球墨铸铁管在水利工程的应用

李华成，白占顺（新兴铸管股份有限公司，河北邯郸056300）



球墨铸铁管在水利工程的应用

李华成，白占顺
（新兴铸管股份有限公司，河北邯郸056300）

通过水利输送管线上水力、地质、施工中各种条件与球墨铸铁管各项性能对应关系，来讨论球墨铸铁管在水利工程的应用合理性。

安全余量；节水；管线评价；免支墩设计

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.021

1 前言

球墨铸铁管在我国市政供水行业经过二十多年的发展，已成为管材市场的主导产品。球墨铸铁管的良好发展势头可以从生产厂家的年产量变化得以证明，我国球墨铸铁管的年产量由1990年的不足10万t迅速增加到2003年的190万t，如今年产量已突破350万t。但在水利行业，球墨铸铁管认知度不高。本文力求从水利输送管材的特点，以及各种工程对管材的要求，客观地展现球墨铸铁管的适应性，期待水利行业的专家更加关注球墨铸铁管。

管材的节水性能还应体现在复杂的地质条件和长期运行条件下的密封性能，这也是管材重要的经济性指标。本文建议投资者应当重视这个指标，并在管线实际运行时进行统计，以此评价管材的节水性能。

2 水利工程中输水管线的特点

水利工程是指水资源综合规划并进行合理开发利用的工程，其中引水工程和调水工程会大规模使用管道输水，与市政供水管网相比，水利工程输水管线有如下特点。

（1）管线长：水利工程输水项目涉及跨区域的调水项目，或该区域水系各城市间的合理分配，水源地距离供水城镇通常较远。

（2）管线口径大：水利规划考虑城市远期发展用水，用水量会比现行水量大，口径也相应较大。

（3）地质条件复杂：特殊工程的施工较多，如管线陡坡的施工，明装管线的施工，穿越河道、铁路公路等非开挖施工。土壤地质多变引起管线沉降以及地下水丰富的土壤对管线腐蚀等问题更增加了管线的运行难度。

（4）管线运行寿命长：管线运行时间越长，管线投资的回报率就越高。依据《城镇给水排水技术规范》（GB50788）6.1.2条款的规定：“城镇给水排水设施中主要建筑物的主体结构和地下干管道，其结构的设计使用年限不应低于50年；安全等级不应低于二级。”

（5）管线安全等级高：原水输送管线为城市的生命工程，根据上一条款，安全等级应采用一级或二级。为了保证城市的供水安全，输水管线一般为两条，每条管线的供水量不低于全部水量的70%。

（6）管线投资高：由于管线的安全级别高，一般会选用优质管材，施工要求苛刻，管线投资极高。

在以上六者关系中，管线的安全无疑是第一位的，缺乏安全的管线，再高投资与零相乘，其结果只能是零；其次是管线的运行寿命，管线不仅仅单指管道，还包括管件、阀门以及各配件，使用寿命应同时达到50年以上，运行寿命是指在规定期限内稳定运行条件下，管线无渗漏；再者，高昂的管线投资需要通过运行寿命得以体现，即把握管线全运行周期成本最低的原则，进一步说，只有在保证管线的安全以及运行寿命的前提下，审慎把握管线投资方为理性；最后是社会的影响力，管线的漏水损失可以用金钱来衡量，而重大事故的影响程度无法用金钱计算，所以事故发生频率以及抢修速度也是管线评价的重要指标。

3 管材选择原则

水利输水管材一般为大口径管材（DN1000mm以上），主要有焊接钢管、球墨铸铁管、PCCP管和玻璃钢管。每种管材各具特点，投资者可以把握三点：一是考虑在实际工程中的运行效果，采用实际数据说话比笼统的比对更有说服力；二是管材总有自身的优势和劣势，关键点在于，当提及管材的劣势时，是否有相应的解决方案；三是管材的各种性能在应对施工和运行条件时是否留出足够的安全余量。

为了客观地评价球墨铸铁管的工程应用，文本将对管线的要求划分为水力条件、地质条件和施工条件三个方面，并将三个方面一一展开，同时也将球墨铸铁管的各个性能划分为承压能力、接口性能和使用寿命三类，再逐一细分，寻求两者之间的对应关系，以此来全面考察球墨铸铁管是否有足够的应对措施，以及其应对措施是否安全可靠。管线条件与管材性能对应关系见图1。

