常見的大口徑輸水管材優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用論述

摘要：根據(jù)我國工程技術(shù)的發(fā)展和實(shí)踐運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，在目前的大型給排水工程中，大口徑的輸水管道主要有五種，分別是復(fù)合鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、玻璃鋼類管（GRP）、聚乙烯塑料管（PE）和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）。五種管材各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)針對(duì)不同情況選取最適合的管材。文章對(duì)常見的大口徑輸水管材優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：大口徑輸水管道；給排水工程；復(fù)合鋼管；球墨鑄鐵管；玻璃鋼類管 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU821 文章編號(hào)：1009-2374（2016）32-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.060

1 鋼管（SP）

1.1 優(yōu)點(diǎn)

鋼管的應(yīng)用歷史長、適用范圍較廣、機(jī)械強(qiáng)度最好，具有極好的力學(xué)性能，當(dāng)可以承受極高的內(nèi)壓和較高的外壓，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證壓扁性變度達(dá)30%不會(huì)出現(xiàn)管道破損。近幾年市場(chǎng)上出現(xiàn)的復(fù)合鋼管，是以鋼管為基管，通過拋丸、高溫等工藝，在其內(nèi)外壁復(fù)合高分子化學(xué)材料而成。它是鋼管與塑料管優(yōu)良性能的結(jié)合，既有鋼管高強(qiáng)度、抗拉力等優(yōu)點(diǎn)，又有塑料管的超強(qiáng)耐腐蝕性。它的內(nèi)涂層為環(huán)氧樹脂，外涂層熱熔聚乙烯結(jié)構(gòu)，以DN1600的復(fù)合SP為例，鋼的厚度為14mm，內(nèi)環(huán)氧涂層厚度為0.45mm，外聚乙烯厚度為1.8mm，涂層發(fā)生損壞易修補(bǔ)，使用酒精噴燈噴涂即可，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證涂層附著度高。接口處連接方式靈活，可以做成：法蘭連接、承插連接、焊接，現(xiàn)在大口徑的管道多采用焊接連接，焊接為柔性連接，可最大程度地適應(yīng)地基不均勻沉降問題，接口處保留無涂層焊接區(qū)，焊接之后內(nèi)外再做防腐涂層，采用熱熔的方式，內(nèi)涂環(huán)氧，外涂聚乙烯，涂層用料和厚度的標(biāo)準(zhǔn)均高于管身，鋼管在火電廠中有大量應(yīng)用。

1.2 缺點(diǎn)

SP輸水最重要的問題是防止腐蝕，必須做好內(nèi)、外壁的防腐，SP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過程中對(duì)內(nèi)外涂層的質(zhì)量，投運(yùn)之后可加設(shè)外加電流、犧牲陽極的保護(hù)來監(jiān)測(cè)和保護(hù)鋼管的使用。鋼管手工焊接的管道接口環(huán)向焊縫隨著管徑的增大，成為最突出的薄弱環(huán)節(jié)，溫度變化，地基不均勻沉降，接口使整個(gè)鋼管形成一根長的受力梁，在有缺陷的環(huán)向焊縫易形成應(yīng)力集中發(fā)生爆漏。同時(shí)按鋼管管端不圓度的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)01005 D計(jì)算，安裝相鄰兩根管的管壁錯(cuò)邊量會(huì)高達(dá)28%。

按焊接規(guī)范，即使焊縫完全合格，此時(shí)接口的焊縫強(qiáng)度也僅為正常值的70%左右，為此傳統(tǒng)鋼管管壁厚度的選用一般都采用增大30%以上的鋼板厚度方法來彌補(bǔ)這一缺陷，這就造成了鋼管的安裝費(fèi)用高于PCCP、玻璃鋼等采用承插連接的管材。

1.3 工程案例

工程案例如表1所示：

2 球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管是使用18號(hào)以上的鑄造鐵水經(jīng)添加球化劑后，經(jīng)過離心球墨鑄鐵機(jī)高速離心鑄造成的管道，稱為“球墨鑄鐵管”。球管具有鐵的本質(zhì)、鋼的性能，延展性能好，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與SP相當(dāng)，抗腐蝕能力比鋼材好，承受沉降能力好，主要用于市政、工礦企業(yè)給水、輸氣、輸油等。球管的主要成分有碳、硅、錳、磷和鎂。外涂瀝青，內(nèi)壁噴鋅、水泥砂漿防腐材料等。球墨鑄鐵管的使用歷史可以追溯到1668年巴黎郊區(qū)從塞納河至凡爾賽全長約21.14km的輸水管線，300多年的時(shí)光流逝，除部分管道和接頭維修更換外，主體至今仍在使用。

