淺談礦泉水輸水管材優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)應(yīng)用

楊永花

（陜西省涇惠水利水電設(shè)計(jì)院，陜西 三原 713800）

隨著人民生活水平的普遍提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始注重飲水健康。礦泉水由于富含豐富的礦物質(zhì)和微量元素，日漸受到消費(fèi)者的青睞，加之礦泉水現(xiàn)代、時(shí)尚、方便、衛(wèi)生的飲用特點(diǎn)，使得飲用礦泉水已成為人們健康飲水的標(biāo)準(zhǔn)。隨著人們的生活水平的進(jìn)一步提高，以及國(guó)家政策的引導(dǎo)，礦泉水市場(chǎng)普及率必然將大幅上升。故本文結(jié)合具體工程對(duì)礦泉水的輸水管材進(jìn)行比選。

1 工程概述

張家山群泉引水二期工程本著優(yōu)水優(yōu)用的原則，利用張家山優(yōu)質(zhì)的礦泉水資源生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的礦泉水，造福當(dāng)?shù)厝嗣瘛Ｖ饕蝿?wù)為鋪設(shè)管道，利用一期工程已建成的泉水收集系統(tǒng)以及水磨溝機(jī)井水源將泉水輸送至涇陽(yáng)縣王橋鎮(zhèn)北峪村南、關(guān)中環(huán)線北的陜西省水務(wù)集團(tuán)秦之泉飲品有限公司礦泉水廠。

2 供水規(guī)模

陜西省水務(wù)集團(tuán)秦之泉飲品有限公司礦泉水廠第一階段需水規(guī)模為0.2 萬(wàn)m3/d，第二階段水廠滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需水規(guī)模為0.4 萬(wàn)m3/d，工程主要為泵站和輸水管道工程，泵站按兩個(gè)階段實(shí)施，輸水管道按水廠總需水量0.4 萬(wàn)m3/d 規(guī)模實(shí)施，采用雙管鋪設(shè)，一條滿足第一階段用，一條預(yù)留第二階段用。

3 輸水管道設(shè)計(jì)

3.1 管材比選

輸水管道的材料一般根據(jù)輸水流量、壓力、地形地質(zhì)條件等情況選用，管材的選擇對(duì)于工程投資及施工難度影響較大。

（1）PE 管：PE 管由于其強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕、無(wú)毒、耐磨等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于給排水制造領(lǐng)域。因?yàn)樗粫?huì)生銹，所以，是替代普通鑄鐵水管的理想管材。和鋼管比較，施工工藝簡(jiǎn)單，有一定的柔韌性，更主要的是不作防腐處理，會(huì)節(jié)省大量的工序。缺點(diǎn)為器械性不如鋼管，不能裸露于空氣中陽(yáng)光下，并且對(duì)苯、汽油、四氯化碳等有機(jī)溶劑比較敏感，有機(jī)溶劑如果滲入，其物理性能就下降、變差。

（2）ABS 管：ABS 塑料管是一種新型管材，可用于制藥和食品等行業(yè)，也可用于市政給水、純凈水輸送等，在室內(nèi)一般可用數(shù)十年之久，如埋在地下或水中壽命會(huì)更長(zhǎng)。其優(yōu)點(diǎn)主要為無(wú)毒和無(wú)二次污染、不改變水質(zhì)，不生銹、不結(jié)垢、內(nèi)壁光滑阻力小，重量輕、易運(yùn)輸。其缺點(diǎn)為ABS 塑料管成本較高，國(guó)內(nèi)有廠家生產(chǎn)DN15～DN150 的ABS 管道、閥門及配件，工作壓力僅可達(dá)到1.6 MPa。

（3）不銹鋼管：目前用于市政供水的不銹鋼管通常選用0Cr18Ni9（304）。其優(yōu)點(diǎn)主要為：①具有良好的抗晶間腐蝕性能，優(yōu)良的腐蝕性能及冷加工、沖壓性能，在氧化性酸和大氣、水等介質(zhì)中耐腐蝕好。②環(huán)保衛(wèi)生。輸水過(guò)程中無(wú)異味，無(wú)有害物質(zhì)析出，無(wú)鉛，保持水質(zhì)純凈，對(duì)人體健康無(wú)害。③耐磨損。表面美觀清潔光亮長(zhǎng)久耐用無(wú)刮痕,永不生銹、永不斷裂。缺點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制作成本較高。

