說在經(jīng)濟(jì)上難以接受，但在中小管徑的管道工程中球墨鑄鐵管價(jià)格與鋼管相近，應(yīng)用廣泛，大有取代鋼管之勢(shì)。

3.玻璃鋼夾砂管（DIP）

玻璃鋼夾砂管具有以下特點(diǎn)：（1）重量輕，管長(zhǎng)有6m、8m、10m、12m甚至更長(zhǎng)，故玻璃鋼夾砂管安裝運(yùn)輸費(fèi)用比其他管材低。（2）可承受工作壓力 0.4～2.0MPa，接口采用承插式、膠圈接口或法蘭連接。（3）耐腐蝕性好，不產(chǎn)生二次污染，尤其適用具有腐蝕性介質(zhì)條件。（4）內(nèi)壁光滑，阻力小于其他管材，摩阻系數(shù)n值為0.008～0.009，小于混凝土砂漿內(nèi)襯。

玻璃鋼夾砂管剛度較低，承受外荷載能力相對(duì)低，對(duì)溝槽基礎(chǔ)墊層尤其是胸腔回填土（一般要篩選或采用砂）和密實(shí)度要求較高。另外，玻璃鋼夾砂管抗浮能力較差。

4.預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是一種技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用范圍廣泛的新型管材。其工作原理是：將預(yù)應(yīng)力鋼絲按照設(shè)計(jì)要求纏繞在帶有薄鋼筒的混凝土管芯上，使其處于壓應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)管內(nèi)載有壓力介質(zhì)時(shí)，其預(yù)應(yīng)力能夠部分平衡介質(zhì)壓力而不破裂。實(shí)際上預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管也是一種復(fù)合管，它既具有混凝土管剛性好、耐久防腐的優(yōu)點(diǎn)，又兼?zhèn)滗摴艹袎焊撸踩玫膬?yōu)點(diǎn)。這也是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管能夠代表大口徑管材發(fā)展方向的原因所在。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管性能綜合歸納如下：（1）預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管使用壽命長(zhǎng)。（2）管質(zhì)堅(jiān)硬、剛度好，不易受損、不需維修。（3）防腐性能好，綜合了鋼材與混凝土的長(zhǎng)處。（4）可承受較高的工作壓力（0.4～2.0MPa，甚至更高）。（5）可承受深覆土（根據(jù)工程需要設(shè)計(jì)，美國曾達(dá)到30m覆土）。（6）可配套生產(chǎn)供應(yīng)PCCP管件和特殊管型，比如三通、四通、彎管、變徑管等。（7）能承受真空狀態(tài)下的負(fù)壓。（8）使用中的PCCP管道，隨時(shí)都可帶壓開孔，與其他支管相接。（9）接頭靈活，采用承插式柔性接頭，用鋼制接口環(huán)與O型膠圈滑動(dòng)密封，無漏水現(xiàn)象；抗震性能優(yōu)越。（10）預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管可與其他各種管材連接，如鋼管及各種法蘭及堵頭。（11）管道摩阻系數(shù)較低，n取值為 0.0107～0.012。（12）安裝對(duì)溝槽地基要求較低，安裝施工快，可以邊安裝邊回填，省時(shí)省工。

總之，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、綜合造價(jià)較低，是一種優(yōu)越的輸水管材。特別是DN2000mm以上大口徑管線更具優(yōu)勢(shì)。但預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管相對(duì)自重較大，運(yùn)輸安裝成本較高，中小管徑優(yōu)勢(shì)不大。

我國20世紀(jì)90年代初從美國引進(jìn)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管新型管材生產(chǎn)工藝技術(shù)。國內(nèi)在消化吸收的基礎(chǔ)上，陸續(xù)建成了多家生產(chǎn)廠家。產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于水利、電力、市政和自來水供水主管線工程。

三、管材選用

一般情況下，埋地給水管材應(yīng)根據(jù)其物理力學(xué)性能及其作用在管道上的內(nèi)外荷載、環(huán)境介質(zhì)和溫度等多因素設(shè)計(jì)計(jì)算確定。若有多種管材符合要求時(shí)，應(yīng)通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選用經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的管材。給水管道能否安全運(yùn)行，與管道自身質(zhì)量、使用狀況、運(yùn)行方式、維護(hù)條件、安裝施工質(zhì)量等諸多因素有關(guān)。

1.管材的安全性及使用年限

大口徑的輸水管道一般多為單線。盡管工程中有調(diào)蓄設(shè)施，但蓄水量有限，允許管道搶修的時(shí)間很短，管材出現(xiàn)爆管或大量漏損事故造成的后果不可估量，故管材的質(zhì)量應(yīng)是比選的第一因素。管材的質(zhì)量與其原材料、生產(chǎn)工藝等密切相關(guān)。

上述比選的管道都有20～60年的使用年限。鋼管的使用年限主要取決于其防腐和接頭焊接質(zhì)量。球墨鑄鐵管的壽命也與防腐處理有關(guān)。玻璃鋼夾砂管等化學(xué)管材由于存在老化問題，其強(qiáng)度、應(yīng)變等力學(xué)性能將隨時(shí)間而相應(yīng)降低，故其壽命必須考慮材質(zhì)的時(shí)間因素。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管由于鋼板嵌在混凝土中間，使用壽命較長(zhǎng)。近幾年大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管工程實(shí)例不少，反應(yīng)很好，國內(nèi)應(yīng)用尚未有事故發(fā)生。

2.管道及施工費(fèi)用

管道的價(jià)格要綜合考慮，鋼管要充分考慮其防腐費(fèi)用，混凝土管要充分考慮其運(yùn)輸費(fèi)用。施工過程中的土方費(fèi)用，幾種管材相差不大。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的運(yùn)輸和吊裝費(fèi)較多，而鋼管的電費(fèi)及降排水費(fèi)較高，玻璃鋼夾砂管的回填土要求較高。綜合比較，直徑DN1200mm以上的鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管綜合造價(jià)大致相近。口徑越大，價(jià)格差異越大，見表1。

表1 管道價(jià)格表

3.環(huán)境介質(zhì)的影響

對(duì)輸水埋地管道，主要考慮土壤介質(zhì)是否對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕影響。玻璃鋼夾砂管等化學(xué)管材耐酸堿能力最強(qiáng)，鋼管最差，需進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

4.管材內(nèi)壁糙率系數(shù)n值

管材的糙率系數(shù)是確定口徑的重要參數(shù)，在同樣輸水條件下，對(duì)中、大口徑管道，n值為 0.009的管材比 n值為0.014的管材，口徑可小一個(gè)直徑等級(jí)，經(jīng)濟(jì)合理的規(guī)格品種對(duì)工程綜合指標(biāo)和運(yùn)行成本具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

四、結(jié)語

在城市引水工程中，采用大口徑管道輸水是大勢(shì)所趨。每一種管材都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，宜根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況和要求，對(duì)管道進(jìn)行綜合比選，采用符合要求、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的管材。

大型引水管道運(yùn)行壓力一般不高，但管材的工作壓力近幾年有上升趨勢(shì)，上述幾種管材，只要能夠保證制造安裝質(zhì)量，都可以保證管道的正常供水，因此綜合造價(jià)較低的管材更易被業(yè)主接受。口徑DN2000以上、工作壓力大于0.6MPa的管線，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管顯現(xiàn)出其良好的綜合性能，這也是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管從國外引進(jìn)后能夠得以迅速推廣應(yīng)用的主要原因■