2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）具有卓越的承壓能力，最大額定工作壓力可達(dá)2.0MPa，并具有一定的抗軸線拉力能力，安全性很高；（2）具有良好的防腐性能，一般中水管道腐蝕性較大，內(nèi)水泥防腐受水質(zhì)影響而脫離；（3）密封性好；（4）抗震性能高；（5）重量相對(duì)較輕、安裝快。

2.2 缺點(diǎn)

（1）內(nèi)防腐采用水泥砂漿防腐，易結(jié)垢滋生細(xì)菌，輸水阻力大；（2）外防腐采用噴鋅和環(huán)氧煤瀝青漆，對(duì)于土壤的酸堿環(huán)境非常“敏感”，常常短時(shí)時(shí)間被腐蝕，導(dǎo)致滲漏（秦皇島北戴河輸水管道由于離海邊較近，球管使用不到10年就有的管體外壁腐蝕承壓減低產(chǎn)生爆管）。環(huán)氧煤瀝青有毒，污染地質(zhì)環(huán)境，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡乇硭?、土壤有一定不利損傷；（3）插口外壁及端口（噴鋅+環(huán)氧煤瀝青防腐）和內(nèi)輸送水接觸，腐蝕端口水泥和球鐵的結(jié)合處，造成連接口部分污染水質(zhì)，其輸水不能直接飲用，存在內(nèi)部水泥層易結(jié)垢等缺陷。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，如直接飲用水需要噴涂環(huán)氧樹脂防腐；（4）抗沉降能力差，有沉降地形地帶極易崩管，而需要置換地基土壤，成本較高。土壤污染或有化學(xué)工廠或毒物污染區(qū)地段禁止直接使用；（5）接口較多（是涂塑復(fù)合管的2倍左右），而且接口的滲水率較高，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)由于受施工因素或地質(zhì)環(huán)境、廠家產(chǎn)品質(zhì)量——部分城市滲水率達(dá)到20%以上，滲漏導(dǎo)致基礎(chǔ)坍塌，給生產(chǎn)、道路、交通及生命財(cái)產(chǎn)造成損失，特別是水錘導(dǎo)致管體或接口爆管的較多，帶來了非常麻煩的后期維護(hù)，破壞市政道路和影響環(huán)境，影響供水的安全性和送水率；（6）凡承插銜接的球墨鑄鐵管線，有必要經(jīng)核算設(shè)支墩，施工比較麻煩。球管基槽墊有承載力的沙層；（7）造價(jià)較高，一般每延米比PCCP、鋼管以及玻璃鋼加筋管要高出30%～50%。

3 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是由預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼筒、混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，是將預(yù)應(yīng)力鋼絲按設(shè)計(jì)要求纏繞在帶有薄鋼筒（通常1.5cm厚）的混凝土管芯上，最后在管外部施噴水泥砂漿保護(hù)層而制成的。

PCCP性能綜合歸納如下：（1）PCCP管芯中嵌入了一層薄壁鋼筒，具有較好的抗?jié)B性；（2）預(yù)應(yīng)力鋼絲可多層重疊，管材承受內(nèi)水壓力高、埋土深度大，承受內(nèi)水壓0.4～2.0MPa，甚至更高；（3）管材的承插接口是半柔性，可減緩或克服一定程度上的土壤應(yīng)力影響，偏轉(zhuǎn)角允許約1°；（4）管材的管件配套齊全、簡便、可靠、節(jié)省造價(jià)；（5）粗糙系數(shù)n值為0.011～0.0125。

PCCP管設(shè)計(jì)年限為50年，對(duì)于輸送海水介質(zhì)，PCCP管的使用壽命取決于管道的防腐，需內(nèi)外壁涂刷防腐涂料進(jìn)行防腐，但PCCP管結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力鋼筋容易腐蝕，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鋼筋截面減少，承載能力下降，最終導(dǎo)致爆管。如對(duì)PCCP管沿線做陰極保護(hù)則陽極塊的大小、布置、陽極塊的設(shè)計(jì)保護(hù)年限都直接影響著PCCP管的使用壽命。另外，PCCP管道的粗糙系數(shù)較高。

