球墨鑄鐵管在水利工程的應用

李華成，白占順（新興鑄管股份有限公司，河北邯鄲056300）

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球墨鑄鐵管在水利工程的應用

李華成，白占順
（新興鑄管股份有限公司，河北邯鄲056300）

通過水利輸送管線上水力、地質、施工中各種條件與球墨鑄鐵管各項性能對應關系，來討論球墨鑄鐵管在水利工程的應用合理性。

安全余量；節水；管線評價；免支墩設計

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.021

1 前言

球墨鑄鐵管在我國市政供水行業經過二十多年的發展，已成為管材市場的主導產品。球墨鑄鐵管的良好發展勢頭可以從生產廠家的年產量變化得以證明，我國球墨鑄鐵管的年產量由1990年的不足10萬t迅速增加到2003年的190萬t，如今年產量已突破350萬t。但在水利行業，球墨鑄鐵管認知度不高。本文力求從水利輸送管材的特點，以及各種工程對管材的要求，客觀地展現球墨鑄鐵管的適應性，期待水利行業的專家更加關注球墨鑄鐵管。

管材的節水性能還應體現在復雜的地質條件和長期運行條件下的密封性能，這也是管材重要的經濟性指標。本文建議投資者應當重視這個指標，并在管線實際運行時進行統計，以此評價管材的節水性能。

2 水利工程中輸水管線的特點

水利工程是指水資源綜合規劃并進行合理開發利用的工程，其中引水工程和調水工程會大規模使用管道輸水，與市政供水管網相比，水利工程輸水管線有如下特點。

（1）管線長：水利工程輸水項目涉及跨區域的調水項目，或該區域水系各城市間的合理分配，水源地距離供水城鎮通常較遠。

（2）管線口徑大：水利規劃考慮城市遠期發展用水，用水量會比現行水量大，口徑也相應較大。

（3）地質條件復雜：特殊工程的施工較多，如管線陡坡的施工，明裝管線的施工，穿越河道、鐵路公路等非開挖施工。土壤地質多變引起管線沉降以及地下水豐富的土壤對管線腐蝕等問題更增加了管線的運行難度。

（4）管線運行壽命長：管線運行時間越長，管線投資的回報率就越高。依據《城鎮給水排水技術規范》（GB50788）6.1.2條款的規定：“城鎮給水排水設施中主要建筑物的主體結構和地下干管道，其結構的設計使用年限不應低于50年；安全等級不應低于二級。”

（5）管線安全等級高：原水輸送管線為城市的生命工程，根據上一條款，安全等級應采用一級或二級。為了保證城市的供水安全，輸水管線一般為兩條，每條管線的供水量不低于全部水量的70%。

（6）管線投資高：由于管線的安全級別高，一般會選用優質管材，施工要求苛刻，管線投資極高。

在以上六者關系中，管線的安全無疑是第一位的，缺乏安全的管線，再高投資與零相乘，其結果只能是零；其次是管線的運行壽命，管線不僅僅單指管道，還包括管件、閥門以及各配件，使用壽命應同時達到50年以上，運行壽命是指在規定期限內穩定運行條件下，管線無滲漏；再者，高昂的管線投資需要通過運行壽命得以體現，即把握管線全運行周期成本最低的原則，進一步說，只有在保證管線的安全以及運行壽命的前提下，審慎把握管線投資方為理性；最后是社會的影響力，管線的漏水損失可以用金錢來衡量，而重大事故的影響程度無法用金錢計算，所以事故發生頻率以及搶修速度也是管線評價的重要指標。

3 管材選擇原則

水利輸水管材一般為大口徑管材（DN1000mm以上），主要有焊接鋼管、球墨鑄鐵管、PCCP管和玻璃鋼管。每種管材各具特點，投資者可以把握三點：一是考慮在實際工程中的運行效果，采用實際數據說話比籠統的比對更有說服力；二是管材總有自身的優勢和劣勢，關鍵點在于，當提及管材的劣勢時，是否有相應的解決方案；三是管材的各種性能在應對施工和運行條件時是否留出足夠的安全余量。

為了客觀地評價球墨鑄鐵管的工程應用，文本將對管線的要求劃分為水力條件、地質條件和施工條件三個方面，并將三個方面一一展開，同時也將球墨鑄鐵管的各個性能劃分為承壓能力、接口性能和使用壽命三類，再逐一細分，尋求兩者之間的對應關系，以此來全面考察球墨鑄鐵管是否有足夠的應對措施，以及其應對措施是否安全可靠。管線條件與管材性能對應關系見圖1。

