球墨铸铁管在南水北调配套工程中的应用

董建忠 赵志诚 叶卫合

（新兴铸管股份有限公司 河北邯郸 056000）

球墨铸铁管在南水北调配套工程中的应用

董建忠 赵志诚 叶卫合

（新兴铸管股份有限公司 河北邯郸 056000）

本文根据南水北调中线配套管线1.0Mpa左右重力流的实际情况，K9等级球墨铸铁管允许压力性能过剩，因此对 DN1600m以下球墨铸铁管根据不同规格、不同地段的地形及埋深分别选用K7、K8等级球墨铸铁管(局部地段埋深较深选用少量K9等级球墨铸铁管)，成功的应用于南水北调配套工程，取得了良好的社会效益。

球墨铸铁管 南水北调配套工程 工作压力 壁厚 外部荷载

引言

我国于二十世纪八十年代引进离心球墨铸管的生产技术，经过多年对工艺及装备的改进，现有生产工艺已经稳定、技术日趋成熟，已达国际先进水平。由于产品机械性能优越，壁厚均匀性和球化铁水纯净度大幅提高，使得生产薄壁高强的球墨铸铁管成为了现实。

据此，相关单位对中、小口径球墨铸铁管的管壁进行调整，并对K8、K7级别壁厚的管道进行了压力试验，结果证明K8单支管水压试验性能几乎与原K9管相当。

根据《球墨铸铁管设计方法》（ISO10803-2011），管壁厚度提供的强度应满足内部流体的压力要求及因回填和交通产生的外部荷载影响。因为专供南水北调配套工程的K8、K7管材已经满足输水压力的要求，所以在实际应用中主要考虑的问题为外部荷载。本文将对管道所受的外部荷载进行全面分析，证明K8及K7管子在低压力工程中的优势。

1 球墨铸铁管的壁厚与工作压力

《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》（GB/T 13295-2008）5.1.3条款中对球铁管与管件的公称壁厚做出了要求，公式如下：

式中：

e—公称壁厚，单位为毫米（mm）；

DN—公称直径，单位为毫米（mm）；

表1 K9管允许压力14

K—壁厚级别系数。取7、8、9、10、11、12等整数。

表2 K8管允许压力

表3 K7管允许压力

球墨铸铁管的允许工作压力可按以下公式进行计算：

式中：

PFA—允许工作压力，单位为兆帕（MPa）；

emin—球铁管最小壁厚，单位为毫米（mm）；

D—球铁管平均直径(DE-emin), 单位为毫米（mm）；

Rm—球铁管最小抗拉强度，单位为兆帕（MPa），(Rm＝420MPa)；

SF—安全系数，取3。

2 外部荷载的设计

2.1 设计公式（符合《球墨铸铁管设计方法》（ISO10803-2011））

式中：

Δ—管道的径向偏移，用外径D的百分数表示；

KX—取决于底层反作用角的偏移系数；

q—因外部所有的荷载造成的管顶上的垂直压力，MPa；

S—管道的径向刚度，MPa（见ISO2531和ISO 7186）；

E＇—土壤反作用模量，MPa；

E—管壁材料的弹性模量，MPa（球墨铸铁为170000MPa）；

I—单位长度管道面积的二次矩，mm3；

D—ISO 2531规定的管道外径，mm；

tm—管道径向刚度的计算厚度，mm；

t2—限制外部荷载所致的径向偏移和弯曲应力的最小管壁厚度，mm；

t—额定的管壁厚度，mm。

图1 Spang1er模型

注：本设计公式是基于Spangler模型（图1），其中向下作用的垂直压力q

——在管道顶部沿着直径范围为均匀分布的；

——同管道内底向上作用的压力相等，均匀地分布在底层反作用角2α范围；

——产生一个管道偏移，使管道侧面受到一个横向的反作用压力，在100°角范围内为抛物线分布。

2.2 施于管道上的荷载

作用在管道顶部的总垂直压力q为两个压力之和：

式中:

q1—土壤荷载压力；

q2—交通荷载压力。

注：交通荷载的压力q2要大于加在地面上的普通静荷载的压力；同样对于任何不正常的地面荷载需要进行特别考虑。

（1）地面荷载的压力

下式应用于由管道土方紧挨的地面棱柱的重量计算q1：

式中：

q1—管道顶部的压力，MPa；

γ—回填层的单位重量，KN／m3；

H——覆盖土层的高度（从管道顶部到地面的距离），m。

在没有其它数据的情况下，土壤的单位重量，对于最大多数的情形应取为20KN/m3。不过，若初步的地工勘测确定的实际单位重量不到20KN/m3，也可以使用实际值来确定q1；或者，实际值高于20KN/m3，则应使用实际值。