4 玻璃鋼類管材

市場(chǎng)上使用較多的玻璃鋼類管材有玻璃鋼夾砂管、玻璃鋼加肋管、等壁厚純玻璃鋼管。玻璃鋼類管材具有如下特點(diǎn)：（1）優(yōu)良的耐腐蝕性能：玻璃鋼管選用耐腐蝕極強(qiáng)的樹脂，可以適應(yīng)海水、酸、堿、鹽、腐蝕性土壤或地下水及眾多化學(xué)物質(zhì)的侵蝕；（2）防污染：玻璃鋼管在使用過程中不結(jié)垢、不生銹、不會(huì)被海洋的貝類、菌類等微生物玷污蛀附；（3）比重小、重量輕：玻璃鋼夾砂管的比重是1.8（加肋管與之近似），只有鋼的1/4，但玻璃鋼加砂管的環(huán)向拉伸強(qiáng)度約為160MPa，軸向拉伸強(qiáng)度約為130MPa（加肋管與之類似），近似合金鋼。因?yàn)橹亓枯p，運(yùn)輸安裝較方便；（4）使用壽命長，安全可靠：玻璃鋼管的壽命可達(dá)50年以上，不用考慮防腐涂層的問題；（5）運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低：由于玻璃鋼產(chǎn)品本身具有很好的耐腐蝕性，不需要進(jìn)行防銹、防污、絕緣等措施和檢修，對(duì)地埋管無需作陰極保護(hù)，可節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用；（6）但玻璃鋼管相對(duì)而言壁薄，管道本身承受外壓能力較差，易脫口漏水，對(duì)基礎(chǔ)與回填的要求較高，增加安裝費(fèi)用，且管價(jià)較PCCP、鋼管稍高。

4.1 玻璃鋼夾砂管

玻璃鋼夾砂管是由玻璃纖維、聚脂樹脂、石英砂等材料組成，有管道輕、強(qiáng)度好、耐腐蝕、內(nèi)壁光滑阻力小節(jié)省能耗等優(yōu)點(diǎn)，連接為承插式，并設(shè)置膠圈，安裝方便?？梢愿鶕?jù)環(huán)境及輸送介質(zhì)情況選擇樹脂種類，改變夾砂量，增減管壁厚度，無需附加內(nèi)襯層和外防腐涂層而直接埋設(shè)在高酸性和高堿性土壤中，不需要電化學(xué)保護(hù)。玻璃鋼夾砂管是1995年后中國為更好地利用玻璃鋼優(yōu)異的耐防腐性能并且克服造價(jià)較高的不利因素，采用減少玻璃纖維（增強(qiáng)材料）的用量，選用石英砂作為代替，增加管壁厚提高剛性的地埋管要求，2000年以后得到市場(chǎng)領(lǐng)域的大力推行?，F(xiàn)由于制造廠商惡性競爭，不按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造，過多地采用低性能原材料，大幅增加石英砂的用量，是大量工程出現(xiàn)較大質(zhì)量事故，致使玻璃鋼夾砂管在2010年以后長江領(lǐng)域引水及沿海發(fā)達(dá)地區(qū)市政污水領(lǐng)域幾乎已經(jīng)絕跡。

4.2 玻璃鋼加肋管

純玻璃鋼管道部分加厚（外表上看像一環(huán)一環(huán)的肋，肋的部分玻璃鋼厚度大），具有玻璃鋼材質(zhì)共有的優(yōu)點(diǎn)：耐腐蝕性好，粗糙系數(shù)小，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，運(yùn)輸安裝方便，工期短。同時(shí)避免了因?yàn)榧由傲吭斐傻馁|(zhì)量問題，采用玻璃鋼加肋管工藝，可大大降低玻璃鋼光滑管的壁厚，又利用環(huán)向玻璃鋼加強(qiáng)肋保證地埋管的剛度等級(jí)要求（類似橋一樣，每過一段做一個(gè)橋墩），并相對(duì)夾砂管造價(jià)有所降低，因此近年來在海水壓力管中得到大量應(yīng)用。使用玻璃鋼加肋管輸水工程見表2：

4.3 等壁厚的純玻璃鋼管

相對(duì)于加肋管或者夾砂管每延米高出1000～2000元。

5 聚乙烯管（PE）

PE管是一類以塑料為主材料的管材，即聚乙烯塑料，包括高密度增強(qiáng)型，加鋼骨架型PE管。防腐性能好，不需要做防腐處理，粗糙系數(shù)0.009，耐磨性強(qiáng)，行業(yè)公認(rèn)可達(dá)50年的使用壽命，可抵御一定程度的地基不均勻沉降，較鋼管稍弱，可繞行性，柔韌性好，抗震能力強(qiáng)。但是大口徑的帶壓輸水沒有應(yīng)用實(shí)例，最多做到DN1200的，多使用在300以下的輸水（如衛(wèi)生間、洗浴間的輸排水，不帶壓的小口徑排水）DN1000不摻鋼骨架僅靠厚度想要達(dá)到需要的剛度要求，造價(jià)會(huì)是鋼管、玻璃鋼加肋管的一倍，鋼骨架PE管，據(jù)回訪調(diào)研，用戶反映不好用，接口處為電熔、熱熔，鏈接處多有漏水。

6 結(jié)語

各種管材在不同的經(jīng)濟(jì)要求、地質(zhì)條件、輸送介質(zhì)、使用年限、內(nèi)壓外壓的條件下，會(huì)有不同的選擇，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，甄選最優(yōu)的管材。

作者簡介：杜明雨（1989-），男，河北滄州人，供職于中核華電河北核電有限公司，初級(jí)職稱，研究方向：水工工藝。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）