淺談礦泉水輸水管材優缺點及設計應用

楊永花

（陜西省涇惠水利水電設計院，陜西 三原 713800）

隨著人民生活水平的普遍提高，越來越多的人開始注重飲水健康。礦泉水由于富含豐富的礦物質和微量元素，日漸受到消費者的青睞，加之礦泉水現代、時尚、方便、衛生的飲用特點，使得飲用礦泉水已成為人們健康飲水的標準。隨著人們的生活水平的進一步提高，以及國家政策的引導，礦泉水市場普及率必然將大幅上升。故本文結合具體工程對礦泉水的輸水管材進行比選。

1 工程概述

張家山群泉引水二期工程本著優水優用的原則，利用張家山優質的礦泉水資源生產優質的礦泉水，造福當地人民。主要任務為鋪設管道，利用一期工程已建成的泉水收集系統以及水磨溝機井水源將泉水輸送至涇陽縣王橋鎮北峪村南、關中環線北的陜西省水務集團秦之泉飲品有限公司礦泉水廠。

2 供水規模

陜西省水務集團秦之泉飲品有限公司礦泉水廠第一階段需水規模為0.2 萬m3/d，第二階段水廠滿負荷運行時需水規模為0.4 萬m3/d，工程主要為泵站和輸水管道工程，泵站按兩個階段實施，輸水管道按水廠總需水量0.4 萬m3/d 規模實施，采用雙管鋪設，一條滿足第一階段用，一條預留第二階段用。

3 輸水管道設計

3.1 管材比選

輸水管道的材料一般根據輸水流量、壓力、地形地質條件等情況選用，管材的選擇對于工程投資及施工難度影響較大。

（1）PE 管：PE 管由于其強度高、耐高溫、抗腐蝕、無毒、耐磨等特點，被廣泛應用于給排水制造領域。因為它不會生銹，所以，是替代普通鑄鐵水管的理想管材。和鋼管比較，施工工藝簡單，有一定的柔韌性，更主要的是不作防腐處理，會節省大量的工序。缺點為器械性不如鋼管，不能裸露于空氣中陽光下，并且對苯、汽油、四氯化碳等有機溶劑比較敏感，有機溶劑如果滲入，其物理性能就下降、變差。

（2）ABS 管：ABS 塑料管是一種新型管材，可用于制藥和食品等行業，也可用于市政給水、純凈水輸送等，在室內一般可用數十年之久，如埋在地下或水中壽命會更長。其優點主要為無毒和無二次污染、不改變水質，不生銹、不結垢、內壁光滑阻力小，重量輕、易運輸。其缺點為ABS 塑料管成本較高，國內有廠家生產DN15～DN150 的ABS 管道、閥門及配件，工作壓力僅可達到1.6 MPa。

（3）不銹鋼管：目前用于市政供水的不銹鋼管通常選用0Cr18Ni9（304）。其優點主要為：①具有良好的抗晶間腐蝕性能，優良的腐蝕性能及冷加工、沖壓性能，在氧化性酸和大氣、水等介質中耐腐蝕好。②環保衛生。輸水過程中無異味，無有害物質析出，無鉛，保持水質純凈，對人體健康無害。③耐磨損。表面美觀清潔光亮長久耐用無刮痕,永不生銹、永不斷裂。缺點是生產工藝復雜，制作成本較高。

（4）內襯不銹鋼復合鋼管：內襯不銹鋼復合鋼管是在鋼管內壁復合薄壁不銹鋼管，這種雙金屬復合鋼管會大大提高鋼管在輸水、輸熱水、輸煤氣、輸天然氣、輸油過程中的耐腐蝕性能，表面光滑，流體阻力小，又保留了鋼管機械強度高，可采用焊接、溝漕、螺紋連接，密封性好，克服了鍍鋅鋼管易腐蝕，采用熱熔連接的塑料管易漏水和老化的缺陷，是輸氣、輸水、輸油鋼管的升級換代的理想產品。缺點是不適宜于管道線路曲折、線形復雜的線路。

綜上可知，聚乙烯PE 管無毒、耐磨，內壁光滑，水力性能好，但若周圍土體污染及污水管道泄漏容易對管道造成破壞；ABS 管是一種新興的環保型管材，無毒、無二次污染、不改變水質，不生銹、不結垢，但其成本較高，國內有廠家生產工作壓力僅可達到1.6 MPa，壓力等級較低；304 不銹鋼管具有良好的抗腐蝕性能、沖壓性能，在氧化性酸和大氣、水等介質中耐腐蝕好，輸水過程中無異味，無有害物質析出，無鉛，保持水質純凈，對人體健康無害，耐磨損，不生銹，但其生產工藝復雜，制作成本較高；內襯不銹鋼復合鋼管具有不銹鋼管的抗腐蝕性，同時又有鋼管的高機械強度性能，且價格低廉。

經綜合比較，從工程安全、控制投資角度考慮，本次設計在張家山旅游區內即0+000～1+470 段，管道轉彎較多，為了確保工程施工質量以及便于施工，管道采用304 不銹鋼管，1+470以下管道采用內襯304 不銹鋼復合管。