（4）內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管：內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管是在鋼管內(nèi)壁復(fù)合薄壁不銹鋼管，這種雙金屬?gòu)?fù)合鋼管會(huì)大大提高鋼管在輸水、輸熱水、輸煤氣、輸天然氣、輸油過(guò)程中的耐腐蝕性能，表面光滑，流體阻力小，又保留了鋼管機(jī)械強(qiáng)度高，可采用焊接、溝漕、螺紋連接，密封性好，克服了鍍鋅鋼管易腐蝕，采用熱熔連接的塑料管易漏水和老化的缺陷，是輸氣、輸水、輸油鋼管的升級(jí)換代的理想產(chǎn)品。缺點(diǎn)是不適宜于管道線路曲折、線形復(fù)雜的線路。

綜上可知，聚乙烯PE 管無(wú)毒、耐磨，內(nèi)壁光滑，水力性能好，但若周圍土體污染及污水管道泄漏容易對(duì)管道造成破壞；ABS 管是一種新興的環(huán)保型管材，無(wú)毒、無(wú)二次污染、不改變水質(zhì)，不生銹、不結(jié)垢，但其成本較高，國(guó)內(nèi)有廠家生產(chǎn)工作壓力僅可達(dá)到1.6 MPa，壓力等級(jí)較低；304 不銹鋼管具有良好的抗腐蝕性能、沖壓性能，在氧化性酸和大氣、水等介質(zhì)中耐腐蝕好，輸水過(guò)程中無(wú)異味，無(wú)有害物質(zhì)析出，無(wú)鉛，保持水質(zhì)純凈，對(duì)人體健康無(wú)害，耐磨損，不生銹，但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制作成本較高；內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管具有不銹鋼管的抗腐蝕性，同時(shí)又有鋼管的高機(jī)械強(qiáng)度性能，且價(jià)格低廉。

經(jīng)綜合比較，從工程安全、控制投資角度考慮，本次設(shè)計(jì)在張家山旅游區(qū)內(nèi)即0+000～1+470 段，管道轉(zhuǎn)彎較多，為了確保工程施工質(zhì)量以及便于施工，管道采用304 不銹鋼管，1+470以下管道采用內(nèi)襯304 不銹鋼復(fù)合管。

3.2 管道連接

管道的連接方式采用焊接，管道連接采用對(duì)接式氬弧焊連接，304 不銹鋼管焊接采用奧氏體型H0Cr21Ni10 焊絲，焊接過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)充氮?dú)獗Ｗo(hù)到焊接完成焊口冷卻到常溫，采用單面焊雙面成型工藝。管道組成件焊接后應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行酸洗和鈍化處理，并對(duì)焊縫進(jìn)行拋光處理。為了便于施工，所有管件材質(zhì)均采用304 不銹鋼，304 不銹鋼管和管件的連接采用焊接，內(nèi)襯304 不銹鋼復(fù)合管和管件的連接采用法蘭連接。

3.3 管道外防腐的選擇

304 不銹鋼管外防腐選擇塑覆，覆塑防腐是以不銹鋼管材為母材，采用中空保溫包塑技術(shù)，外覆一層抗耐磨損、耐化學(xué)腐蝕和電離子腐蝕的聚乙烯（PE）塑料制造而成，具有保溫、耐腐蝕、耐磨損等特點(diǎn)。塑覆防腐可避免土壤對(duì)管外壁的酸堿腐蝕或尖硬雜物對(duì)管道表面的損傷。

內(nèi)襯304 不銹鋼復(fù)合鋼管管道外防腐采用3PE 防腐。3PE鋼管防腐是將2PE 防腐層和環(huán)氧粉末防腐鋼管涂層（FBE)巧妙的結(jié)合起來(lái)而產(chǎn)生的一種新的防腐鋼管涂層。底層與鋼管面所接觸的是環(huán)氧粉末防腐涂層，中間層為帶有分支結(jié)構(gòu)功能團(tuán)的共聚粘合劑。面層為高密度聚乙烯防腐涂層。3PE 防腐涂層綜合了環(huán)氧樹(shù)脂和聚乙烯材料的高抗?jié)B性、機(jī)械性能高、粘結(jié)力強(qiáng)、絕緣性能好、吸水率低、耐水、耐酸堿腐蝕等特點(diǎn)。3PE 防腐在施工上也是簡(jiǎn)便迅速，綜合的造價(jià)也比較低。到目前為止是全球公認(rèn)的使用效果最好、性能最佳的管道防腐涂層，從而被應(yīng)用在諸多的工程當(dāng)中。

