發電廠用大口徑循環水管道材料比選研究

摘? 要：電廠循環冷卻水進排水管在整個電廠系統中占有相當重要的地位，由于循環水管直徑大、距離長、重要性高、投資大等原因，其管線布置及材質選用將直接影響工程投資造價及電廠長期運行的安全性、經濟性。為此對管材選擇需進行必要的技術、經濟比較，以求得工程造價最低，施工敷設速度快，確保電廠長期處于安全、經濟運行狀態下的一種合理管材。本文對鋼管、玻璃鋼管、現澆鋼筋砼管溝、預應力鋼筒砼管（PCCP管）從多個維度進行技術經濟比較。

1大口徑循環水管道材質比選原則

循環水管道材質的選擇要綜合抗滲性、承載力、耐腐蝕性、造價、自重、加工及施工工藝、施工工期、管道布置等方面的比較。本文所討論的大口徑循環水管，指常用于600MW級以上機組的循環水管，母管管徑通常在DN3000以上。

（1）抗滲性：不言而喻，廠區循環水管道為壓力管道，沒有好的抗滲性顯然是不合要求的。

（2）承載力：廠區循環水管道埋深較深，且都布置在主廠房周圍，大件設備運輸和安裝的地面荷載較大。對管材的剛度、強度以及穩定性的要求都較高。

（3）耐腐蝕性：如果是以海水作為循環冷卻水，管道內壁與海水、外壁與土壤直接接觸，一般火電廠設計年限較長，管壁的耐腐蝕性對循環水系統的正常運行也至關重要。

（4）加工及施工工藝：例如，循環水管道特別是鋼管，對加工及施工工藝，特別是回填土的質量有嚴格的要求，其是保證鋼管結構能達到設計要求的關鍵所在?；靥钔恋募壟浜蛪簩嵪禂滴催_到設計要求，會導致循環水鋼管失穩。

（5）管道布置：綜合地質條件，考慮地基處理、支墩布置等。

（6）運輸：預制管材的運輸成本和一些運輸限制需要考慮在內。

（7）經濟比較。

2大口徑循環水管常見材質及使用情況簡介

2.1 大口徑循環水管常見材質

目前大口徑循環水管道可選用的材質有鋼管、玻璃鋼管、現澆鋼筋砼管溝、預應力鋼筒砼管（PCCP管）等類型，除碳鋼管以外的其它管材防腐性能均較好，一般適用于濱海電廠海水介質。

除南方濱海地區部分600MW和1000MW機組工程采用PCCP管（或預應力鋼筋砼管），部分核電工程采用玻璃鋼管外，國內大部分已建或在建的600MW～1000MW機組循環水管道均采用碳鋼管。下面就對各種管材的主要性能以及優缺點進行簡要的介紹。

2.2常見循環水管材使用情況簡介

2.2.1 鋼管

鋼管是最常用的一種輸水管道，因其方便施工、便于加工、技術應用相對成熟而得到廣泛的應用。目前國內火電廠中最常用作循環水管的管材為Q235材質焊接鋼管。

焊接鋼管也稱焊管，是用鋼板或帶鋼經過卷曲成型后焊接制成的鋼管。焊接鋼管生產工藝簡單，生產效率高，品種規格多，設備投資少，但一般強度低于無縫鋼管。近年來，隨著優質帶鋼連軋生產的迅速發展以及焊接和檢驗技術的進步，焊縫質量不斷提高，焊接鋼管的品種規格日益增多，并在越來越多的領域代替了無縫鋼管。焊接鋼管按焊縫的形式分為直縫焊管和螺旋焊管。隨著我國建設施工水平的飛速發展，國內施工單位已具備了現場制作40mm厚度以下鋼管的能力。

2.2.1.1焊接鋼管的優點

1）耐壓強度及抗滲性能高，優于鋼筋混凝土管道。

2）自重輕：與鋼筋混凝土管道相比，同樣管徑，同樣長度條件下，鋼管自重僅為鋼筋混凝土管道的30%左右，運輸、安裝均較為方便。

3）加工周期短：無論在現場自行加工，還是由生產廠制造，鋼管制作速度均快于鋼筋混凝土管道，且無需養護期。

4）施工工藝簡單：由于鋼管自重輕，無需特殊施工機具，現場僅需配置合適的汽車吊以及一定的工作平臺（半徑范圍小于鋼筋混凝土管道），一般采用常規施工方法即可。

5）總工期短：由于鋼管加工周期短，施工方法簡單，基礎暴露問題及對周邊建筑物的影響小，因而提高了施工總進度。

6）管道布置方便：埋地鋼管無需在轉彎處設置支墩，特別在進出主廠房的區域，各種管溝布置縱橫交叉，布置十分擁擠，其優越性更為突出。此外鋼管剛性連接對地基不均勻沉降的適應性強于鋼筋混凝土管道，在焊接質量保證的前提下，接口不易漏水，運行安全可靠。

