大口徑輸水管材及其比較

王莉莉 張 亞 李乃回 李洋洋

一、前言

隨著社會經濟的高速發展，城市用水量在不斷增加。為減少輸水線路損耗，避免原水二次污染，引水工程采用大口徑管道輸水是大勢所趨。目前國內可用于埋地給水的管道有鋼、鑄鐵等金屬材料，混凝土等無機材料，各種塑料等有機材料，實現了管材的多樣化。一般來講，引水工程前期除了要進行水源、輸水線路、水廠、泵站等勘察設計外，還要考慮管線運行維護管理等諸多因素，但最重要的工作還是合理選擇管材。根據工程要求選擇管材時，必須熟悉各種管材的材質、使用條件，采用符合要求、經濟合理、安全可靠的管材。管材還須根據其外部荷載、內水壓力、設計流量、環境介質、使用壽命、造價等因素綜合考慮確定。

二、管材簡介

1.鋼管（SP）

鋼材具有極好的力學性能，鋼管可以承受極高的內壓和較高的外壓。用于城市給水管道工程的鋼管口徑一般在DN600～DN2000mm范圍，最大口徑可達DN4000mm。鋼管的制作和焊接技術已經相當成熟，各種檢測手段也日臻完善。鋼材可加工成各種管件，尤其在穿越障礙較多、地形復雜地段時，鋼管有很強的實用性。

但埋地鋼管不耐腐蝕。使用鋼管輸水最重要的問題是防止腐蝕，必須做好管道內外壁的防腐，鋼管的使用壽命在很大程度上取決于內外防腐層的材料和施工質量。鋼管的外防腐通常采用涂層保護和電化學保護的方法。鋼管的內防腐通常采用水泥砂漿涂襯，防腐效果較好，但需要采取相應措施，確保施工質量，防止水泥砂漿在管道吊運、施工期間因管道變形而引起的開裂脫落。

2.球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管是經過球化處理的優質鐵水用離心鑄造工藝生產的，其抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性和延伸率與鋼管相當，抗腐能力比鋼管好。球墨鑄鐵管的瀝青外涂層和水泥砂漿內襯的制作均在工廠內完成，現場施工方便，不需要焊接和防腐處理。

大口徑的球墨鑄鐵管價格昂貴，這對于大型引水工程來說在經濟上難以接受，但在中小管徑的管道工程中球墨鑄鐵管價格與鋼管相近，應用廣泛，大有取代鋼管之勢。

3.玻璃鋼夾砂管（DIP）

玻璃鋼夾砂管具有以下特點：（1）重量輕，管長有6m、8m、10m、12m甚至更長，故玻璃鋼夾砂管安裝運輸費用比其他管材低。（2）可承受工作壓力 0.4～2.0MPa，接口采用承插式、膠圈接口或法蘭連接。（3）耐腐蝕性好，不產生二次污染，尤其適用具有腐蝕性介質條件。（4）內壁光滑，阻力小于其他管材，摩阻系數n值為0.008～0.009，小于混凝土砂漿內襯。

玻璃鋼夾砂管剛度較低，承受外荷載能力相對低，對溝槽基礎墊層尤其是胸腔回填土（一般要篩選或采用砂）和密實度要求較高。另外，玻璃鋼夾砂管抗浮能力較差。

4.預應力鋼筒混凝土管（PCCP）

預應力鋼筒混凝土管是一種技術先進、應用范圍廣泛的新型管材。其工作原理是：將預應力鋼絲按照設計要求纏繞在帶有薄鋼筒的混凝土管芯上，使其處于壓應力狀態；當管內載有壓力介質時，其預應力能夠部分平衡介質壓力而不破裂。實際上預應力鋼筒混凝土管也是一種復合管，它既具有混凝土管剛性好、耐久防腐的優點，又兼備鋼管承壓高，安全好的優點。這也是預應力鋼筒混凝土管能夠代表大口徑管材發展方向的原因所在。

