南水北调配套工程输水管道设计中问题的探讨

2011-01-18马俊青鞠厚磊河南省水利勘测设计研究有限公司

河南水利与南水北调 2011年7期

关键词：配套工程输水管水锤

□马俊青 □鞠厚磊（河南省水利勘测设计研究有限公司）

□马俊青 □鞠厚磊（河南省水利勘测设计研究有限公司）

随着南水北调中线一期工程总干渠的建设高潮，输水配套工程建设已提到议事日程，为确保配套工程与主体工程同步建设、同步通水、同步发挥效益。配套工程输水管道的设计质量直接关系到工程的安全性和经济性。本文就管道设计中的几个关键问题进行探讨。

管材；管径；压力；防护

一、工程概况

河南省受水区供水配套工程是指中线总干渠沿线分水口门到各受水城市水厂之间的输水工程。受水目标分布在河南省沿线唐白河流域、淮河流域、黄河流域和海河流域，包括43座受水城市（11座省辖市为南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、濮阳、安阳市；7座县级市、25座县城），以及邓州移民安置区、郑州新郑航空港、郑州上街区用水、南阳龙升工业园区、禹州神垕等五座城镇，共48个供水目标。配套工程共布置输水线路总长961.58 km，其中输水管线长942.74 km，输水涵洞长1.86 km，输水明渠长1.53 km，利用原河道输水总长15.45 km，另需修建14座提水泵站，构成输水骨干网络系统。

二、输水管道管材的选择

河南省南水北调受水区供水配套工程投资大、线路长、涉及到地市较多，工程较分散、各分水口门线路长短不一，管径类型多（600～3000 mm），工程对水质的要求高。管线的造价在整个输水工程中所占的投资比例较大，占整个工程造价的30%～40%，因此管材的选择应从工程的规模、重要性、管径、工作压力、地形地质、工期、资金等方面综合分析确定，以达到性价比最优。输水管材一般分为金属管材、非金属管材和复合管材3大类，目前我国长距离输水工程常见的金属管材有钢管、球墨铸铁管等；非金属管材有预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢管、硬聚氯乙烯管（PVC-U）等；常用的复合管材有钢塑复合压力管和各种钢骨架塑料复合管，就上述管材选择比较如下。

（一）钢管

钢管应用历史较长，范围广，是一种传统的输水管材。钢管一般选用螺旋焊接与直缝焊接管（适用于大口径管道）、无缝钢管（适用于中小口径管道）、不锈钢管（适用于中小口径管道），钢管具有强度高、可靠性高、适应性强等优点，在穿越河流、铁路、山谷和障碍物时多采用钢管，但其耐腐蚀性差，内、外壁仍需做防腐处理，使用寿命一般不超过25年。钢管外壁腐蚀主要是电化学腐蚀，目前钢管外防腐主要采取涂层防护和电化学保护，涂层防护是用非金属材料如涂缠石油沥青玻璃布、环氧煤沥青等防腐材料涂在钢管外壁上，以防止金属与水接触；电化学保护有2种：一种是使用消耗性的阳极材料铅、镁、锌等，隔一定距离用导线连接到管线上，在土壤中形成电路得到保护；另一种是通入直电流的阴极保护法，把埋在管道附近的废铁和直流电的阳极连接，电源的阴极连接到管线上，起到保护管线的作用，钢管的内防腐主要是用水泥砂浆涂衬，防止管内的水直接和钢管接触，防腐效果较好。但在做防腐处理时应尽量使水泥内衬涂层密实均匀，并在施工过程中防止涂层剥落。与其他管材相比，钢管现场的工作量较大，并且施工现场焊接需要有电源，并保证工作坑内无积水，整个工程造价较高。

（二）球墨铸铁管

球墨铸铁管是20世纪90年代广泛应用的输水管材，具有强度高、韧性好、延伸率大、耐腐蚀等特点，内壁采用水泥砂浆衬里，改善了管道输水环境，提高了供水能力，降低了能耗，运行稳定，可靠性高，外壁采用喷锌后涂沥青防腐，采用柔性T型接口，适应变形能力强，止水效果好，是一种较理想的输水管材。球墨铸铁管是以镁或稀土镁合金球化剂在浇注前加入铁水中，使石墨球化，应力集中降低，使管材具有较高的强度和延伸率，耐冲击、耐震动、耐腐蚀、管壁薄，同口径时比铸铁管节省材料30%～40%，胶圈接口，施工方便，缩短工期。球墨铸铁管是当今最为普及使用的管材。主要原因是多数施工单位积累了安装此类管材的丰富经验，管材配件规格齐全；在维修过程中，能够不停水作业，在价格方面，球墨铸铁管居中，有很强的市场竞争性。但由于输水工程中管径较大，与相同管径的其他管材相比，大口径球墨铸铁管的价格相对较高，施工场地大，球墨铸铁管的口径多在DN 1600以下。