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 工程總體布置

本次工程由張家山泉群集水井取水，通過(guò)加壓泵，經(jīng)管道輸送至北峪村秦之泉水廠，輸水管道沿涇惠渠總干渠渠堤及旅游路路肩鋪設(shè)。管線布置為：1#管道由水磨溝機(jī)井開(kāi)始，沿涇惠渠總干渠左岸山坡的防汛路側(cè)向下游鋪設(shè)至4# 集水井附近；2#管道由4#集水井開(kāi)始，向北爬坡至防汛路，兩條管道在1#管道樁號(hào)1+090 處匯合，開(kāi)始單管溝雙管并行鋪設(shè)。管道沿防汛路、旅游路側(cè)敷設(shè)至樁號(hào)6+830 處（冀東專線與旅游路交匯處），而后沿總干渠北側(cè)渠堤敷設(shè)至樁號(hào)6+978（群英橋）跨至總干渠南側(cè)，再沿南側(cè)渠堤敷設(shè)至樁號(hào)9+193（總干五斗）跨至總干渠北側(cè)，再沿北側(cè)渠堤敷設(shè)至樁號(hào)10+751（姚家公路橋）跨至總干渠南側(cè)，最后沿渠堤南側(cè)敷設(shè)至北峪村南關(guān)中環(huán)線北的秦之泉水廠樁號(hào)13+031 處后與水廠管道連接。管線總平面布置圖見(jiàn)圖1，水源部分管線布置圖見(jiàn)圖2。

圖1 張家山群泉引水二期工程輸水管線總平面布置圖

圖2 張家山群泉引水二期工程水源部分管線布置圖

4.2 管道設(shè)計(jì)

4.2.1 經(jīng)濟(jì)管徑確定

參照《薄壁不銹鋼管道技術(shù)規(guī)范》（GB 29038-2012）5.3，管內(nèi)流速一般按不小于1.0 m/s，最大不超過(guò)1.5 m/s 考慮，根據(jù)下列公式計(jì)算管徑：

式中：D 為管段直徑，m；Q 為管段流量，m3/s；v 為管內(nèi)流速，m/s。

經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，1#管線機(jī)井處連通井處選用管徑為DN200，連通井至水廠管道選用管徑為DN150，2#管線中4#集水井處至水廠選用管徑為DN150；排水管選用管徑為DN100。管道壁厚選用見(jiàn)表2。

4.2.2 管道水力計(jì)算

（1）沿程水頭損失按以下公式計(jì)算：

式中：hf為管道沿程損失，m；i 為給水管道單位長(zhǎng)度水頭損失，kPa/m；L 為管道長(zhǎng)度，m；C 為海曾- 威廉公式的流速系數(shù)，不銹鋼管為130；dj為管道計(jì)算內(nèi)徑，m；qg為管道設(shè)計(jì)流量，m3/s。

表1 經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算結(jié)果表

表2 管道壁厚選用表

（2）局部水頭損失計(jì)算

本次管網(wǎng)局部水頭損失hj按沿程水頭損失的25%計(jì)。

輸水管道水力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

4.2.3 管道橫斷面設(shè)計(jì)

管線0+000～1+090 段為D219 管道單管鋪設(shè)，管溝開(kāi)挖底寬為85 cm，管溝開(kāi)挖不放坡，為矩形溝槽，管道底部設(shè)10 cm砼，管側(cè)和管頂填筑10 cm 素土，其余采用原土回填。

1+090～13+031 段管線位于旅游路肩和涇惠渠渠堤段，項(xiàng)目區(qū)管溝為濕陷性黃土，管溝開(kāi)挖底寬為95 cm，管溝開(kāi)挖形式為梯形溝槽，開(kāi)挖邊坡為1∶0.2，管溝基底設(shè)0.3 m 厚3∶7灰土墊層進(jìn)行處理。在管線轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩。

表3 輸水管道水力計(jì)算表

5 結(jié)語(yǔ)

涇陽(yáng)張家山群泉引水二期工程建設(shè)，旨在通過(guò)桶裝礦泉水生產(chǎn)增加當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)產(chǎn)值和提高居民生活質(zhì)量，水是居民生活的命脈，是保障人民生活，發(fā)展經(jīng)濟(jì)不可缺少的物資基礎(chǔ)，區(qū)域供水關(guān)系到社會(huì)的安定、是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。項(xiàng)目的建成，將對(duì)項(xiàng)目區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重大的意義。