新疆長(zhǎng)距離管道供水工程設(shè)計(jì)與施工誤區(qū)探討

新疆長(zhǎng)距離管道供水工程設(shè)計(jì)與施工誤區(qū)探討

丁江新1， 李江2

(1.新疆兵團(tuán)水利水電建設(shè)集團(tuán)公司， 烏魯木齊830000；

2.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局， 烏魯木齊830000)

【摘要】長(zhǎng)距離供水工程由于輸水距離長(zhǎng)、壓力高，出現(xiàn)事故影響較大，因此備受關(guān)注。本文對(duì)新疆地區(qū)使用的鋼管、玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼絲網(wǎng)骨架PE管等輸水管道工程應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)分析，并對(duì)管道工程設(shè)計(jì)與施工上存在的誤區(qū)進(jìn)行了探討，可供施工設(shè)計(jì)人員借鑒。

【關(guān)鍵詞】長(zhǎng)距離； 管道； 設(shè)計(jì)； 施工誤區(qū)

中圖分類號(hào)：TV672+.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Discussion on Xinjiang Long-distance Pipeline Water Supply

Project Design and Construction Mistakes

DING Jiang-xin1, LI Jiang2

(1.XinjiangCorpsWaterConservancyandHydropowerConstructionGroupCorporation,Urumqi830000,China;

2.XinjiangWaterResourcesandHydropowerPlanningandDesignManagementBureau,Urumqi830000,China)

Abstract：Long-distance water supply project is characterized by long water delivery distance, high pressure and greater accident influence, thereby it achieves much attention. In the paper, engineering application practices of steel pipe, glass steel pipe, ductile iron pipe, pre-stressed steel cylinder concrete pipe, steel mesh skeleton PE pipe and other water pipelines used in Xinjiang are summarized and analyzed. Mistakes in pipeline engineering design and construction are discussed, which can be adopted as reference for construction design personnel.

Keywords：long distance; pipeline; design; construction mistakes

近年來(lái)，管材技術(shù)發(fā)展較快，在管道建設(shè)和工程實(shí)踐中，出現(xiàn)了不少值得研究反思的問題，有些屬于設(shè)計(jì)問題，有些屬于施工問題，有些屬于二者兼而有之。更有甚者，原本是由于管材偷工減料造成了爆管事故，卻給該種管材的運(yùn)用造成很大的負(fù)面影響。本文旨在通過對(duì)各種不同管道的設(shè)計(jì)施工實(shí)踐的總結(jié)，并結(jié)合不同管材應(yīng)用認(rèn)識(shí)上的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)幾種長(zhǎng)距離供水工程常用管材(鋼管SP、玻璃鋼夾砂管FRPM、球墨鑄鐵管DIP、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管PCCP、鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯管SRTP)的設(shè)計(jì)和施工誤區(qū)進(jìn)行探討。

1管材選擇

鋼管(SP)：可以承受極高內(nèi)壓和較高外壓。用于供水管道工程的SP管徑范圍一般在DN600mm～DN2000mm，承壓要求較高的工況應(yīng)用較多，最大口徑可達(dá)DN4000mm。采用SP必須考慮防腐蝕措施及陰極保護(hù)措施。

玻璃鋼夾砂管(FRPM)：是一種柔性復(fù)合材料管道，在國(guó)內(nèi)以定長(zhǎng)交叉往復(fù)纏繞式玻璃鋼管應(yīng)用較多，大多12m一節(jié)，重量輕、耐腐蝕、不結(jié)垢，內(nèi)壁光滑阻力小，在相同管徑、相同流量條件下比其他材質(zhì)管道水頭損失小。其缺點(diǎn)是外剛度相對(duì)小，管壁薄，脆性大，對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉陷的適應(yīng)性差，對(duì)管道基礎(chǔ)及管壁外側(cè)回填料要求嚴(yán)格。

球墨鑄鐵管(DIP)：是球墨鑄鐵熔化后離心熱鑄一次成型的管材，其內(nèi)壁為噴水泥砂漿層，外壁采用噴鋅及噴高分子涂料保護(hù)，具有耐磨、抗內(nèi)外壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，內(nèi)壓強(qiáng)度可達(dá)4MPa。其缺點(diǎn)是重量較重，大管徑價(jià)格較高。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)：具有抗外壓能力較強(qiáng)、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是管道笨重、接頭多，施工不便，外層砂漿保護(hù)層抗侵蝕性能較低。一般可分為內(nèi)襯式(L型)和埋置式(E型)兩種，均為6m一節(jié)。

鋼絲網(wǎng)骨架PE管(SRTP)：克服了鋼管和塑料管各自的缺點(diǎn)，而又保持了鋼管和塑料管各自的優(yōu)點(diǎn)。

上述常見管材的特性比較見表1，典型工程案例見表2。

表1　幾種常用管材特性比較

表2　不同管材典型工程案例

續(xù)表

2常用管材設(shè)計(jì)與施工誤區(qū)