預應力鋼筒混凝土管性能綜合歸納如下：（1）預應力鋼筒混凝土管使用壽命長。（2）管質堅硬、剛度好，不易受損、不需維修。（3）防腐性能好，綜合了鋼材與混凝土的長處。（4）可承受較高的工作壓力（0.4～2.0MPa，甚至更高）。（5）可承受深覆土（根據工程需要設計，美國曾達到30m覆土）。（6）可配套生產供應PCCP管件和特殊管型，比如三通、四通、彎管、變徑管等。（7）能承受真空狀態下的負壓。（8）使用中的PCCP管道，隨時都可帶壓開孔，與其他支管相接。（9）接頭靈活，采用承插式柔性接頭，用鋼制接口環與O型膠圈滑動密封，無漏水現象；抗震性能優越。（10）預應力鋼筒混凝土管可與其他各種管材連接，如鋼管及各種法蘭及堵頭。（11）管道摩阻系數較低，n取值為 0.0107～0.012。（12）安裝對溝槽地基要求較低，安裝施工快，可以邊安裝邊回填，省時省工。

總之，預應力鋼筒混凝土管安全可靠、使用壽命長、綜合造價較低，是一種優越的輸水管材。特別是DN2000mm以上大口徑管線更具優勢。但預應力鋼筒混凝土管相對自重較大，運輸安裝成本較高，中小管徑優勢不大。

我國20世紀90年代初從美國引進預應力鋼筒混凝土管新型管材生產工藝技術。國內在消化吸收的基礎上，陸續建成了多家生產廠家。產品已廣泛應用于水利、電力、市政和自來水供水主管線工程。

三、管材選用

一般情況下，埋地給水管材應根據其物理力學性能及其作用在管道上的內外荷載、環境介質和溫度等多因素設計計算確定。若有多種管材符合要求時，應通過綜合技術經濟分析，選用經濟合理、安全可靠的管材。給水管道能否安全運行，與管道自身質量、使用狀況、運行方式、維護條件、安裝施工質量等諸多因素有關。

1.管材的安全性及使用年限

大口徑的輸水管道一般多為單線。盡管工程中有調蓄設施，但蓄水量有限，允許管道搶修的時間很短，管材出現爆管或大量漏損事故造成的后果不可估量，故管材的質量應是比選的第一因素。管材的質量與其原材料、生產工藝等密切相關。

上述比選的管道都有20～60年的使用年限。鋼管的使用年限主要取決于其防腐和接頭焊接質量。球墨鑄鐵管的壽命也與防腐處理有關。玻璃鋼夾砂管等化學管材由于存在老化問題，其強度、應變等力學性能將隨時間而相應降低，故其壽命必須考慮材質的時間因素。預應力鋼筒混凝土管由于鋼板嵌在混凝土中間，使用壽命較長。近幾年大口徑預應力鋼筒混凝土管工程實例不少，反應很好，國內應用尚未有事故發生。

2.管道及施工費用

管道的價格要綜合考慮，鋼管要充分考慮其防腐費用，混凝土管要充分考慮其運輸費用。施工過程中的土方費用，幾種管材相差不大。預應力鋼筒混凝土管的運輸和吊裝費較多，而鋼管的電費及降排水費較高，玻璃鋼夾砂管的回填土要求較高。綜合比較，直徑DN1200mm以上的鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、預應力鋼筒混凝土管綜合造價大致相近。口徑越大，價格差異越大，見表1。

表1 管道價格表

3.環境介質的影響

對輸水埋地管道，主要考慮土壤介質是否對管道產生腐蝕影響。玻璃鋼夾砂管等化學管材耐酸堿能力最強，鋼管最差，需進行防腐設計。

4.管材內壁糙率系數n值

管材的糙率系數是確定口徑的重要參數，在同樣輸水條件下，對中、大口徑管道，n值為 0.009的管材比 n值為0.014的管材，口徑可小一個直徑等級，經濟合理的規格品種對工程綜合指標和運行成本具有實際指導意義。

四、結語

在城市引水工程中，采用大口徑管道輸水是大勢所趨。每一種管材都有各自的優點和缺點，宜根據項目實際情況和要求，對管道進行綜合比選，采用符合要求、經濟合理、安全可靠的管材。

大型引水管道運行壓力一般不高，但管材的工作壓力近幾年有上升趨勢，上述幾種管材，只要能夠保證制造安裝質量，都可以保證管道的正常供水，因此綜合造價較低的管材更易被業主接受。口徑DN2000以上、工作壓力大于0.6MPa的管線，預應力鋼筒混凝土管顯現出其良好的綜合性能，這也是預應力鋼筒混凝土管從國外引進后能夠得以迅速推廣應用的主要原因■