圖1 管線條件與管材性能對應關系圖

4 球墨鑄鐵管的實際應用

4.1 管道承壓

（1）內部承壓

球墨鑄鐵管內部承壓計算公式如下：

PFA—管道允許正常工作壓力，MPa；

e—公稱壁厚，mm；

emin—最小壁厚，mm；

D—平均直徑（DE-emin），mm；

Rm—最小抗拉強度，MPa，（Rm=420 MPa）；

SF—安全系數，取3。

公式中，管道的壁厚在鑄造過程中會有偏差，但最小值必須保證，所以取最小值甚為合理。

在生產工藝中，每一批的管道均需要做拉棒試驗，其中抗拉強度是重要檢測項，420 MPa也是必須保證值；球墨鑄鐵管采用離心工藝一次性整體澆注，這樣可以保證整條管材的同質性，質量點上并無薄弱環節。

由于水泵工況點的波動，輸水的壓力會產生變化，特別是在水泵停泵時或閥門突然關閉，會產生水錘效應，波動的沖擊壓巨大，所以在水利管線不但應采取消除水錘措施，而且管道承受短時的水錘沖擊波尤其重要。在美國水行業協會研究基金會編寫的《PCCP管失效》一文中提到，“對于那些估分高的依然失效管道，最嚴重的問題是普遍遭遇到超高的沖擊波的威脅。檢查合同文件也顯示，設計上幾乎沒有考慮這些沖擊波或者將靜水力學試驗作為設計條件。”因此，管線產生的沖擊波超過管道本身的極限值是導致管道破裂的原因之一，值得設計者深思。球墨鑄鐵管計算公式中安全系數取3表明，管道正常工作壓力均為2.5 MPa以上，其理論爆破值為7.5 MPa，這對于抵抗水錘的沖擊波極有意義。

球墨鑄鐵管質量是否合格還體現在現場可檢測性，管道到工地后，可以從插口切割一個短環，管道可以繼續使用，短環加工后進行拉棒試驗，送到有資質的第三方部門檢測，可以輕易鑒定這批管材內在質量是否合格。

（2）外部承壓

管道的外部壓力主要來自土壤和交通荷載共同作用，以及管道和水的重量；管道外部承壓能力體現在管道和土壤彈性模量的綜合抵抗。其結果表現為彈性變形允許條件下，管道接口保持完整密封。依據《球墨鑄鐵管設計方法》（ISO10803），球墨鑄鐵管彈性模量為170000 MPa，帶有水泥內襯的球墨鑄鐵管允許最大變形值為4%。以此計算，K9級DN2000mm的管道，按照《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB50268）進行埋設，最大埋深可以達到5.8m。所以球墨鑄鐵管外部承壓能力是很強的，根據實際工程情況，即使一些施工并不規范，管道密封性能也能保證。

4.2 接口性能

球墨鑄鐵管有各種接口形式，其中T型接口被普遍采用。見圖2所示：

圖2 球墨鑄鐵管T型接口示意圖

球墨鑄鐵管在繼承傳統柔性接口的基礎上，又在設計、型式試驗、工程試點上進行了嚴密的論證與改進，科學地保證了接口的密封性能。球墨鑄鐵管T型接口有如下特點：

（1）T型接口保持了傳統的柔性接口的特點：

_環境溫差變化時，管道會熱脹冷縮，T型接口可以有效吸收長度的變化，保持密封。

_長期管線運行中，地基沉降是必然之事，T型接口允許一定限度的偏轉，從而保證密封。

（2）T型接口能在較大的角度偏轉時保持密封，還在于經典的接口設計：

_裝膠圈的承口壁厚比管體還要厚，承壓能力比管體還要高，同時可以保證在管道存放、運輸、安裝和埋地時不會變形，為密封打好基礎。

_獨特的T型密封設計，會因隨著水壓的升高而密封效果更佳。

（3）與PCCP和玻璃鋼管的“O”型密封圈并不相同，T型接口也有自己的特點：

_膠圈由軟硬膠之分，硬膠在安裝時，主要起固定作用，軟膠主要起密封作用。

_膠圈的位置位于承口，膠圈卡槽式設計，在接口安裝時，膠圈不會移動，從而保證膠圈的充分壓縮比。

_T型膠圈密封面更寬，更厚，從而保證在管道偏轉時更好的密封。

（4）球墨鑄鐵管接口最特別之處在于型式試驗。PCCP管也有型式試驗，目的是檢驗廠家質量水平。球墨鑄鐵管則不同，其型式試驗是設計驗證試驗，產品標準積極鼓勵廠家進行接口的創新設計，為了保證接口的密封性能，所有接口設計必須通過型式試驗。型式試驗的目的是模仿工程最不利的條件，檢驗苛刻條件下接口密封效果，并要求該試驗必須通過第三方權威部門的認證。型式試驗包括以下三組試驗：

