球墨鑄鐵管在南水北調配套工程中的應用

董建忠 趙志誠 葉衛合

（新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056000）

球墨鑄鐵管在南水北調配套工程中的應用

董建忠 趙志誠 葉衛合

（新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056000）

本文根據南水北調中線配套管線1.0Mpa左右重力流的實際情況，K9等級球墨鑄鐵管允許壓力性能過剩，因此對 DN1600m以下球墨鑄鐵管根據不同規格、不同地段的地形及埋深分別選用K7、K8等級球墨鑄鐵管(局部地段埋深較深選用少量K9等級球墨鑄鐵管)，成功的應用于南水北調配套工程，取得了良好的社會效益。

球墨鑄鐵管 南水北調配套工程 工作壓力 壁厚 外部荷載

引言

我國于二十世紀八十年代引進離心球墨鑄管的生產技術，經過多年對工藝及裝備的改進，現有生產工藝已經穩定、技術日趨成熟，已達國際先進水平。由于產品機械性能優越，壁厚均勻性和球化鐵水純凈度大幅提高，使得生產薄壁高強的球墨鑄鐵管成為了現實。

據此，相關單位對中、小口徑球墨鑄鐵管的管壁進行調整，并對K8、K7級別壁厚的管道進行了壓力試驗，結果證明K8單支管水壓試驗性能幾乎與原K9管相當。

根據《球墨鑄鐵管設計方法》（ISO10803-2011），管壁厚度提供的強度應滿足內部流體的壓力要求及因回填和交通產生的外部荷載影響。因為專供南水北調配套工程的K8、K7管材已經滿足輸水壓力的要求，所以在實際應用中主要考慮的問題為外部荷載。本文將對管道所受的外部荷載進行全面分析，證明K8及K7管子在低壓力工程中的優勢。

1 球墨鑄鐵管的壁厚與工作壓力

《水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件》（GB/T 13295-2008）5.1.3條款中對球鐵管與管件的公稱壁厚做出了要求，公式如下：

式中：

e—公稱壁厚，單位為毫米（mm）；

DN—公稱直徑，單位為毫米（mm）；

表1 K9管允許壓力14

K—壁厚級別系數。取7、8、9、10、11、12等整數。

表2 K8管允許壓力

表3 K7管允許壓力

球墨鑄鐵管的允許工作壓力可按以下公式進行計算：

式中：

PFA—允許工作壓力，單位為兆帕（MPa）；

emin—球鐵管最小壁厚，單位為毫米（mm）；

D—球鐵管平均直徑(DE-emin), 單位為毫米（mm）；

Rm—球鐵管最小抗拉強度，單位為兆帕（MPa），(Rm＝420MPa)；

SF—安全系數，取3。

2 外部荷載的設計

2.1 設計公式（符合《球墨鑄鐵管設計方法》（ISO10803-2011））

式中：

Δ—管道的徑向偏移，用外徑D的百分數表示；

KX—取決于底層反作用角的偏移系數；

q—因外部所有的荷載造成的管頂上的垂直壓力，MPa；

S—管道的徑向剛度，MPa（見ISO2531和ISO 7186）；

E＇—土壤反作用模量，MPa；

E—管壁材料的彈性模量，MPa（球墨鑄鐵為170000MPa）；

I—單位長度管道面積的二次矩，mm3；

D—ISO 2531規定的管道外徑，mm；

tm—管道徑向剛度的計算厚度，mm；

t2—限制外部荷載所致的徑向偏移和彎曲應力的最小管壁厚度，mm；

t—額定的管壁厚度，mm。

圖1 Spang1er模型

注：本設計公式是基于Spangler模型（圖1），其中向下作用的垂直壓力q

——在管道頂部沿著直徑范圍為均勻分布的；

——同管道內底向上作用的壓力相等，均勻地分布在底層反作用角2α范圍；

——產生一個管道偏移，使管道側面受到一個橫向的反作用壓力，在100°角范圍內為拋物線分布。

2.2 施于管道上的荷載

作用在管道頂部的總垂直壓力q為兩個壓力之和：

式中:

q1—土壤荷載壓力；

q2—交通荷載壓力。

注：交通荷載的壓力q2要大于加在地面上的普通靜荷載的壓力；同樣對于任何不正常的地面荷載需要進行特別考慮。

（1）地面荷載的壓力

下式應用于由管道土方緊挨的地面棱柱的重量計算q1：

式中：

q1—管道頂部的壓力，MPa；

γ—回填層的單位重量，KN／m3；

H——覆蓋土層的高度（從管道頂部到地面的距離），m。

在沒有其它數據的情況下，土壤的單位重量，對于最大多數的情形應取為20KN/m3。不過，若初步的地工勘測確定的實際單位重量不到20KN/m3，也可以使用實際值來確定q1；或者，實際值高于20KN/m3，則應使用實際值。

