长距离输水工程的管材选用

陈勇城
(中国市政工程华北设计研究院)

　　1 可选管材的种类

　　1.1 钢管
　　钢管应用历史较长，范围较广，输水工程一般选用螺旋焊缝与直缝焊接钢管。螺旋焊接钢管采用卷板，利用螺旋管焊接生产线一次成型。国内已可生产DN2540mm螺旋焊接钢管。螺旋焊管受加工工艺影响，管材存在较大残余应力，这部分残余应力与管道运行期间工作应力组合后，降低了管道承受内压的能力。另外，螺旋焊接管的焊缝较直缝焊管的焊缝长，这就意味着薄弱环节多，可靠性差。但由于输水工程管道内压一般不算太高，即使螺旋焊接管存在上述问题也不影响其应用。
　　1.2铸铁管
　　按材质可分为灰口铸铁管和延性铸铁管，由于灰口铸铁管口径不大、材质不稳定，因此事故较多，在输水工程中基本不采用。延性铸铁管也称为球墨铸铁管，其强度比钢管大，延伸率也高出10%。另外，现有些厂家生产的球墨铸铁管没进行退火处理，称为铸态球墨铸铁管，其材质的性能除延伸率低于球墨铸铁管外，其余性能指标均与球墨铸铁管相似，价格也低，应用也较多。
　　1.3 预应力混凝土管
　　按生产工艺分成两种，一种因加工工艺分为三步，通常称为三阶段预应力混凝土管；另一种方法是一次成型，通常称为一阶段管。预应力混凝土管因加工工艺简单、造价低、较适合我国的经济状况而应用普遍。但管材制作过程中存在弊病，如三阶段管喷浆质量不稳定，易脱落和起鼓；一阶段管在施加预应力时不易控制(特别在插口端部)，且因体积重量大造成运输安装都不方便，使其应用受到了限制。
　　预应力混凝土管口径一般在2000mm以下，工压在0.4～0.8MPa。口径大、工压高的工程应用时要慎重。
　　1.4 预应力钢筒混凝土管PCCP
　　这是一种钢筒与混凝土制作的复合管，管心为混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5mm钢筒，在管芯上缠绕环向预应力，采用机械张拉缠绕高强钢丝，并在其外部喷水泥砂浆保护层。该管的特点是由于钢套筒的作用，抗渗能力非常好。管子的接口采用钢制承插口，尺寸较准确，并设橡胶止水圈(单胶圈或双胶圈)，因而止水效果好，安装方便。
　　预应力钢筒混凝土管的管径一般为DN600～3600 mm，工作压力为0.4～2.0MPa，其中DN1200mm以下一般为内衬式，DN1400mm以上通常为埋置式。PCCP管材的行业标准已颁发，设计规范与工程建设标准已在编制，其应用前景广阔。
　　1.5 玻璃纤维增强热固树脂夹砂管(玻璃钢管)
　　玻璃钢管的特点是强度较高，重量轻，耐腐蚀，不结垢，内壁光滑阻力小，在相同管径、相同流量条件下比其他材质管道水头损失小、节省能耗。玻璃钢管的连接也采用承插式，并设置胶圈，安装很方便。玻璃钢管相对而言壁薄，为柔性管道，对基础与回填要求较高。
　　玻璃钢管行业生产标准已颁发，施工验收标准和设计规范在编制中。玻璃钢管水头计算的内壁粗糙系数设计时现一般取η=0.009，寿命一般为50年。

