输水工程管道设计与防腐蚀研究

李钊成

（辽宁省凌源市应急供水建设管理处，辽宁 凌源 122500）

输水工程管道设计与防腐蚀研究

李钊成

（辽宁省凌源市应急供水建设管理处，辽宁 凌源 122500）

以青龙河输水工程为研究对象，对输水管道进行水力计算，得出了管道的粗糙系数和埋藏深度。依据计算结果对输水管道结构进行设计，并研究了输水管道的防腐蚀方法，以便及时发现漏点并进行维修。还提出了一种外加电源阴极保护的防腐蚀方法，为对今后输水管道设计和防腐蚀研究提供理论参考。

管道;防腐蚀;输水工程;水力计算

1 引言

管道开始运行后，地基会出现不均匀沉降，从而导致承插口及各阀门处漏水，因此对输水管道进行合理设计至关重要。青龙河属于典型的山区河流，根据雹神庙泥沙检测站资料推测，青龙河在汛期洪水时段含沙量很高，但持续时间较短。年内含沙量大于10kg/m3的天数不多于20天，而且该时段占全年输沙量的99%以上，非汛期泥沙平均含量0.54kg/m3，含沙量较少。本文设计的输水管道主要在非洪水期进行取水，因此泥沙含量很小。在保证输水安全可靠的前提下，工程应遵循以下原则［1-2］。

（1）线路尽可能顺直，线路最短，交叉工程最少。

（2）线路尽量选择在地形比较平坦的地带，选择最佳的地形和地质条件。

（3）尽量少占耕地、良田，减少移民和拆迁。

（4）尽量靠近现有和规划道路铺设，为施工和运行维护提供方便。

（5）提高输水安全可靠性，降低能耗，减少漏损，节约投资，采用行之有效的新技术、新材料和新设备。

基于国内外研究情况，首先对输水管道进行水力计算，得出了管道的粗糙系数和埋藏深度。依据计算结果对输水管道进行结构设计，并研究了输水管道的防腐蚀方法，以便及时发现漏点并进行维修。希望对今后输水管道设计和防腐蚀研究提供帮助。

2 输水管道水力计算

输水线路分为2段，菩萨庙南段和菩萨庙北段。线路全长82.29km。菩萨庙南段线路全长54.79km，其中从青龙河至隧洞进口管线长36.87km，隧洞长2km，隧洞出口到菩萨庙水库为河道输水，长度为15.92km。管道直径为1200mm。其中PCCP长13.73km，钢管长23.14km。菩萨庙北段为双管线输水，线路长2km×27.5km。DN700的管道长2km×14km，其中球墨铸铁管长2km×10km，钢管长2km×4km。DN600的管道长2km×13.5km，其中球墨铸铁管长2km×8.3km，钢管长2km×5.2km。

2.1 管道粗糙系数

根据《给排水设计手册》规定，PCCP混凝土管道的粗糙系数 n=0.012 ～0.014［3］。一般取0.013。近年来，随着管道生产技术的改进，混凝土管道内壁更加光滑，PCCP管实际粗糙系数更接近下限。根据工程经验，本文进行水力计算时PCCP的粗糙系数取0.012。

球墨铸铁管内壁采用水泥砂浆防腐，内壁与混凝土管较为接近，因此粗糙系数也取0.012。

随着防腐涂料本身性能的提高以及涂装技术的发展，钢管内壁采用涂料防腐的越来越多［4］。采用涂料防腐较为显著的优点之一就是内壁较为光滑，粗糙系数小，一般n取值范围为0.010～0.012。本设计中的钢管管径较小，工地焊缝焊接、涂料涂装施工较为困难，焊缝处的光滑度相对会较差，并且由于地形条件造成管道转弯较多，相对工地焊缝也较多。因此钢管的粗糙系数取上限n=0.012。

2.2 水力计算

输水管线的水力计算采用下式计算［5］:

式中:hz为管道总水头损失，m;hy为管道沿程水头损失，m;hj为管道局部水头损失，m;L为管道长度，m;v为流速，m/s;C为流速系数，m0.5/s;R为水力半径，m;n为粗糙系数。

菩萨庙南段最大供水量为2.0m3/s，多年平均调水量为1290.6万m3，平均供水量为0.41m3/s。菩萨庙北段平均供水流量为5.09万m3/d，日变化系数为1.5，最大供水流量为7.64万m3/d。根据供水流量和管径确定各段管线水力坡降值及各泵站扬程，各管径对应水力坡降见表1。

表1 不同管径下的水力坡降

2.3 管道埋深计算

PCCP管抗浮稳定验算应满足:

式中:G1k为管自重标准值，kN;Fsv，k为管道单位长度上管顶竖向土压力标准值（kN/m）;Ffw，k为管道单位长度上浮托力标准值，kN/m;Kf为抗浮稳定性抗力系数，Kf=1.1。

钢管抗浮稳定验算应满足:

式中:∑FGk为各种抗浮作用标准值之和，∑FGk=G1k+Fsv，k;G1k为钢管（球墨铸铁）管道结构自重标准值，kN/m;Fsv，k为竖向土压力标准值 kN/m;Ffw，k为浮托力标准值，kN/m;Kf为抗浮稳定性抗力系数，Kf=1.1。