管材選擇受很多因素影響，對(duì)每一種可用的管材均應(yīng)進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。任何一種管材都有成功與失敗的案例，發(fā)生問題的情況也是復(fù)雜多樣，涉及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理、突發(fā)意外等多方面。作為設(shè)計(jì)者應(yīng)充分研究各種管材的優(yōu)缺點(diǎn)，在充分了解其性能的基礎(chǔ)上做好設(shè)計(jì)、施工，充分發(fā)揮管材的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，避免出現(xiàn)失誤。

2.1鋼管(SP)

a.鋼管防腐問題。使用SP輸水最重要的問題是防止其腐蝕，必須做好管外壁涂層和管內(nèi)壁內(nèi)襯的防腐，SP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質(zhì)量。環(huán)氧煤瀝青涂層、鋼塑復(fù)合、PE加強(qiáng)級(jí)防腐等均為防腐蝕措施。3PE防腐結(jié)構(gòu)則利用了環(huán)氧漆及PE膜的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)管道防腐的耐久性起到很好的加強(qiáng)作用，其防腐結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧煤瀝青。鋼塑復(fù)合管可以工廠化生產(chǎn)，防腐層的厚度可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行調(diào)整，防腐層表面光滑，有焊接、承插連接、法蘭連接多種連接形式，最大壓力可達(dá)4～5MPa。

b.陰極保護(hù)問題。有些工程管道沿線為凍脹性土壤，土壤中水分含量較高，沿線地基土、地下水及環(huán)境水對(duì)鋼材均有中～強(qiáng)的腐蝕性，在該環(huán)境下土壤中電化學(xué)腐蝕較強(qiáng)，要使鋼管處于電化學(xué)平衡狀態(tài)，必須采用陰極保護(hù)的方法。從實(shí)踐來(lái)看，由于保護(hù)站失效造成管道腐蝕爆管的教訓(xùn)極為深刻，設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別注意。

c.管壁厚度問題。按照CECS 193：2005、GB 50332—2002、SL 281—2003、DL/T 5141—2001和CECS 141：2002的要求，壓力鋼管的壁厚采用鍋爐公式和水電站壓力鋼管公式初估，考慮銹蝕余量，然后按鋼管的穩(wěn)定計(jì)算確定最終厚度。穩(wěn)定計(jì)算可考慮以下三個(gè)因素：?按鋼管抗內(nèi)水壓強(qiáng)度公式(鍋爐公式)進(jìn)行計(jì)算；?光面鋼管除滿足內(nèi)壓力的要求外，還要滿足抗外壓穩(wěn)定；?按鋼管抗外壓穩(wěn)定撓度計(jì)算。大多采用壓力鋼管計(jì)算的成果再加上銹蝕余量得到的數(shù)據(jù)，與給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程將鋼管看作柔性管、對(duì)鋼管極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定驗(yàn)算、剛度驗(yàn)算三項(xiàng)計(jì)算的結(jié)果是一致的。在決定管厚的最重要的一項(xiàng)，即強(qiáng)度計(jì)算上，采用將內(nèi)外壓組合疊加后，再來(lái)驗(yàn)算強(qiáng)度，決定管厚或結(jié)構(gòu)用材的模式。這樣做的結(jié)果會(huì)造成管壁偏厚，而SP的投資主要取決于管材壁厚，因此，SP的競(jìng)爭(zhēng)力顯著下降。長(zhǎng)輸水管道SP出現(xiàn)問題的基本都是因腐蝕或進(jìn)排氣閥及防水錘設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題，目前該區(qū)還沒有見到壁厚設(shè)計(jì)不足的報(bào)導(dǎo)。

2.2玻璃鋼管(FRPM)

玻璃鋼夾砂管道屬于復(fù)合材料，可設(shè)計(jì)性極強(qiáng)，通過改變材料、纏繞角度以及夾砂比例等，可以得到不同的力學(xué)指標(biāo)。管道壓力等級(jí)一般按0.2MPa為級(jí)差，最高可達(dá)3.5MPa，國(guó)內(nèi)目前允許2.5MPa。CJ/T3079規(guī)定管道剛度一般為1250N/m2、2500N/m2、5000N/m2、10000N/m2，也可以根據(jù)用戶要求結(jié)合實(shí)際情況提出剛度值。有部分工程采用了較高剛度是沒有必要的，大多數(shù)2m以下口徑埋地管道剛度5000 N/m2足以。

2.3球墨鑄鐵管(DIP)

球墨鑄鐵管的壓力等級(jí)選擇不同于化學(xué)建材管，主要涉及壁厚選擇及等級(jí)確定。GB/T 13295 規(guī)定了管道壁厚的選擇，給出了球鐵管與管件公稱壁厚的函數(shù)關(guān)系，按我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范GB/T 13295及ISO 2531、ISO10803可以對(duì)比管道的等級(jí)及壁厚選擇，計(jì)算見下頁(yè)表3。