_正內壓試驗。考察管道及接口在高內壓、外界荷載、接口尺寸偏差大、接口偏轉最大條件下的密封狀況，保壓時間不低于2h。

_負內壓試驗?？疾旃艿莱霈F真空條件下的密封狀況。

_正外壓試驗?？疾旃艿纼炔繛檎４髿鈮?，管道外水壓時膠圈的密封效果。

4.3 特殊工程的解決方案

為了滿足工程的需要，球墨鑄鐵管廠家推出了一系列自錨式接口形式，可以運用于一些特殊工程。自錨式接口依然屬于柔性連接的范疇，保持軸向與徑向的位移，只是接口后移的過程中，接口被鎖住，達到防滑脫的目的。原理見圖3：

圖3 球墨鑄鐵管TF自錨式接口示意圖

（1）免支墩設計

當管線的水力方向改變時，如彎頭、三通、變徑等，就會產生水力推力，球墨鑄鐵管采用柔性接口，通常做法是設置混凝土支墩以抵消水力推力。如果不設置混凝土支墩，柔性接口就需要使用防滑脫裝置，即自錨接口。由于管道埋地，自水力推力產生處至一定距離，管道與土壤產生的摩擦力可以逐步抵消水力推力，直至為零，這段長度稱之自錨長度，即自錨長度內需要設置自錨接口，自錨長度外只需普通柔性接口。示意圖見圖4：

圖4 球墨鑄鐵管免支墩設計示意圖

（2）非開挖施工

在輸水管線穿越河流、池塘、公路、鐵路時，由于地面不可開挖，通常采取非開挖施工方式。球墨鑄鐵管可以通過以下兩種方式實現非開挖施工，同時保證管材的一致性。

①頂管施工

施工方法與鋼管、混凝土管相同，但球墨鑄鐵管允許的定推力更大，如果采用中繼間技術，可以實現1～2km長距離的頂管施工。接口依然維持T型可以偏轉的特性，通過定位系統的校核，機頭隨時調整頂管前進方向，到達指定接受地點。球墨鑄鐵頂管見圖5：

圖5 球墨鑄鐵管頂管示意圖

②水平定向鉆施工（HDD）

水平定向鉆施工要求管道接口在牽引過程中承受較大的牽引力而不脫離，并且接口保持靈活的偏轉以減少彎曲力矩。球墨鑄鐵管接口采用內自錨形式，外部包裹熱縮膜，從而盡量減少拖拉時的摩擦力。

4.4 運行壽命

球墨鑄鐵管屬于金屬管材，雖然管材本身具有較好的抗腐蝕性能，但還需要通過內外防腐來安全保證50年以上的使用壽命。

（1）管道內防腐

水利管線輸送是原水，水質較好，一般采用硅酸鹽水泥砂漿內襯，或者抗硫酸鹽水泥砂漿內襯。

水泥內涂防腐機理：一是通過鈍化機理保護金屬基體免遭腐蝕；二是球墨鑄鐵與水泥具有很接近的膨脹系數（水泥為12×10_6/℃，球墨鑄鐵為11 ×10_6/℃）；三是水泥通過離心噴涂工藝制作，表面光滑，具有很低阻力系數，根據《室外給水設計規范》（GB50013），采用謝才公式計算時，球墨鑄鐵管水泥砂漿內襯粗糙系數可取值n =0.011；四是球管澆注工藝中內壁保留一定的絕對粗糙度，使得管材與水泥充分咬合，防止水泥脫層。

（2）管道外防腐

水利項目地質條件多變，可以通過地質勘查確定土壤腐蝕程度。球墨鑄鐵管可以根據土壤條件，選擇相適應的外防腐方案，或者組合方案，在經濟性為原則的條件下保證管線正常的使用壽命。