2.2.1.2焊接鋼管的缺點

1）鋼管單位造價較高，通常每米長鋼管的價格要高出鋼筋混凝土管道。

2）耐腐蝕性差，鋼管與鋼筋混凝土管道如同樣不經防腐，鋼管的耐腐蝕性要低于鋼筋混凝土管，所以鋼管還需進行額外的防腐處理（如管壁涂層、陰極保護等）。

3）鋼管屬于柔性管道，其自身的剛度及抵抗外荷載的能力較弱，在國內設計中需要考慮與管體四周土體共同作用抵抗外荷載。因此，鋼管不太適合管徑超大或埋地較深的使用環境。由于鋼管自身的結構強度、剛度以及穩定性的要求，通常在電廠中的循環水壓力鋼管均需要采用加筋肋加固。

2.2.2 玻璃鋼管

玻璃鋼管是將浸有樹脂基體的纖維增強材料，按照特定的工藝條件逐步纏到芯模上并進行適當固化而形成的，其管壁是一種層狀結構，可以通過改變樹脂系統或采用不同的增強材料來調整玻璃鋼管的各項物理和化學性能，以適應不同介質和工作條件制成不同壓力等級或具有某種特殊性能的玻璃鋼管。改型周期短，則是纖維纏繞復合材料的顯著特點，各向同性的金屬管材無法與之相比。

2.2.2.1玻璃鋼管優點

1）耐腐蝕性能好

玻璃鋼管道結構上分內襯層、結構層及外保護層三部分。其中，內襯層樹脂含量高，一般在70%以上，其內表面富樹脂層樹脂含量高達95%左右。通過對內襯所用樹脂的選擇，可使玻璃鋼管道在輸送液體時具有不同的耐腐蝕性能，從而滿足不同的工程需要;對需外防腐的場合，只需對外保護層樹脂進行選擇，便也可達到不同外防腐的使用目的。對于電廠循環水管道使用環境，玻璃鋼管的耐腐蝕性完全可以達到要求。

2）水力學性能優良

玻璃鋼管道內表面光滑，內壁絕對粗糙度僅為0.01mm，遠小于鋼管及混凝土管的內壁粗糙度，屬水力學光滑管。不同管材內壁絕對粗糙度可參考下表2.2-1。

3）重量輕，安裝、運輸方便

玻璃鋼管道密度約為1.6kg/cm3左右，僅是鋼管的1/4～1/5，實際應用表明，在承受同樣內壓的前提下，同口徑、同長度的玻璃鋼管道，其重量約為鋼管的30%左右。正因如此，玻璃鋼管道在運輸時可套裝運輸，節省油耗及其它費用，安裝時，中小口徑的玻璃鋼管道一般不需用重型機械，有的甚至可通過人工搬運，提高了安裝速度。

4）比強度高、力學性能合理

玻璃鋼管道軸向拉伸強度為160～320MPa，接近于鋼管，比強度（材料的抗拉強度與材料比重之比）更高，在結構設計時，管材自重可大幅度減輕，安裝相對比較容易。對比情況見表2.2-2。

5）接頭少、連接方式多樣靈活

鋼管一般2m左右一段，玻璃鋼管道單管長度6～12m，甚至更長，在長距離管線安裝時，所需接頭少，既能使流動水阻降低，也減少了施工費用，同時，管線因接頭多而發生滲漏的可能性也較鋼管大為降低。另外，玻璃鋼管道的接頭方式有多種，主要包括：承插膠接、平端對接、（活套）法蘭連接、（帶鎖緊裝置）“O”形圈連接、螺紋連接等，可根據具體施工條件，靈活選擇接頭方式。

6）電絕緣性能好

鋼管、鑄鐵管均為電的良導體。玻璃鋼管道卻是絕緣體，擊穿電壓：12～16kV/mm，體積電阻率：～1014Ω，表面電阻率：～1011Ω，絕緣性能優良，可安全地應用于輸電、電信線路密集區和多雷區。

7）不生銹

鋼管、鑄鐵管在儲存、使用過程中，會因化學、電化學的作用產生局部電池反應，表面極易生銹，對輸送介質往往會產生污染，因而，常需對其表面進行特殊防銹、除銹處理;纖維玻璃鋼管道由于是由非金屬材料制成，電極電位高，表面不會發生氧化銹蝕，無需處理，不會污染水質。

8）防污抗蛀

玻璃鋼管內壁潔凈光滑，難以被海水或污水中的甲貝、菌類等微生物玷污蛀附。而鋼管、鑄鐵管或鋼筋混凝土管內表面卻很容易被甲貝、牡蠣等附蛀寄生，且極難清除，增大粗糙率，使有效管徑縮小，同時增大流動阻力，減少過水斷面積。