按地下水水位达到管顶工况时，对PCCP管和钢管进行计算抗浮所要求的管顶最小覆土深度，为了满足管道抗浮的要求，管径DN1200的PCCP管要求覆土为0.4m，管径DN1200钢管要求覆土为0.9m，管径DN700的钢管覆土要求为1.0m，管径DN600的钢管覆土要求为1.0m。管径DN700和DN600的球墨铸铁管覆土要求为0.9m。

3 输水管道结构设计

3.1 PCCP结构设计

PCCP管有内衬式（PCCP-L型）和埋置式（PCCP-E型）两种型式，PCCP-E型一般用在口径DN1400以上，本工程管径为1200mm，因此采用埋置式即PCCP-L结构。依据管道的内压力分布，PCCP管材采用工压等级为0.6MPa、0.8MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa。PCCP管的标准覆土设计为2.0m，有些地段还需增加4m、6m覆土深度。

3.2 球墨铸铁管道

球墨铸铁管采用离心铸造工艺，T型承插接口形式。厚度按K9系列确定，DN700的标准壁厚为10.8mm，DN600的标准壁厚为9.9mm。密封橡胶圈采用无毒天然橡胶，符合《橡胶密封.供水、排水和污水管道用密封圈.材料规范》（ISO 4633-2002）标准中规定的技术要求。

3.3 支墩设计

鉴于该工程的压力高，地形起伏大，转弯角度大，数量多。PCCP管对大于11.25°以上的水平、向下、向上弯头均设混凝土支墩。对于小于11.25°以下弯头采用铠装结构。钢管对大于45°以上的水平、向下、向上弯头设混凝土支墩。

3.4 钢管结构设计

钢管使用的板材为热轧卷板，钢板材质为碳素结构钢，钢牌号为Q235B。钢管管径较小，采用车间流水生产的螺旋缝钢管。根据钢管内压、外压、管顶覆土竖向变形计算，初步确定1.6 MPa DN1200壁厚为12mm，1.0 MPa DN1200壁厚为10mm，1.6 MPa DN700和DN600壁厚均为8mm，1.0 MPa DN700和DN600壁厚均为6mm。

4 管道防腐蚀设计

该输水工程管道主要采用球墨铸铁管、钢管，下面对这2种管材的防腐措施进行分析。

4.1 钢管防腐蚀

青龙河至菩萨庙段桩号A0+00～A10+390，B0+00～B8+969.984段约19.6km全部为钢管，该段土壤对钢结构的腐蚀有弱、中、强三种，管段土壤电阻率20.9Ω·m～165Ω·m。根据管道保护面积的土质腐蚀性参数以及相关技术规范，确定外加电流保护的管线段的保护电流密度为i=4m A/m2，青龙河至菩萨庙段钢管保护电流为300A，电源系统设计采用规格为150A/120V的变压整流器设备。共设三个阴极保护站，每个阴极保护站提供约100A保护电流;每个阴极保护站实取组装型含铬高硅铁阳极25支，辅助阳极为25支。

4.2 球墨铸铁管防腐蚀

为了防止管道内结垢并减缓腐蚀，球墨铸铁管内壁应采用内防腐层。球墨铸铁管内防腐形式主要有水泥砂浆和涂料两种形式。涂料防腐具有涂层薄，过水断面大;管壁光滑、糙率小，水力损失小的优点，但价格偏高。水泥砂浆防腐的优点是:耐冲击性好，不易损坏;钢材表面钝化，形成稳定保护膜;价格便宜。缺点是:管壁不够光滑，糙率大;适应变形能力差，变形过大易脱落。铸铁管管壁厚，刚性好，不易变形，水泥砂浆不易脱落，另外水泥砂浆价格便宜，施工方便。综合经济因素，球墨铸铁管内壁推荐采用水泥砂浆防腐，水泥砂浆厚度为6mm。

5 结语

通过对输水管道进行水力计算，得出了管道的粗糙系数和埋藏深度，三种管材的粗糙系数均取0.012，埋深与管材和管径有关，可由计算式得出。依据水力计算结果对输水管道进行结构设计，设计了PCCP结构、球墨铸铁管道结构、支墩和钢管结构，并研究了输水管道的防腐蚀方法，以便及时发现漏点并进行维修。希望对今后输水管道设计和防腐蚀研究提供帮助。

［1］江宁，王占华，张小阳，等．水工金属结构防腐蚀技术及行业质量管理发展概况［J］．水利技术监督，2010（06）:34-35．

［2］何荣星．辽阳灌区骨干工程主要问题与项目建设必要性［J］．水利技术监督，2015（01）:23-24．

［3］张小阳，关新成，王占华．金属材料及防护涂层在两种淡水环境中的腐蚀试验研究［J］．水利规划与设计，2006（05）:34-37．

［4］杨国瑞，李贵清，成栋，等．水工钢筋混凝土联合防腐措施在白浪河防潮闸工程中的应用研究［J］．水利规划与设计，2013（02）:68-70．

［5］乔裕民，侯仰增，毕士君，等．PCCP管道外防腐涂料消耗量计算方法的探讨［J］．水利规划与设计，2013（04）:59-61．

TV91

B

1008-1305（2015）06-0066-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2015.06.025

李钊成（1966年—），男，工程师。