（2）交通荷載的壓力

q2的值應按照國家和/或地方適用的標準和法規來計算。然而，下面的簡化公式因其覆蓋了大多數的交通法規和類型，可以用來計算q2：

式中：

q2—管道頂部的壓力，MPa；

β—交通荷載系數；

H—覆蓋土層的高度，m；

DN—額定尺寸。

注1：當H＜0.3m時，本公式不適用。

應考慮的三種交通荷載類型為：

——主道路，β＝1.5：這是一般的情形，出入道路除外；

——出入道路，β＝0.75：禁止車輛行駛的道路；

——鄉村地區，β＝0.5 ：所有其它的情形。

注：對于管線可能處在交通荷載特別高的情形，可使用系數β為2或大于2。

3 球墨鑄鐵管的徑向剛度

使用中，球鐵管在保證所有功能的前提下可以承受較大的徑向變形。管線使用中允許的徑向變形應符合K7、K8剛度表（見表4、表5），同時表中也給出了最小徑向剛度值，使其在普通安裝條件下能承受較大的覆蓋深度。

徑向變形(單位為百分數，%)等于管子在垂直方向的變形(單位為毫米，mm)除以管子初始外徑DE(單位為毫米，mm)，再乘以100。《水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件》（GB/T13295-2008）中K7、K8管子的壁厚相似《輸水用球墨鑄鐵管、管件、附件及接頭》（ISO2531-2009）中C20、C25的壁厚（C20、C25管材的允許徑向變形值應符合表6、表7的規定），這樣就保證了接口的完整性以及安全性，防止管壁受到過度應力和內襯的過度開裂。

管的徑向剛度S由下式計算得出：

式中：

S—徑向剛度，單位為千牛頓每平方米（kN/m2）；

E—材質彈性模量，單位為兆帕（MPa） (球墨鑄鐵的彈性模量為170000Mpa)；

I—每單位長度管壁的二次面積矩，單位為立方毫米（mm3）；

e—管的壁厚，單位為毫米（mm）；

D—管的平均直徑(DE-e)，單位為毫米（mm）。

注：來源自GB/T13295-2008 附錄H

表4 球墨鑄鐵管K7級別特性指標表

表5 球墨鑄鐵管K8級別特性指標表

表6 C20級管的徑向剛度和允許變形

表7 C25級管的徑向剛度和允許變形

4 K7、K8級別中、大規格球墨鑄鐵管允許埋深

K7、K8級別中、大規格球墨鑄鐵管允許埋深見表8。

5 南水北調許昌段K7級別DN800球墨鑄鐵管變形實測

（1）DN800 K7級別球墨鑄鐵管管頂覆土2.5-3.0m；

（2）現場測量K7級別球墨鑄鐵管豎向內徑尺寸802mm；

（3）現場測量管子橫向內徑尺寸812mm；

（4）按照《水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件》（GB13295-2008）中3.25條不圓度計算

（5）見表9 DN800 K9級管允許徑向變形4%

表9 K9管最小徑向剛度和允許徑向變形

說明K7級球墨鑄鐵管只要埋深符合上述表8且管中心以下回填密度≥90%，K7管變形量符合CECS 142:2002在給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程第5.3.3條，當內防腐為水泥砂漿時，最大豎向變形不應超過 0.02D～0.03D，則K7級別DN800管允許變形范圍16mm～24mm，而現場實測變形數據10mm,證明新興鑄管生產的這批專供南水北調許昌段的K7球墨鑄鐵管是強度、韌性均滿足工程要求的高性價比產品。

6 K7球墨鑄鐵管與其它管材對比

K7球墨鑄鐵管與其他管材對比情況見表10。

表8 K7、K8球墨鑄鐵管允許埋深表

注：允許埋深管溝3、4類，土壤類型C、D類選用。

技術規范：球墨鑄鐵管執行ISO2531、GB/T13295-2008標準

表10 K7球墨鑄鐵管與其他管材對比表

7 結論

球墨鑄鐵管采用離心鑄造工藝，具有可同鋼管相媲美的機械性能。當管線工作壓力1.0Mpa時，若采用K9級管道則性能過剩，無形中造成巨大浪費。因此，在確保管線運行安全的前提下，適當降低壁厚，不但能提高離心球墨鑄鐵管的競爭力，擴大市場占有率，還能節約國家資源，創造良好的社會效益。所以根據管線工作壓力，科學選用合理級別的球墨鑄鐵管必將是今后管道事業發展的趨勢。

1. 《水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件》（GB/T13295-2008）

2. 《輸水用球墨鑄鐵管、管件、附件及接頭》（ISO2531-2009）

3. 《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB50268-2008），

4. 《球墨鑄鐵管設計方法》（IS010803-2011）

5. 《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》（CECS142-2002）

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.014

TG255

B

1672-2469（2014）08-0040-05

14作者簡介：董建忠（1957年—），男，高級工程師。