　　2 管材的选用条件

　　输水工程中，管材的选择根据工程的具体情况，要做技术、经济、安全、工期等方面分析比较，综合平衡后确定。现依据已实施的大型输水工程实例介绍管材的选用情况。
　　2.1 引滦入津工程
　　因输水距离长(234 km)、输水规模大(下段规模为50 m³/s)，经方案比较后确定在市内段选用两种大口径钢管：
　　①输水规模110×10^４m³/d(12.73 m³/s), DN2500mm,δ=20 mm,?L=10.67 km, 工压0.5 MPa。
　　②输水规模55×10^４m³/d（6.37 m³/s），DN1800mm，δ=16mm,?L=3.67 km, 工 压=0.3MPa。引滦入津工程至今运行16年，效果较好。
　　2.2 引碧入连三期工程
　　引碧入连三期工程输水规模定为67×10^４m³/d，工作压力为1MPa。管材方案比较时，主要考虑工压较高，管径较大，丘陵地区地形起伏较大，选用承插口预应力混凝土管不安全，而当时国内只能生产DN1000mm以下的球墨铸铁管，不能满足引碧工程的要求，因此就限于对钢管与PCCP管进行调研、分析、比较。当时主要因大口径PCCP管在国内长距离输水工程方面缺少应用实例，对输水安全性不放心，最后确定选用钢管。选用情况为：
　　①洼子店至三道沟水厂，输水管总长68.336km，规模为27×10^４m³/d。采用钢管DN1820mm,δ=16mm，长46.924km，工压1.0 MPa；钢管DN1620mm，δ=14mm，长21.42km。
　　②洼子店至长沙沟水厂，输水管总长60.54km，规模40×10⁴m³/d，工压1.0MPa。采用钢管DN2054mm，δ=18mm，长43.678km；钢管DN1820mm，δ=16mm，长16.862km。
　　2.3 河北省长距离输水工程
　　河北省邯郸羊角输水工程、“引岳济邯”工程、石家庄黄壁水库供水工程、保定西大洋水库供水等大型输水工程都采用预应力混凝土管。这主要因为河北省地形平缓，输水工程工压不高，规模适中，经经济技术比较，预应力混凝土管占优势，既节省投资又可保证输水安全，通水后运行良好。
　　2.4 温州市曹平至永强输水工程
　　工程特点是输水线路长，计26.84km，沿管线的地质差。据地勘报告，管道大部分都将埋在淤泥土层中，淤泥厚9.7～30m，淤泥土呈饱和、流塑、高压缩性、高灵敏度、承载力低。地下水位较高，一般在地表下0.5～1.3m左右。经过比较，认为玻璃钢管重量轻、耐腐蚀、内壁光滑水头损失小、不易淤积和结垢，且FWC接头安装很方便，与钢管相比造价又低。此工程选管情况如下：输水管长26.84km,输水规模20×10⁴m³/d，工压0.5MPa，采用DN1200玻璃钢管10.272 km，刚度10000N/m²；DN1400mm玻璃钢管16.568km，刚度10000N/m²。1998年竣工后运行良好。

　　3 各种管材的应用前景

　　在给水工程中，管道占投资的比重很大，且因管材选用不当造成事故或增加不必要资金的实例也较多，因此开展输水工程管材的研究对节省投资、方便施工、安全运行意义很大，已引起各有关方面的重视。
　　我国地域广阔，各地区的地质、地形、自然状况、经济形势和应用管材的习惯等都不一样，这就形成了输水工程管材应用上的多样性。某一种管材在某个工程被选用，其经济、技术的合理性并不等于在另一地方也一样，这就形成在市场经济的今天各种管材的竞争场面。
　　根据笔者20余年来参加设计多项长距离输水工程的经验，选管应从工程的规模、重要性、对管口径及工压的要求、工程地质、地形、外荷载状况、工程的工期要求、资金的控制等方面进行综合分析比较后确定。预应力混凝土管、PCCP管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管都是普遍采用的管材，但一般而言，球墨铸铁管、钢管、PCCP管比较安全，特别在工压高、管道口径大的情况下。目前国内大口径(DN>1000mm)球墨铸铁管生产厂家不多，价格较高；钢管要特别注意防腐，因为这直接关系着输水工程的寿命；玻璃钢管应用也在扩大，但特别注意出厂管材的质量检验，注意选择合适的刚度(一般输水工程埋地管道刚度不应<5000N/m²)。预应力混凝土管是最经济的管材，我国应用较广，但为保证安全输水，一般口径不应超过DN2000mm，工作压力一般选用0.4～0.8MPa。对口径较大、工压高、管线折点较大的工程应注意安全性。
　　目前我国在输水工程管材的生产与应用，管材的行业标准、验收标准、设计规范的制订以及引进开发生产新型管材等方面都有很大的进步，形势是很喜人的，前景是很乐观的。

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