輸水工程管道設計與防腐蝕研究

李釗成

（遼寧省凌源市應急供水建設管理處，遼寧 凌源 122500）

輸水工程管道設計與防腐蝕研究

李釗成

（遼寧省凌源市應急供水建設管理處，遼寧 凌源 122500）

以青龍河輸水工程為研究對象，對輸水管道進行水力計算，得出了管道的粗糙系數和埋藏深度。依據計算結果對輸水管道結構進行設計，并研究了輸水管道的防腐蝕方法，以便及時發現漏點并進行維修。還提出了一種外加電源陰極保護的防腐蝕方法，為對今后輸水管道設計和防腐蝕研究提供理論參考。

管道;防腐蝕;輸水工程;水力計算

1 引言

管道開始運行后，地基會出現不均勻沉降，從而導致承插口及各閥門處漏水，因此對輸水管道進行合理設計至關重要。青龍河屬于典型的山區河流，根據雹神廟泥沙檢測站資料推測，青龍河在汛期洪水時段含沙量很高，但持續時間較短。年內含沙量大于10kg/m3的天數不多于20天，而且該時段占全年輸沙量的99%以上，非汛期泥沙平均含量0.54kg/m3，含沙量較少。本文設計的輸水管道主要在非洪水期進行取水，因此泥沙含量很小。在保證輸水安全可靠的前提下，工程應遵循以下原則［1-2］。

（1）線路盡可能順直，線路最短，交叉工程最少。

（2）線路盡量選擇在地形比較平坦的地帶，選擇最佳的地形和地質條件。

（3）盡量少占耕地、良田，減少移民和拆遷。

（4）盡量靠近現有和規劃道路鋪設，為施工和運行維護提供方便。

（5）提高輸水安全可靠性，降低能耗，減少漏損，節約投資，采用行之有效的新技術、新材料和新設備。

基于國內外研究情況，首先對輸水管道進行水力計算，得出了管道的粗糙系數和埋藏深度。依據計算結果對輸水管道進行結構設計，并研究了輸水管道的防腐蝕方法，以便及時發現漏點并進行維修。希望對今后輸水管道設計和防腐蝕研究提供幫助。

2 輸水管道水力計算

輸水線路分為2段，菩薩廟南段和菩薩廟北段。線路全長82.29km。菩薩廟南段線路全長54.79km，其中從青龍河至隧洞進口管線長36.87km，隧洞長2km，隧洞出口到菩薩廟水庫為河道輸水，長度為15.92km。管道直徑為1200mm。其中PCCP長13.73km，鋼管長23.14km。菩薩廟北段為雙管線輸水，線路長2km×27.5km。DN700的管道長2km×14km，其中球墨鑄鐵管長2km×10km，鋼管長2km×4km。DN600的管道長2km×13.5km，其中球墨鑄鐵管長2km×8.3km，鋼管長2km×5.2km。

2.1 管道粗糙系數

根據《給排水設計手冊》規定，PCCP混凝土管道的粗糙系數 n=0.012 ～0.014［3］。一般取0.013。近年來，隨著管道生產技術的改進，混凝土管道內壁更加光滑，PCCP管實際粗糙系數更接近下限。根據工程經驗，本文進行水力計算時PCCP的粗糙系數取0.012。

球墨鑄鐵管內壁采用水泥砂漿防腐，內壁與混凝土管較為接近，因此粗糙系數也取0.012。

隨著防腐涂料本身性能的提高以及涂裝技術的發展，鋼管內壁采用涂料防腐的越來越多［4］。采用涂料防腐較為顯著的優點之一就是內壁較為光滑，粗糙系數小，一般n取值范圍為0.010～0.012。本設計中的鋼管管徑較小，工地焊縫焊接、涂料涂裝施工較為困難，焊縫處的光滑度相對會較差，并且由于地形條件造成管道轉彎較多，相對工地焊縫也較多。因此鋼管的粗糙系數取上限n=0.012。

2.2 水力計算

輸水管線的水力計算采用下式計算［5］:

式中:hz為管道總水頭損失，m;hy為管道沿程水頭損失，m;hj為管道局部水頭損失，m;L為管道長度，m;v為流速，m/s;C為流速系數，m0.5/s;R為水力半徑，m;n為粗糙系數。

菩薩廟南段最大供水量為2.0m3/s，多年平均調水量為1290.6萬m3，平均供水量為0.41m3/s。菩薩廟北段平均供水流量為5.09萬m3/d，日變化系數為1.5，最大供水流量為7.64萬m3/d。根據供水流量和管徑確定各段管線水力坡降值及各泵站揚程，各管徑對應水力坡降見表1。

表1 不同管徑下的水力坡降

2.3 管道埋深計算

PCCP管抗浮穩定驗算應滿足:

式中:G1k為管自重標準值，kN;Fsv，k為管道單位長度上管頂豎向土壓力標準值（kN/m）;Ffw，k為管道單位長度上浮托力標準值，kN/m;Kf為抗浮穩定性抗力系數，Kf=1.1。

鋼管抗浮穩定驗算應滿足:

式中:∑FGk為各種抗浮作用標準值之和，∑FGk=G1k+Fsv，k;G1k為鋼管（球墨鑄鐵）管道結構自重標準值，kN/m;Fsv，k為豎向土壓力標準值 kN/m;Ffw，k為浮托力標準值，kN/m;Kf為抗浮穩定性抗力系數，Kf=1.1。

