输水钢管线成品管化的探索

上海市原水股份有限公司
沈之坚

　　提要 输水钢管线建设中，将现场工作尽可能转移到工厂，以避开恶劣环境和气候的影响，以利新技术采用和机械化生产，从而确保管线质量和降低成本。这个转移就是钢管生产的成品管化。这是输水钢管发展的一个重要台阶，是球铁管、玻璃钢管、钢筒混凝土管等管材已经完成而不再具有的机遇。
　　关键词 输水钢管 成品管化

1?钢管是引水管线的必然一角

?　近年，引水工程已成为城市发展的必要项目，北京、天津、上海等城市均已建设了引水量达百万吨/日级的工程，引水量为几十万吨/日的城市引水工程更是屡见不鲜。迄今为止，这些城市引水工程中采用的管材有：现浇钢筋混凝土矩形管(现浇管)、予应力钢筋混凝土管(PSCP)、钢管(SP)、球铁管(DIP)、玻璃钢管(GRP)、予应力钢筒混凝土管(PCCP)等。多年实践表明，现浇管连接处承受变形能力低、水密机制差、漏水极为严重，不宜作为持续运行的压力管线；PSCP之接口因设计、制作均存在问题而易漏水，许多要求高的引水工程也将其放在后面；因此SP、GRP、DIP、PCCP等管材成为未来引水工程中最有希望的管材，这些管材各以自己的特点而展示着竞争力。一般说来，SP因强度高、韧性好、加工制作方便、整体性好而为用户广泛采用，特别是在管线线型变化之处，但也因现场沟槽对接焊接，焊缝处质量难以保证而使用户担心，上海已有多起大口径钢管线，如Ф1.8米、Ф2.7米、Ф3.0米，因焊缝开裂而致使全线停役事故；DIP强度高、耐高压、安全性好，但价格较高，特别是口径较大者，如：Ф1.5米以上者；GRP耐蚀性好、重量轻、施工方便，但因材料强度稍低，受外压易压扁，回填要求高，对于大口径管线来说，也就耗费较多而造价高；PCCP充分发挥了钢材与混凝土各自的优点，强度高、接口水密性好、价格较低，但其重量大的缺点仍存在，施工时需专用设备支持。因此上述各种管材，若能在原有基础上前进一步，克服自身的缺陷，将能在未来引水工程中大大提高自己的竞争能力。
?　我国冶金专业首席科学家翁宇庆教授说：“铁矿资源丰实、价格低廉，钢铁材料是我国，也是全世界最重要的工程结构材料，予计在2050年之前，找不到代替品。”因此大口径钢管应努力发展和完善自己，至少在未来的50年中，大口径钢管应在引水工程中充分展开，这是科学、工业发展到今天，给予钢管的责任，也是机会。

2.目前钢管线存在问题

?　目前，口径较大、承压较高的钢管线，无论是在工厂内制造管节，还是在现场作管节连接，几乎都采用对接焊接接头，因为对接焊接接头，受力后应力分布均匀，应力集中系数最小，是焊接钢结构中最为经济有效的焊接接头型式。但是对大口径埋没钢管线，尤其是不良地基地区的埋设钢管线来说，这将是一个例外。这是因为，此时沟槽连接难度增大，将不可避免地会产生一些不良焊缝，而埋没管线每一条沟槽缝都是承受全荷载的工作焊缝。大口径钢管线因沟槽对接焊接产生的一些不良后果具体叙述如下面：
?　2.1 不合格焊缝难以避免，成为管线致命隐患 因口径大，沟槽开挖就较深，现场条件复杂多变，尤其是在软土地基地区，深沟槽时淤泥、流砂常难避免，此时就难以为焊工提供安全操作空间和时间，由于大口径钢管较厚，一般均采用双面焊，此时管线底部的外面焊，常不得不放弃，形成外面未焊的不合格焊缝。不合格焊缝是影响管线安全运的最大隐患，因长距离埋设管线的每一条沟槽焊缝，都将承受管线的主要荷载——温度变化引起的拉力及不均匀沉降引起弯曲力。哪一条焊缝最差，就在那里首先失效开裂。上海在役的大口径输水钢管发生破裂事故，均是由这类不合格焊缝引起的。
?　2.2 焊缝处内外防腐层质量难以保证 因焊缝处的内外防腐只能在现场对焊完成之后才能实施，受现场环境和时间限制，常难以提供清洁、干燥表面，难以提供必要养护条件和时间，此时这部分防腐层质量当然是质量低劣的，因此有不少专家认为，钢管线在二、三十年之后，焊缝将会成为全场型的漏水、开裂点，甚至称：钢管线是“定时炸弹”。
?　2.3 材料的无效消耗很高 大口径钢管由于制作上不可避免的误差，相邻两节管现场焊接时很难完全吻合，按有关规定，管口直径之差不得超过4毫米，若以4毫米计，则管壁错位至少2毫米，按焊接规范，此时焊缝之强度仅为正常值之60-80%，因此即使焊缝为合格，也至少损失2毫米管厚。
?　2.4 负面效应 现场工作造成的管线质量低下，还产生负面效应，就是使工厂内的工作相应地得不到重视。因为工厂所作质量再差，也似乎胜于现场。