（三）预应力混凝土管（PCP）

按其生产工艺分两种：一种是一阶段管即一次成型；另一种是三阶段管。预应力混凝土管因加工工艺简单，造价最低，但管材生产过程中存在弊病，如三阶段喷浆质量不稳定，易脱落和起鼓；一阶段管在施加予应力时不易控制（特别在插口端部），造成质量不稳定、不均一，且因体积重量大造成运输安装都不方便，使其应用受到了限制。预应力混凝土管口径一般在2000 mm以下，工压在0.4～0.8 MPa.，该管道为最经济的管材，口径大、工作压力高的工程应用时要慎重。

（四）预应力钢筒混凝土管（PCCP）

预应力钢筒混凝土管是一种钢筒与混凝土制作的复合管。管芯为混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5 mm钢筒，在管芯上缠绕预应力高强钢丝，并在其外部喷水泥砂浆保护层，该管的特点是由于钢套筒的作用，抗渗能力非常好。管子的接口采用钢制承插口，尺寸较准确，并设橡胶止水圈（单胶圈或双胶圈），因而止水效果好，安装方便。预应力钢筒混凝土管的管径一般为DN 600～3600 mm，工作压力为0.4～2.0 MPa，其中：DN 1200 mm以下一般为内衬式，DN 1400 mm以上通常为埋置式，PCCP管的生产已有行业标准可指导生产。标准号和名称为JC 625-1996《预应力钢筒混凝土管》。标准对PCCP管的分类，规格尺寸、技术要求等都作了明确的规定，其应用前景广阔。

（五）玻璃钢管（FRPM）

玻璃钢管全称缠绕玻璃纤维增强热固树脂加砂管，玻璃钢管是以树脂为基本材料，玻璃纤维及其制品为增强材料，以石英砂为填充材料而制成的新型复合管材。玻璃钢管采用承插式连接，橡胶圈止水，具有耐腐蚀、重量轻、强度高、不结垢，尤其内壁光滑，水力学性能好，造率系数为0.008～0.009，管径相同时玻璃钢管可多输送水，输水量相同时，可降低能耗。FRPM通过这些年的发展，管材技术性能有了极大的改进，出现了很多复合型管材，尤其是在耐腐蚀、使用寿命长、输水水力条件好、重量轻、施工方便等方面优点突出。其缺点是抗压能力不强，与传统的金属管相比存在一定的差距。

（六）硬聚氯乙烯管（PVC-U）

硬聚氯乙烯管（PVC-U）是不加或仅加极少量增塑剂的聚氯乙烯脂在一定的温度下挤压成形的管材，其原材料来源广泛，价格低。UPVC管道内壁光滑，摩擦系数在0.008左右，长期在含有消毒剂的水中使用不结垢、不结瘤。采用聚氯乙烯管不仅提高了通水能力，节约能耗或投资，而且改善了供水水质。使用胶圈接口连接的UPVC管还具有良好的水密性，也使漏损率大为降低给水管内壁对输送自来水中少量溶解氧、微量强氧化剂（余氯）保持稳定。但由于大口径及高压管的成本较高，常见的UPVC管管径多在DN 600以下，故UPVC管较适合在城市管网配水工程中使用。在输水工程中管径普遍较大的情况下，UPCV管使用的空间不大。

（七）塑料合金玻璃钢复合管

该管材由内层高耐蚀层、中间层高强度的玻璃钢层和外层耐蚀抗冲击层复合而成，该管材缩合了热塑性树脂与增强热固性树脂的优良性能，具有高耐蚀性、高强度及高刚性，高抗冲压性，长寿命等优良综合性能，可代替钢管而广泛用于石化行业的输送管道，寿命可比钢管长5倍以上。

（八）钢骨架聚乙烯塑料复合管（SRPE）

此管材是以低碳钢丝绕焊成型的网状骨架（内侧为线形经线、外侧为环状纬线）为增强相、以中密度或高密度聚乙烯热塑料树脂为基体,通过挤出成型方法复合而成,其力学、水力、卫生、防腐、密封、安装、抗震等性能优越,最大缺点是耐温性能较差。该管材一般采用热熔连接,根据行业标准CJ/T 123-2004,管径≤600 mm、管长≤12 m,公称压力与管径相关。在管材选取时，应结合工程的特点及对管道的要求，最大程度地突出选用管材的性价比，在满足技术要求的条件下，发挥其最大的适应优点同时又能保证管道的安全和使用寿命、相对节省工程投资是选材的标准。

上述主要管材价格见管材单价表：

表1 管材单价表

由于UPVC的管径多在DN 600以下，故不予比较。

安全方面，钢管、球墨铸铁管，PCCP管比较安全，特别在工压高，管径大，管线起伏较多的工程中。钢管要特别注意防腐处理以延长使用寿命；玻璃钢管特别注意出厂管材的质量检查，选用合适的刚度（一般输水工程埋地管道刚度不应<5000 N/m2）。

经济方面，预应力混凝土管最为经济；400 mm以下管径优先选用PVC-U，其次为玻璃钢管；500～800 mm管径优先选用玻璃钢管，其次为球墨铸铁管；1000 mm以上管径优先选用钢筒管，球墨铸铁管价格较高。塑料合金玻璃钢复合、钢丝网骨架SRPE二类管道通属于PE系列管，满足国标或企业标准的最大内承压能力为1 MPa，高于1 MPa以上的为非标准产品，且价格高昂。