按地下水水位達到管頂工況時，對PCCP管和鋼管進行計算抗浮所要求的管頂最小覆土深度，為了滿足管道抗浮的要求，管徑DN1200的PCCP管要求覆土為0.4m，管徑DN1200鋼管要求覆土為0.9m，管徑DN700的鋼管覆土要求為1.0m，管徑DN600的鋼管覆土要求為1.0m。管徑DN700和DN600的球墨鑄鐵管覆土要求為0.9m。

3 輸水管道結構設計

3.1 PCCP結構設計

PCCP管有內襯式（PCCP-L型）和埋置式（PCCP-E型）兩種型式，PCCP-E型一般用在口徑DN1400以上，本工程管徑為1200mm，因此采用埋置式即PCCP-L結構。依據管道的內壓力分布，PCCP管材采用工壓等級為0.6MPa、0.8MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa。PCCP管的標準覆土設計為2.0m，有些地段還需增加4m、6m覆土深度。

3.2 球墨鑄鐵管道

球墨鑄鐵管采用離心鑄造工藝，T型承插接口形式。厚度按K9系列確定，DN700的標準壁厚為10.8mm，DN600的標準壁厚為9.9mm。密封橡膠圈采用無毒天然橡膠，符合《橡膠密封.供水、排水和污水管道用密封圈.材料規范》（ISO 4633-2002）標準中規定的技術要求。

3.3 支墩設計

鑒于該工程的壓力高，地形起伏大，轉彎角度大，數量多。PCCP管對大于11.25°以上的水平、向下、向上彎頭均設混凝土支墩。對于小于11.25°以下彎頭采用鎧裝結構。鋼管對大于45°以上的水平、向下、向上彎頭設混凝土支墩。

3.4 鋼管結構設計

鋼管使用的板材為熱軋卷板，鋼板材質為碳素結構鋼，鋼牌號為Q235B。鋼管管徑較小，采用車間流水生產的螺旋縫鋼管。根據鋼管內壓、外壓、管頂覆土豎向變形計算，初步確定1.6 MPa DN1200壁厚為12mm，1.0 MPa DN1200壁厚為10mm，1.6 MPa DN700和DN600壁厚均為8mm，1.0 MPa DN700和DN600壁厚均為6mm。

4 管道防腐蝕設計

該輸水工程管道主要采用球墨鑄鐵管、鋼管，下面對這2種管材的防腐措施進行分析。

4.1 鋼管防腐蝕

青龍河至菩薩廟段樁號A0+00～A10+390，B0+00～B8+969.984段約19.6km全部為鋼管，該段土壤對鋼結構的腐蝕有弱、中、強三種，管段土壤電阻率20.9Ω·m～165Ω·m。根據管道保護面積的土質腐蝕性參數以及相關技術規范，確定外加電流保護的管線段的保護電流密度為i=4m A/m2，青龍河至菩薩廟段鋼管保護電流為300A，電源系統設計采用規格為150A/120V的變壓整流器設備。共設三個陰極保護站，每個陰極保護站提供約100A保護電流;每個陰極保護站實取組裝型含鉻高硅鐵陽極25支，輔助陽極為25支。

4.2 球墨鑄鐵管防腐蝕

為了防止管道內結垢并減緩腐蝕，球墨鑄鐵管內壁應采用內防腐層。球墨鑄鐵管內防腐形式主要有水泥砂漿和涂料兩種形式。涂料防腐具有涂層薄，過水斷面大;管壁光滑、糙率小，水力損失小的優點，但價格偏高。水泥砂漿防腐的優點是:耐沖擊性好，不易損壞;鋼材表面鈍化，形成穩定保護膜;價格便宜。缺點是:管壁不夠光滑，糙率大;適應變形能力差，變形過大易脫落。鑄鐵管管壁厚，剛性好，不易變形，水泥砂漿不易脫落，另外水泥砂漿價格便宜，施工方便。綜合經濟因素，球墨鑄鐵管內壁推薦采用水泥砂漿防腐，水泥砂漿厚度為6mm。

5 結語

通過對輸水管道進行水力計算，得出了管道的粗糙系數和埋藏深度，三種管材的粗糙系數均取0.012，埋深與管材和管徑有關，可由計算式得出。依據水力計算結果對輸水管道進行結構設計，設計了PCCP結構、球墨鑄鐵管道結構、支墩和鋼管結構，并研究了輸水管道的防腐蝕方法，以便及時發現漏點并進行維修。希望對今后輸水管道設計和防腐蝕研究提供幫助。

［1］江寧，王占華，張小陽，等．水工金屬結構防腐蝕技術及行業質量管理發展概況［J］．水利技術監督，2010（06）:34-35．

［2］何榮星．遼陽灌區骨干工程主要問題與項目建設必要性［J］．水利技術監督，2015（01）:23-24．

［3］張小陽，關新成，王占華．金屬材料及防護涂層在兩種淡水環境中的腐蝕試驗研究［J］．水利規劃與設計，2006（05）:34-37．

［4］楊國瑞，李貴清，成棟，等．水工鋼筋混凝土聯合防腐措施在白浪河防潮閘工程中的應用研究［J］．水利規劃與設計，2013（02）:68-70．

［5］喬裕民，侯仰增，畢士君，等．PCCP管道外防腐涂料消耗量計算方法的探討［J］．水利規劃與設計，2013（04）:59-61．

TV91

B

1008-1305（2015）06-0066-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.06.025

李釗成（1966年—），男，工程師。