9）可設計性強

根據具體使用情況，可對管道的具體性能及形狀進行設計：①可對纏繞時的纏繞角進行設計，以使管道具有不同的縱/環向強度分配;②可對管道壁厚進行設計，以使管道可以承受不同的內外壓;③可對材料進行設計，以達到不同的耐腐蝕目的、阻燃目的、介電目的等;④可對接頭方式進行設計，適用不同的安裝條件，以提高工程安裝速度;⑤可對產品形狀進行設計，以滿足具體的形狀需要。

2.2.2.2玻璃鋼管的缺點

a）連接可靠性差

每一段玻璃鋼管段均靠連接頭連接，而接頭易漏水，對連接頭的加工安裝要求較高，對下墊面地基處理的要求也較高。

b）衛生性差

其內襯層破裂后，玻璃纖維會進入水中污染水質;管材在鋸斷時，斷面沒有內襯層保護也會污染水質。

c）難符合環保要求

玻璃鋼廢料難于處理，容易污染環境。在我國大力倡導“綠色經濟”的今天，其生產加工及廢料處理的環保問題較為嚴峻。

d）采購及制造質量難控制

目前市場上玻璃鋼管生產廠家很多，質量良莠不齊，在采購中難以控制管道質量。

另外，在管徑較大、管線較長的情況下，需考慮運輸情況的限制（如限高）及運輸成本。

2.2.3 PCCP管

PCCP是由預應力鋼絲、鋼筒、混凝土構成的復合管材，是預應力鋼筒混凝土管（Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe）的英文縮寫。這種管材是在帶鋼筒的混凝土管芯上，環向纏繞預應力鋼絲，最后在管外部施噴水泥砂漿保護層而制成的。

PCCP管由以下結構構成：

1）高強度混凝土管芯：它是管道的主要結構部分，可提供光滑的內表面以利水流。該管芯內的鋼筒起防滲作用和提供縱向抗拉強度，并可增加環向強度。在PCCP-E型管道中，鋼筒嵌在混凝土管芯中，在PCCP-L型管道中，鋼筒包在混凝土管芯的外部。鋼筒兩端連接鋼制承、插口環和彈性○型橡膠環，它可為管與管間的連接提供止水并可使相鄰兩管道中心對齊。PCCP-E型管混凝土在鋼模內立式澆筑，多用于大管徑PCCP。PCCP-L型管的混凝土靠離心澆筑或在鋼筒內徑向壓實澆筑，多用于小管徑PCCP。

2）冷拉預應力鋼絲：以一定的拉應力螺旋式纏繞在管芯上，在管芯上產生均勻的預壓應力以抵償由內壓和外荷載產生的拉應力?？筛鶕唧w運行條件設計鋼絲直徑、預壓應力和纏絲密度，以提供所需的最佳預應力。

3）一個密實的水泥砂漿保護層：保護高強度鋼絲和管芯，使之免受物理損壞和外界腐蝕。

4）鋼制承、插口接頭：焊在鋼筒的兩端，是PCCP的聯接件和密封件。

PCCP管在國外已有50余年的應用歷史，二十世紀八十年代末，隨著我國城市供水、工業用水、農田水利建設的迅猛發展，對于輸水管材提出更高的要求，國內引進國外公司的制管技術及設備。1996年我國建材行業頒布了《預應力鋼筒砼管（JC 625-1996）》行業標準，并于2005年發布了《預應力鋼筒混凝土管（GB/T 19685-2005）》國家標準。目前PCCP管已完全實現工業化生產，產品規格Ф600mm～Ф4800mm，近年來已在水利、市政給排水、大中型電廠的大口徑管道工程中大量應用。

2.2.3.1PCCP管的優點

1）能承受較高的內壓和外荷載

因為PCCP使用了經過水壓檢驗的鋼筒，解決了一般混凝土管存在的滲水問題，所以它可以承受很高的工作壓力，我國產品的標準工作壓力指標為0.4～2.0MPa，國外應用的PCCP工作壓力有的高達3.0MPa以上。由于PCCP在設計上考慮充分運用混凝土的抗壓強度，所以它較其它管材可承受更大的外荷載。

2）良好的抗滲性及耐久性

PCCP利用埋藏在混凝土中的經過水壓試驗的鋼筒抗滲，利用水泥砂漿對預應力鋼絲進行保護使其不受外界腐蝕，從而保證PCCP的抗滲性、耐久性。

3）耐腐蝕性能好

由于構成PCCP的所有鋼材都被密實的混凝土或水泥砂漿所包裹，高強鋼絲在噴涂水泥凈漿后被砂漿覆蓋，經防腐處理的承口鋼圈和插口鋼圈安裝后其外露部位又都用水泥砂漿灌注封口，混凝土或砂漿提供的高堿性環境使得包裹在PCCP內部的鋼材純化而不會發生腐蝕，因而使PCCP具有良好的防腐蝕性能，一般能達到60年以上。