根據(jù)計(jì)算分析看出：?對(duì)于小管徑，由于國(guó)內(nèi)限制最小壁厚6mm，造成管道PFA較高，隨著管徑的增加，差別減小；?國(guó)內(nèi)規(guī)范相對(duì)比較保守，壁厚大于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦值，當(dāng)然因?yàn)镵值大，所以承受壓力等級(jí)也高；?由于管道分級(jí)級(jí)差不明顯，造成中低壓力下，管材實(shí)際可承受壓力較高，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)需要，不利于競(jìng)爭(zhēng)。通常情況下長(zhǎng)距離輸水管道考慮運(yùn)行安全不建議選用高壓管道，大多數(shù)以2.5MPa作為上限。

表3　管道等級(jí)及壁厚選擇對(duì)比

注： 1. ISO強(qiáng)度等級(jí)中，1巴=100kPa，C40即承壓等級(jí)為4MPa，以下類同；PFA為允許工作壓力。

2. GB/T 13295要求離心管最小壁厚emin=6mm，ISO 2531要求最小壁厚emin=3mm。

2.4預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)

PCCP管壁的外層是噴水泥砂漿層，強(qiáng)度低、抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)低、透水性強(qiáng)，外壁防腐層在施工過程中稍有不慎，外層混凝土就會(huì)缺角掉塊形成暗傷，外水就很容易滲透到整個(gè)外層水泥砂漿層里，進(jìn)而可能改變鋼絲(或鋼筋)周圍孔中溶液的組成與性質(zhì)，破壞鋼絲(或鋼筋)表面的鈍化膜，造成腐蝕，從而引起PCCP爆管。這方面國(guó)內(nèi)外均有大量實(shí)例。

在對(duì)埋置式PCCP進(jìn)行陰極保護(hù)時(shí)，必須人為地將鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼絲在徑向上短接起來(lái)，使二者都納入保護(hù)對(duì)象。應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)制管之前向廠家提出技術(shù)要求，由廠家在制管時(shí)實(shí)施；提晚了則無(wú)法實(shí)現(xiàn)短接，值得事先重視。內(nèi)襯式PCCP(L)的預(yù)應(yīng)力鋼絲直接纏繞在鋼筒表面，可以認(rèn)為是處于電導(dǎo)通狀態(tài)的。對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)法短接的或早期已經(jīng)實(shí)施完成的工程，必要時(shí)可以考慮外加陰極保護(hù)的辦法。

2.5鋼絲網(wǎng)骨架PE管(SRTP)

SRTP融合了鋼管的硬性及PE管的柔性，管徑也已經(jīng)超過1m，內(nèi)壓超過1MPa。由于管材具有較好的柔性，在施工時(shí)可以充分考慮一般角度的借轉(zhuǎn)。鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的連接采用電熱熔連接和法蘭連接兩種方式。常用電熱熔連接，冷卻成型后，管材與管件緊密連接為一體。此種管道對(duì)墊層的要求相對(duì)比較簡(jiǎn)單，平整即可，尤其適應(yīng)多起伏的復(fù)雜地形條件。

3管道試壓誤區(qū)

GB 50287—2008提出：壓力管道應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)分為預(yù)試驗(yàn)和主試驗(yàn)兩個(gè)階段。試驗(yàn)合格的判定依據(jù)分為允許壓力降值和允許滲水量值，按設(shè)計(jì)要求確定；設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，選用其中一項(xiàng)值或同時(shí)采用兩項(xiàng)值作為試驗(yàn)合格的最終判定依據(jù)。

單口水壓試驗(yàn)合格的大口徑球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等管道，設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)應(yīng)符合下列要求：壓力管道可免去預(yù)試驗(yàn)階段，而直接進(jìn)行主試驗(yàn)階段。無(wú)論哪種試壓均應(yīng)特別注意預(yù)留打壓后背——靠背。很多工程由于施工進(jìn)度安排搶工期，人為挖斷造成無(wú)法進(jìn)行大口徑管道試壓，出現(xiàn)問題，應(yīng)引起各方的高度重視。應(yīng)把試壓方案設(shè)計(jì)貫穿在設(shè)計(jì)、招標(biāo)、施工的全過程。

4結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，本文對(duì)管材選擇、設(shè)計(jì)及施工常見誤區(qū)等進(jìn)行了分析探討，結(jié)合新疆地區(qū)嚴(yán)寒、干旱、鹽漬土分布廣泛的特點(diǎn)提出了一些注意事項(xiàng)及建議，如各類管材的可設(shè)計(jì)性、PCCP管道的陰極保護(hù)問題、試壓的重要性等，可供設(shè)計(jì)施工人員參考。