3.成品管化及其核心问题

3.1 成品管化之意义
?　上面所述的种种沟槽对接焊所引起的质量问题，从理论上讲，只要认真对待，充分投入，是可以得到解决的。但是对具体的输水钢管线来说，由于管线长、口径大、接口多，要认真对待的话，在工期、人员、设施等等方面都会遇到难以处理的问题，这样做法不是经济有效的，是不现实的。?沟槽对接焊之工作量是相当之大的，以Ф1.2米管来说，现场沟糟焊缝的长度可相当工厂焊缝长度的28～40%；口径越大，这个比例将越大，例如，上海建设Ф2.7米钢管线时，采用幅宽2.8米钢板卷制，管节定为5.6米，这样工厂中每节管的环缝为8.5米，直缝为5.6米，而现场每个管节之环缝也达8.5米，现场焊缝 长度相当工厂焊缝长度的60%。?现场焊接条件同工厂内条件是无法相比的，工厂内不受环境、气侯干扰，待焊管可以转动，且焊接面还可作局部加工或调整，基本上由机械完成焊接操作，质量可以控制；现场的环境和气侯变化是只能无条件接受的，管节下沟槽就位后就不宜再更换、移动，相邻管之焊接面吻合匹配差，调整难度大，焊接操作又多数为人工操作，所以，要达到质量标准的难度很大。
?　总之，目前输水钢管采用对接焊接这样的建设方式，使决定和影响管线质量和成本的主要方面是在现场而不是工厂，工厂提供的管节看成半成品更为合适。
?　解决现今钢管线所存在的种种质量问题，较明智的方法不是“对着干”，而“绕着走”，将现场工作尽可能转移到工厂完成，避开恶劣环境，气候变化的影响，以利新技术的采用和机械化生产，从而确保管线质量和降低成本，这里将这种解决办法概括为“钢管的成品管化”。
3.2 成品管化的核心问题
?　成品管化必须是高技术的成品管化，只有高技术的成品管化才能是经济有效的成品管化。因此，钢管成品管化过程也就是钢管吸取近年来管材领域中发展的种种新技术，使钢管能充分扬长避短地展开自己的过程。
?　钢管成品管化如何行动?若对DIP、GRP、PCCP等最富有竞争力的优质管材之特性作一下分析归纳，可以看到，各种管材之管体结构、材料虽有很大不同，但采用滑入式接口或发展滑入式接口是它们的共同特点。正是滑入式接口的采用，才使这些管材建设的管线，质量有所保证，施工方便有效。因此钢管采用滑入式接口应是钢管成品化的必要内容、核心内容。此外，将先进工业国在防腐方面的成功经验引入成品钢管也是必要的。
?　因国外先进工业国在防腐方面的技术已成熟可行，已制订了许多标准，学习和执行国外标准，就能顺利地使钢管防腐技术同国外接轨，国内近年在防腐涂料方面的发展，已提供了接轨所需的种种基础条件；钢管滑入式接口国外至今未能产品化、标准化，是一个有待探索、发展的新领域。根据钢管材料、结构的特性，提出钢管自己的滑入式接口，并能以经济、有效方法完成制作，就成为钢管成品化进程中的攻关目标，成功关键。

4.钢管成品管的设计与样管试验

4.1 滑入式接口钢管设计
?　这里提出一个钢管成品管的设计，以利同行对成品管化之可行展开讨论，设计的主要技术指标，参数如下：
? 公称口径：?1200毫米；
? 外径：?1220毫米；
? 管厚：8毫米，此厚度符合先进工业国压力钢管标准，如BS534
? 外防腐层：采用环氧煤沥青，参照美国标准AWWAC210“用于钢水管内外的环氧煤沥青涂层系统”，同国外先进标准接轨。
? 内防腐层：拟开发聚合物水泥砂桨涂层，使内涂层兼有水泥砂桨涂层和有机涂层之优点；也可参照AWWA C210执行。
? 接口：采用楔形断面胶圈予置承口的滑入式接口，其断面示意如图1。