3.2 管道連接

管道的連接方式采用焊接，管道連接采用對接式氬弧焊連接，304 不銹鋼管焊接采用奧氏體型H0Cr21Ni10 焊絲，焊接過程中內部應充氮氣保護到焊接完成焊口冷卻到常溫，采用單面焊雙面成型工藝。管道組成件焊接后應對焊縫進行酸洗和鈍化處理，并對焊縫進行拋光處理。為了便于施工，所有管件材質均采用304 不銹鋼，304 不銹鋼管和管件的連接采用焊接，內襯304 不銹鋼復合管和管件的連接采用法蘭連接。

3.3 管道外防腐的選擇

304 不銹鋼管外防腐選擇塑覆，覆塑防腐是以不銹鋼管材為母材，采用中空保溫包塑技術，外覆一層抗耐磨損、耐化學腐蝕和電離子腐蝕的聚乙烯（PE）塑料制造而成，具有保溫、耐腐蝕、耐磨損等特點。塑覆防腐可避免土壤對管外壁的酸堿腐蝕或尖硬雜物對管道表面的損傷。

內襯304 不銹鋼復合鋼管管道外防腐采用3PE 防腐。3PE鋼管防腐是將2PE 防腐層和環氧粉末防腐鋼管涂層（FBE)巧妙的結合起來而產生的一種新的防腐鋼管涂層。底層與鋼管面所接觸的是環氧粉末防腐涂層，中間層為帶有分支結構功能團的共聚粘合劑。面層為高密度聚乙烯防腐涂層。3PE 防腐涂層綜合了環氧樹脂和聚乙烯材料的高抗滲性、機械性能高、粘結力強、絕緣性能好、吸水率低、耐水、耐酸堿腐蝕等特點。3PE 防腐在施工上也是簡便迅速，綜合的造價也比較低。到目前為止是全球公認的使用效果最好、性能最佳的管道防腐涂層，從而被應用在諸多的工程當中。

4 工程設計

4.1 工程總體布置

本次工程由張家山泉群集水井取水，通過加壓泵，經管道輸送至北峪村秦之泉水廠，輸水管道沿涇惠渠總干渠渠堤及旅游路路肩鋪設。管線布置為：1#管道由水磨溝機井開始，沿涇惠渠總干渠左岸山坡的防汛路側向下游鋪設至4# 集水井附近；2#管道由4#集水井開始，向北爬坡至防汛路，兩條管道在1#管道樁號1+090 處匯合，開始單管溝雙管并行鋪設。管道沿防汛路、旅游路側敷設至樁號6+830 處（冀東專線與旅游路交匯處），而后沿總干渠北側渠堤敷設至樁號6+978（群英橋）跨至總干渠南側，再沿南側渠堤敷設至樁號9+193（總干五斗）跨至總干渠北側，再沿北側渠堤敷設至樁號10+751（姚家公路橋）跨至總干渠南側，最后沿渠堤南側敷設至北峪村南關中環線北的秦之泉水廠樁號13+031 處后與水廠管道連接。管線總平面布置圖見圖1，水源部分管線布置圖見圖2。

圖1 張家山群泉引水二期工程輸水管線總平面布置圖

圖2 張家山群泉引水二期工程水源部分管線布置圖

4.2 管道設計

4.2.1 經濟管徑確定

參照《薄壁不銹鋼管道技術規范》（GB 29038-2012）5.3，管內流速一般按不小于1.0 m/s，最大不超過1.5 m/s 考慮，根據下列公式計算管徑：

式中：D 為管段直徑，m；Q 為管段流量，m3/s；v 為管內流速，m/s。

經濟管徑計算結果見表1。由表1 可知，1#管線機井處連通井處選用管徑為DN200，連通井至水廠管道選用管徑為DN150，2#管線中4#集水井處至水廠選用管徑為DN150；排水管選用管徑為DN100。管道壁厚選用見表2。

4.2.2 管道水力計算

（1）沿程水頭損失按以下公式計算：

式中：hf為管道沿程損失，m；i 為給水管道單位長度水頭損失，kPa/m；L 為管道長度，m；C 為海曾- 威廉公式的流速系數，不銹鋼管為130；dj為管道計算內徑，m；qg為管道設計流量，m3/s。

表1 經濟管徑計算結果表

表2 管道壁厚選用表

（2）局部水頭損失計算

本次管網局部水頭損失hj按沿程水頭損失的25%計。

輸水管道水力計算結果見表3。

4.2.3 管道橫斷面設計

管線0+000～1+090 段為D219 管道單管鋪設，管溝開挖底寬為85 cm，管溝開挖不放坡，為矩形溝槽，管道底部設10 cm砼，管側和管頂填筑10 cm 素土，其余采用原土回填。

1+090～13+031 段管線位于旅游路肩和涇惠渠渠堤段，項目區管溝為濕陷性黃土，管溝開挖底寬為95 cm，管溝開挖形式為梯形溝槽，開挖邊坡為1∶0.2，管溝基底設0.3 m 厚3∶7灰土墊層進行處理。在管線轉彎處設置鎮墩。

表3 輸水管道水力計算表

5 結語

涇陽張家山群泉引水二期工程建設，旨在通過桶裝礦泉水生產增加當地經濟產值和提高居民生活質量，水是居民生活的命脈，是保障人民生活，發展經濟不可缺少的物資基礎，區域供水關系到社會的安定、是制約經濟發展的重要基礎設施。項目的建成，將對項目區的經濟發展具有十分重大的意義。