4）造價低于鋼管

PCCP管制作采用鋼筒，配以鋼絲、混凝土等材料，每米含鋼量低于純鋼材管道，因此造價略低。

2.2.3.2PCCP管的缺點

1）加工復雜，制作速度慢

首先，工作壓力是管體結構設計和承插口鋼圈、硬質膠圈的重要設計指標，采用的工作內壓為0.6～1.0MPa。PCCP靠承插口鋼圈和硬質圓形膠圈連接，對鋼圈的剛度和圓度以及膠圈的質量要求都很高。

其次，由帶橡膠墊圈接頭連接的PCCP，允許的最大滲漏量為：每毫米內徑管道、每24小時、每公里范圍內滲水量1升。PCCP管體為剛性管，接頭采用承插式，要求具有可撓性，這此要求對接頭加工要求較高。

最后，與鋼管比較，如同樣在現場加工，鋼筋混凝土管制作比較復雜，且需要有一定的養護期;如在生產廠制作，鋼管加工速度亦比PCCP管快。

2）自重大

以Φ3800mm管道為例，PCCP管自重約42噸，而鋼管自重（包括加固環）重約26噸。（長度以5m計）

3）施工工藝復雜

由于PCCP管自重大，安裝需采取特殊的施工方法，除所需吊車噸位、工作半徑均大于鋼管之外，安裝接口時尚需設置龍門吊，且工作環境較差，接口施工困難，管件容易損壞。

4）總工期長

由于PCCP管施工復雜，造成施工速度較慢，導致基礎暴露時間相對較長，且對其周邊建筑物需特殊處理，降低了施工總進度。

5）管道布置困難

PCCP管道轉彎處需做混凝土支墩予以加固，與閥門連接、變徑及三通處仍需用鋼制特殊零件連接，支墩布置造成廠區特別是進出主廠房的區域布置困難，加上如地基處理不當，剛性管道柔性連接，接口處易漏水。

鑒于以上缺點，PCCP管在安全穩定性要求較高的工程中使用經驗較少。

2.2.4 鋼筋混凝土管

鋼筋混凝土管即為根據現場實際荷載等資料設計的由鋼筋加固的混凝土管。預應力鋼筋砼管和現澆鋼筋砼管溝強度高、防腐性能好、使用壽命長，可在現場加工，運輸方便，每米單價約為碳鋼管的80%，與PCCP管相近。但現場施工周期長要求高、質量難保證、轉彎及三通承插連接處需設固定支墩、支管彎頭等配件連接結構復雜、基礎處理要求高、不均勻沉降嚴重時較易漏水、混凝土抗滲性較差。

2.2.4.1鋼筋混凝土管的優點

1）承載力大

現澆鋼筋混凝土管最突出的一個優點就是可以通過鋼筋混凝土來承受較大的外荷載，這樣就比較適合在埋深較大的使用環境。

2）由于主要荷載由鋼筋混凝土結構承擔，鋼材用量大為減少，一般價格較為便宜。

3）處理好后耐腐蝕性較好。

2.2.4.2鋼筋混凝土管的缺點

1）自重較大

2）抗滲性能不佳（可以通過內襯鋼管或玻璃鋼管來加強抗滲性）

由于熱脹冷縮的影響，一般每隔20～25m左右就要設一道伸縮縫，施工分縫較多，設計和施工現澆鋼筋混凝土管時一定要注意伸縮縫的抗滲問題。

3）施工周期長、施工難度大

由于為現場澆筑，所以管道的鋼筋綁扎、立模、混凝土澆筑、養護等施工周期比較長，大范圍長時間的施工占地，影響施工總進度;而且管道變徑及三通處施工立模較困難，特別在進出主廠房的區域排外，各種管溝布置縱橫交叉，布置十分擁擠，鋼筋混凝土現澆管施工有一定難度。

4）粗糙率較大，增大流動阻力（可以通過內襯鋼管來減?。?。

3詳細比選及結論

根據以上性能，從承載能力、防腐、抗滲性、施工方案、管內壁光滑度、加工制造周期等方面進行初步比選。根據工程特點，定性選出兩到三種合適的管材，再根據市場當前的產品、施工價格等進行詳細的技術經濟對比，綜合項目特點給出最終建議。

參考文獻：

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[2]大中型火力發電廠設計規范 50660-2011

[3]低壓流體輸送用焊接鋼管GB/T 3091-2015

[4]預應力鋼筒混凝土管GB/T 19685-2017

作者簡介：

戚霽（1988.7.6），性別：女，籍貫：吉林省長春市，民族：漢，學歷：碩士研究生，職稱：工程師，職務：科員，研究方向：電廠水工布置、水務管理。