考虑不同管材对本工程的适应特性，能够充分发挥管道的最大优点，确保管道运行的安全可靠，管理方便，运行成本低，施工便捷，施工周期有保证，具备现场建厂的条件，供水量保证率高，工程总投资最省的原则，综合比选后确定。

三、输水管道管径的选择

河南省南水北调受水区供水配套工程输水管道投资占输水工程的绝大比重，且大多数为有压重力输水，对靠重力输水的同一种管材，管径增大，水头损失减小，对水厂可利用水头高，管道投资增大；相反管径减小，水头损失增大，对水厂可利用水头小，管道投资减小。对靠提水的同一种管材，管径增大，管道一次性投资增大，管路阻力减小，可降低电耗量与年运行费用；相反管径减小，可降低管道一次性投资，但管路阻力增大，年耗电量及年运行费增加。因此如何确定一个合理的管径，是输水管道设计中一项十分重要的工作。对靠重力输水的管道，确定经济管径的方法可采用管道设计流速来控制，压力输水管道的设计流速不宜>3 m/s,，不宜<0.6 m/s，在满足流速和水厂水位要求下，应尽量选择小管径。对靠提水的管道，确定经济管径的方法可采用费用现值最小法。假设不同的管径，计算出管道的一次性投资，然后根据供水流量、管长、管径、管材计算净扬程，再由净扬程、流量等计算装机容量，从而计算年运行费，按费率和年限折现，求出费用现值，其中最小费用现值对应的管径即为经济管径。

四、输水管道工作压力的选择

配套工程输水管道各个分水口门工作压力不同，同一口门输水管道各段工作压力也不同，并受地形起伏的影响。设计过程中应根据工程具体情况计算出管道沿线的工作压力，包括水锤压力和检修情况，以便选择管材压力值。钢管和球墨铸铁管强度高，管材工作压力一般为1.6 MPa，对价格影响较小，其它材料管道工作压力不同对价格影响较大。预应力混凝土管工作压力为0.2～1.2 MPa，分6级；预应力钢筒混凝土管工作压力为0.4～2.0 MPa，分9级；玻璃钢管工作压力为0.6～2.0 MPa；聚乙烯管为0.6～1.0 MPa；高级聚乙烯管为0.4～2.0 MPa。上述管材工作压力每提高一级，增加管材投资20%左右。由于配套工程线路长、涉及到地市较多，工程较分散等特点，管道设计压力也不能分的过细，否则给管道的生产加工、工程施工，工程工期带来较大的影响。因此管道设计中必须根据计算压力值，结合工程实际情况分段选择其工作压力，达到安全、经济、适用的完美结合。

五、输水管道防护技术与安全措施

（一）水锤的防护

由于管线设计纵剖面存在上下起伏，且在输水过程中往往由于下游用户用水量变化，管道流速变化是经常出现的，管道中流速变化时，致使管道中水的压力的升高或降低，当压力降低时，易形成气（汽）泡，系统从单相流转变为气液两相流，气（汽）泡在特定位置汇集而产生液柱分离，水柱就被拉断，出现断流空腔；当压力升高时，分离的液柱再弥合，在空腔处的水流弥合时将产生强烈的撞击，形成水锤。水锤有启动水锤、关闭水锤、停泵水锤。一般启动水锤不大，只是真空情况下，管中空气不能排出而被压缩时才会加剧压力变化；关闭水锤在正常操作时不会引起过大的水锤压力；但由于突然停电或事故停泵所产生的水锤往往较大，水锤压力值可达到工作压力的1.5～3倍。一般应根据水力过渡过程计算来采取工程技术措施加以防护，通常在水泵出口处设置水锤消除器、多功能止回阀、安全阀、超压泄压阀，在管道沿线设置复合式进排气阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。

（二）空气阀的设置

空气阀可分为低压进排气阀、高压微量排气阀、组合式空气阀3种，压力管道充水时，积存在管道的空气，管道运行时，溶解在水中的空气会随着系统的压力下降和温度的升高而释放出来，实际上是水汽两相流。输水管道必须有效的控制空气，以防止系统产生真空而导致管道损坏，避免管道中空气积聚导致管道系统输水能力下降，增加泵站的电力消耗，在重力流管道中，极端情况下甚至可能导致输水中断。因此在输水管道设计时，必须重视空气阀的设置，其类型的选用应结构简单，性能可靠、维护运行方便，能够彻底排放系统中的空气避免气闭现象发生；其数量应根据沿线地形、地质情况，合理确定管道的纵向布置，一般应设置在加压泵站和上回阀前后，输水管线的高点，输水管线斜率改变处，至少每隔500～1000 m应安装一台，减压阀和调流阀后，可能发生水柱分离现象的危险点，管道末端等处布设空气阀，防止管道的气蚀和振动，以免影响管道输水及安全。南水北调受水区供水配套工程管道线路长，各条管线地形情况不一，共设置各类进排气阀1470多台，空气阀设置的合适与否直接关系到工程能否安全、经济的发辉效益。