?　胶圈置于承口的大口径滑入式接口是一种技术含量较高接口，直到80年代后期才在球铁管上实施。这种接口构造简洁而能吸收接口之伸缩、挠曲变形，密封性能更好，较机械压紧式更为经济可靠。机械压紧式胶圈接口，当管线安装后发生不均匀沉降，将使一侧的部分螺栓更紧，另一侧的部分螺栓松驰，从而使插口面承口端、压盖三者构成的填料函断面，部分放大、部分缩小，此时胶圈的受压状态也发生变化，填料函放大处的胶圈因松驰而反弹能力衰减，该处就有可能发生漏水，这已有实践所证实；滑入式接口，尤其是本项目计的楔形断面滑入式接口，允许运行中管线的接口转动，胶圈移动，接口能吸收变形仍保持水密。
?　大口径球铁管的滑入式接口的成立是依靠专用机床加工切削厚度相当大的承口，达到承插口配合具有精确尺寸才实现的。本项设计也要求很高精度的承插口尺寸配合，但似采用钢板辗压成型工艺，这是具有更高难度和技术含量的设计，是更经济有效的设计，是成品钢管在经济上可同球铁管竞争的一个重要技术支点。
4.2 滑入式钢管经济性的预测
?　就上面设计的Ф1200毫米滑入式钢管同对接焊接钢管的一些主要科目展开测算，总的形象是在钢管工厂中，滑入式钢管的制作费用同对接焊钢管比较，前者费用应同后者相当或稍低。而施工费用，由于滑入式接口钢管工效大大提高，无锡市已有Ф1400滑入式砼管每天平均安装140米，焊接钢管平均每天仅30米的实践，故滑入式钢管施工费用能显著下降。

?　下面列出二个表，供参考

4.3 成品钢管样管试验
　　上述的Φ1200毫米滑入式钢管设计是否可行？
　　1999年4月完成了样管试验。?
　　 ①承口辗压制作
　?用8毫米厚、200毫米宽的钢板，用辗压方法试制了6个承口环，试制的承口环尺寸基本符合设计要求，证实用辗压方法制作承口是可行的。
　　②接口安装力试验
　　用一个承口环制作成承口短管，再作一个插口短管，利用液压顶进装置安装接口，测试安装力，结果为1.9吨，低于常规滑入式接口，适合现施工使用。
　　③接口性能试验
　　考核接口密封能力和带压下接口折角能力?用一个一端封闭一端为承口的短管、一个一端封闭一端为插口的短管、一个标准管，组成带有二个接口的试验管段。
　　灌满水后用液压泵加压，10kg/cm²时接口不渗不漏；此时对一个短管施加侧向力，使接口在带压状态下转动，折角到3°，不渗不漏。因试验支撑框架能力限制，无法继续升压和加大折角。
? 试验表明，成品钢管的思路是可行的。

5.展望

?　钢管的成品管化，不仅可使现今沟槽对接焊钢管所存在的种种问题得到解决，而且综合造价也可有所下降，使钢管在同其他管材的竞争中，在原有竞争力基础上又上一个台阶。
　　同DIP相比，成品钢管之用钢量仅为球铁管的50-60%，造价为60-70%，强度设计符合先进工业国标准，已很充分，防腐层全部工厂制作，质量可靠，因此可以安全性高而价格低与之竞争。
?　同GRP相比，其安全性高、价格低，在技术经济两方面均占优。
?　同PCCP相比，成品钢管重轻，运输、施工不再需要专用机具支持，施工费用大大下降，管材价格应相当，因此将可以施工方便而综合造价低与之竞争。
?　大口径钢管的成品管化，是大口径钢管发展中的一个重要台阶，也是一个机遇，这种发展机遇对GRP、DIP、PCCP来说，因已经完成而不能再有，因此钢管应极其珍惜这一自己独有的机遇。
?　借此机会也向国内的钢结构加工厂进一言，现今国内已建成的DIP、PCCP、GRP工厂，建设时设备的投入，少则几千万，多则上亿；而成品管化钢管制作，对于有卷板能力的钢结构加工厂，只需对钢管线有一定的理解就可以完成，投入极低。要抓住这一少有的机遇，投入开发大口径成品钢管，积极参与国内引水工程建设。