图1 管线条件与管材性能对应关系图

4 球墨铸铁管的实际应用

4.1 管道承压

（1）内部承压

球墨铸铁管内部承压计算公式如下：

PFA—管道允许正常工作压力，MPa；

e—公称壁厚，mm；

emin—最小壁厚，mm；

D—平均直径（DE-emin），mm；

Rm—最小抗拉强度，MPa，（Rm=420 MPa）；

SF—安全系数，取3。

公式中，管道的壁厚在铸造过程中会有偏差，但最小值必须保证，所以取最小值甚为合理。

在生产工艺中，每一批的管道均需要做拉棒试验，其中抗拉强度是重要检测项，420 MPa也是必须保证值；球墨铸铁管采用离心工艺一次性整体浇注，这样可以保证整条管材的同质性，质量点上并无薄弱环节。

由于水泵工况点的波动，输水的压力会产生变化，特别是在水泵停泵时或阀门突然关闭，会产生水锤效应，波动的冲击压巨大，所以在水利管线不但应采取消除水锤措施，而且管道承受短时的水锤冲击波尤其重要。在美国水行业协会研究基金会编写的《PCCP管失效》一文中提到，“对于那些估分高的依然失效管道，最严重的问题是普遍遭遇到超高的冲击波的威胁。检查合同文件也显示，设计上几乎没有考虑这些冲击波或者将静水力学试验作为设计条件。”因此，管线产生的冲击波超过管道本身的极限值是导致管道破裂的原因之一，值得设计者深思。球墨铸铁管计算公式中安全系数取3表明，管道正常工作压力均为2.5 MPa以上，其理论爆破值为7.5 MPa，这对于抵抗水锤的冲击波极有意义。

球墨铸铁管质量是否合格还体现在现场可检测性，管道到工地后，可以从插口切割一个短环，管道可以继续使用，短环加工后进行拉棒试验，送到有资质的第三方部门检测，可以轻易鉴定这批管材内在质量是否合格。

（2）外部承压

管道的外部压力主要来自土壤和交通荷载共同作用，以及管道和水的重量；管道外部承压能力体现在管道和土壤弹性模量的综合抵抗。其结果表现为弹性变形允许条件下，管道接口保持完整密封。依据《球墨铸铁管设计方法》（ISO10803），球墨铸铁管弹性模量为170000 MPa，带有水泥内衬的球墨铸铁管允许最大变形值为4%。以此计算，K9级DN2000mm的管道，按照《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268）进行埋设，最大埋深可以达到5.8m。所以球墨铸铁管外部承压能力是很强的，根据实际工程情况，即使一些施工并不规范，管道密封性能也能保证。

4.2 接口性能

球墨铸铁管有各种接口形式，其中T型接口被普遍采用。见图2所示：

图2 球墨铸铁管T型接口示意图

球墨铸铁管在继承传统柔性接口的基础上，又在设计、型式试验、工程试点上进行了严密的论证与改进，科学地保证了接口的密封性能。球墨铸铁管T型接口有如下特点：

（1）T型接口保持了传统的柔性接口的特点：

_环境温差变化时，管道会热胀冷缩，T型接口可以有效吸收长度的变化，保持密封。

_长期管线运行中，地基沉降是必然之事，T型接口允许一定限度的偏转，从而保证密封。

（2）T型接口能在较大的角度偏转时保持密封，还在于经典的接口设计：

_装胶圈的承口壁厚比管体还要厚，承压能力比管体还要高，同时可以保证在管道存放、运输、安装和埋地时不会变形，为密封打好基础。

_独特的T型密封设计，会因随着水压的升高而密封效果更佳。

（3）与PCCP和玻璃钢管的“O”型密封圈并不相同，T型接口也有自己的特点：

_胶圈由软硬胶之分，硬胶在安装时，主要起固定作用，软胶主要起密封作用。

_胶圈的位置位于承口，胶圈卡槽式设计，在接口安装时，胶圈不会移动，从而保证胶圈的充分压缩比。

_T型胶圈密封面更宽，更厚，从而保证在管道偏转时更好的密封。

（4）球墨铸铁管接口最特别之处在于型式试验。PCCP管也有型式试验，目的是检验厂家质量水平。球墨铸铁管则不同，其型式试验是设计验证试验，产品标准积极鼓励厂家进行接口的创新设计，为了保证接口的密封性能，所有接口设计必须通过型式试验。型式试验的目的是模仿工程最不利的条件，检验苛刻条件下接口密封效果，并要求该试验必须通过第三方权威部门的认证。型式试验包括以下三组试验：