（2）交通荷载的压力

q2的值应按照国家和/或地方适用的标准和法规来计算。然而，下面的简化公式因其覆盖了大多数的交通法规和类型，可以用来计算q2：

式中：

q2—管道顶部的压力，MPa；

β—交通荷载系数；

H—覆盖土层的高度，m；

DN—额定尺寸。

注1：当H＜0.3m时，本公式不适用。

应考虑的三种交通荷载类型为：

——主道路，β＝1.5：这是一般的情形，出入道路除外；

——出入道路，β＝0.75：禁止车辆行驶的道路；

——乡村地区，β＝0.5 ：所有其它的情形。

注：对于管线可能处在交通荷载特别高的情形，可使用系数β为2或大于2。

3 球墨铸铁管的径向刚度

使用中，球铁管在保证所有功能的前提下可以承受较大的径向变形。管线使用中允许的径向变形应符合K7、K8刚度表（见表4、表5），同时表中也给出了最小径向刚度值，使其在普通安装条件下能承受较大的覆盖深度。

径向变形(单位为百分数，%)等于管子在垂直方向的变形(单位为毫米，mm)除以管子初始外径DE(单位为毫米，mm)，再乘以100。《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》（GB/T13295-2008）中K7、K8管子的壁厚相似《输水用球墨铸铁管、管件、附件及接头》（ISO2531-2009）中C20、C25的壁厚（C20、C25管材的允许径向变形值应符合表6、表7的规定），这样就保证了接口的完整性以及安全性，防止管壁受到过度应力和内衬的过度开裂。

管的径向刚度S由下式计算得出：

式中：

S—径向刚度，单位为千牛顿每平方米（kN/m2）；

E—材质弹性模量，单位为兆帕（MPa） (球墨铸铁的弹性模量为170000Mpa)；

I—每单位长度管壁的二次面积矩，单位为立方毫米（mm3）；

e—管的壁厚，单位为毫米（mm）；

D—管的平均直径(DE-e)，单位为毫米（mm）。

注：来源自GB/T13295-2008 附录H

表4 球墨铸铁管K7级别特性指标表

表5 球墨铸铁管K8级别特性指标表

表6 C20级管的径向刚度和允许变形

表7 C25级管的径向刚度和允许变形

4 K7、K8级别中、大规格球墨铸铁管允许埋深

K7、K8级别中、大规格球墨铸铁管允许埋深见表8。

5 南水北调许昌段K7级别DN800球墨铸铁管变形实测

（1）DN800 K7级别球墨铸铁管管顶覆土2.5-3.0m；

（2）现场测量K7级别球墨铸铁管竖向内径尺寸802mm；

（3）现场测量管子横向内径尺寸812mm；

（4）按照《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》（GB13295-2008）中3.25条不圆度计算

（5）见表9 DN800 K9级管允许径向变形4%

表9 K9管最小径向刚度和允许径向变形

说明K7级球墨铸铁管只要埋深符合上述表8且管中心以下回填密度≥90%，K7管变形量符合CECS 142:2002在给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程第5.3.3条，当内防腐为水泥砂浆时，最大竖向变形不应超过 0.02D～0.03D，则K7级别DN800管允许变形范围16mm～24mm，而现场实测变形数据10mm,证明新兴铸管生产的这批专供南水北调许昌段的K7球墨铸铁管是强度、韧性均满足工程要求的高性价比产品。

6 K7球墨铸铁管与其它管材对比

K7球墨铸铁管与其他管材对比情况见表10。

表8 K7、K8球墨铸铁管允许埋深表

注：允许埋深管沟3、4类，土壤类型C、D类选用。

技术规范：球墨铸铁管执行ISO2531、GB/T13295-2008标准

表10 K7球墨铸铁管与其他管材对比表

7 结论

球墨铸铁管采用离心铸造工艺，具有可同钢管相媲美的机械性能。当管线工作压力1.0Mpa时，若采用K9级管道则性能过剩，无形中造成巨大浪费。因此，在确保管线运行安全的前提下，适当降低壁厚，不但能提高离心球墨铸铁管的竞争力，扩大市场占有率，还能节约国家资源，创造良好的社会效益。所以根据管线工作压力，科学选用合理级别的球墨铸铁管必将是今后管道事业发展的趋势。

1. 《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》（GB/T13295-2008）

2. 《输水用球墨铸铁管、管件、附件及接头》（ISO2531-2009）

3. 《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008），

4. 《球墨铸铁管设计方法》（IS010803-2011）

5. 《给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程》（CECS142-2002）

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.014

TG255

B

1672-2469（2014）08-0040-05

14作者简介：董建忠（1957年—），男，高级工程师。