一般土壤條件下，管道的外防腐采用金屬鋅（130g/m2）+終飾層（70um）之雙重防腐方案。其機理為鋅發生電化學反應后，產生一層緊密連續的不可溶解的鋅鹽層，另外其獨特之處還在于，局部破損會通過密封毛孔遷移將鋅離子轉變為穩定的鋅化物，進行自我愈合。

較強腐蝕土壤條件下，管道的外防腐可以采用金屬鋅（200g/m2）+終飾層（70um）+PE膜之三重防腐方案，或者采用鋅鋁稀土合金+環氧樹脂方案。

強腐蝕土壤條件下，管道的外防腐推薦采用聚氨酯防腐方案。

5 管材的經濟性

在一些投資者的眼中更看重的是一次性管線投資的成本，而有意無意地忽略了長期投資的回報率，這是得不償失的。為了客觀地評價管材的經濟性，通過以下打分的形式選擇管材。

總分=分項權重1×年綜合成本估分+分項權重2×節水估分+分項權重3×維修估分+……

分項權重1 +分項權重2 +分項權重3 +……= 100%

（1）年綜合成本

根據世界上玻璃纖維生產先導者荷蘭Ameron公司的提供的資料，僅建議玻璃鋼管30年的壽命。

根據美國水行業協會研究基金會編寫的《PCCP管失效》，對在1940～2006年間使用的4979837根PCCP管進行了事故統計和分析，第一類失效（災難性破裂和泄露）平均失效年限為13.95年，PCCP管的第二類失效（嚴重劣化或結構弱化—通過檢測得到的）和第三類失效（服務能力減少—暫停服務，完全或部分替代）平均失效年限為16.75年。

球墨鑄鐵管從上世紀五十年代末開始運用于供水管線，現今在全世界水行業上廣泛使用，事故發生率極低，使用年限超過50多年。

（2）節水

在水資源日益缺乏的今天，節水意識愈加重要，評價管材的漏水損失也是管材經濟性的重要指標。

漏水的損失也許會超出您的想象。舉例說明：一個100萬t/日的水廠，如果管線漏水率為5%，每噸水的單價以2.0元計。經過簡單的計算可以得知，10年間漏水的損失將高達3.65億元。如果將其換算成管線，可以鋪設一條DN1000mm的球墨鑄鐵管道220km。

（3）維修

維修指標可以通過年事故發生頻率、搶修快捷方式、搶修時間、事故損失等來評估。

在意外發生時，球墨鑄鐵管可以通過哈夫節（補漏器）實現不斷水的情況下快速搶修，由于球墨鑄鐵管機械性能卓越，搶修處的承壓能力并不降低。一般情況下，管線的管理部門專門備有該段管線相匹配的哈夫節，防患于未然。

6 結語

綜上所述，球墨鑄鐵管在實際水利工程的各個環節均有很好的解決方案。承壓方面，可以根據管線的運行壓力及波動確定球墨鑄鐵管的壁厚級別，并保留足夠的壓力余量，以防止水錘等災害的發生；接口方面，可以根據地質條件和安裝條件確定合適的普通接口或自錨式接口，由于接口形式較多，需要水利設計部門和廠家做好充分的溝通工作；內外防腐方面，做好水質和土壤的腐蝕性的勘探和分析，由此確定最佳的防腐方案。

在舉世矚目的南水北調中線工程中，球墨鑄鐵管的使用量已經超過了1800多km，水利專家們也在管線安裝、調試、運行過程中對球墨鑄鐵管給予了極高的贊譽。由此相信，隨著越來越多水利專家對球墨鑄鐵管的深入了解，球墨鑄鐵管在水利行業運用前景也會更加廣闊。

［1］上海市政工程設計研究院.《給水排水設計手冊》第3冊［M］.

［2］ISO10803-2011.球墨鑄鐵管設計方法［S］.

［3］GB50788-2012.城鎮給水排水技術規范［S］.

［4］GB50268-2008.給水排水管道工程施工及驗收規范［S］.

［5］中國城鎮供水協會.城市供水行業2010年技術進步發展規劃及2020年遠景目標［R］.

［6］沈之基，鄭曉明.美國PCCP管的失效及對中國給水管道應用的警示［J］.水利規劃與設計，2015（03）：1-3、17.

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1672-2469（2016）01-0064-05

2015-05-19

李華成（1969年—），男，高級工程師。