_正内压试验。考察管道及接口在高内压、外界荷载、接口尺寸偏差大、接口偏转最大条件下的密封状况，保压时间不低于2h。

_负内压试验。考察管道出现真空条件下的密封状况。

_正外压试验。考察管道内部为正常大气压，管道外水压时胶圈的密封效果。

4.3 特殊工程的解决方案

为了满足工程的需要，球墨铸铁管厂家推出了一系列自锚式接口形式，可以运用于一些特殊工程。自锚式接口依然属于柔性连接的范畴，保持轴向与径向的位移，只是接口后移的过程中，接口被锁住，达到防滑脱的目的。原理见图3：

图3 球墨铸铁管TF自锚式接口示意图

（1）免支墩设计

当管线的水力方向改变时，如弯头、三通、变径等，就会产生水力推力，球墨铸铁管采用柔性接口，通常做法是设置混凝土支墩以抵消水力推力。如果不设置混凝土支墩，柔性接口就需要使用防滑脱装置，即自锚接口。由于管道埋地，自水力推力产生处至一定距离，管道与土壤产生的摩擦力可以逐步抵消水力推力，直至为零，这段长度称之自锚长度，即自锚长度内需要设置自锚接口，自锚长度外只需普通柔性接口。示意图见图4：

图4 球墨铸铁管免支墩设计示意图

（2）非开挖施工

在输水管线穿越河流、池塘、公路、铁路时，由于地面不可开挖，通常采取非开挖施工方式。球墨铸铁管可以通过以下两种方式实现非开挖施工，同时保证管材的一致性。

①顶管施工

施工方法与钢管、混凝土管相同，但球墨铸铁管允许的定推力更大，如果采用中继间技术，可以实现1～2km长距离的顶管施工。接口依然维持T型可以偏转的特性，通过定位系统的校核，机头随时调整顶管前进方向，到达指定接受地点。球墨铸铁顶管见图5：

图5 球墨铸铁管顶管示意图

②水平定向钻施工（HDD）

水平定向钻施工要求管道接口在牵引过程中承受较大的牵引力而不脱离，并且接口保持灵活的偏转以减少弯曲力矩。球墨铸铁管接口采用内自锚形式，外部包裹热缩膜，从而尽量减少拖拉时的摩擦力。

4.4 运行寿命

球墨铸铁管属于金属管材，虽然管材本身具有较好的抗腐蚀性能，但还需要通过内外防腐来安全保证50年以上的使用寿命。

（1）管道内防腐

水利管线输送是原水，水质较好，一般采用硅酸盐水泥砂浆内衬，或者抗硫酸盐水泥砂浆内衬。

水泥内涂防腐机理：一是通过钝化机理保护金属基体免遭腐蚀；二是球墨铸铁与水泥具有很接近的膨胀系数（水泥为12×10_6/℃，球墨铸铁为11 ×10_6/℃）；三是水泥通过离心喷涂工艺制作，表面光滑，具有很低阻力系数，根据《室外给水设计规范》（GB50013），采用谢才公式计算时，球墨铸铁管水泥砂浆内衬粗糙系数可取值n =0.011；四是球管浇注工艺中内壁保留一定的绝对粗糙度，使得管材与水泥充分咬合，防止水泥脱层。

（2）管道外防腐

水利项目地质条件多变，可以通过地质勘查确定土壤腐蚀程度。球墨铸铁管可以根据土壤条件，选择相适应的外防腐方案，或者组合方案，在经济性为原则的条件下保证管线正常的使用寿命。

一般土壤条件下，管道的外防腐采用金属锌（130g/m2）+终饰层（70um）之双重防腐方案。其机理为锌发生电化学反应后，产生一层紧密连续的不可溶解的锌盐层，另外其独特之处还在于，局部破损会通过密封毛孔迁移将锌离子转变为稳定的锌化物，进行自我愈合。

较强腐蚀土壤条件下，管道的外防腐可以采用金属锌（200g/m2）+终饰层（70um）+PE膜之三重防腐方案，或者采用锌铝稀土合金+环氧树脂方案。

强腐蚀土壤条件下，管道的外防腐推荐采用聚氨酯防腐方案。

5 管材的经济性

在一些投资者的眼中更看重的是一次性管线投资的成本，而有意无意地忽略了长期投资的回报率，这是得不偿失的。为了客观地评价管材的经济性，通过以下打分的形式选择管材。

总分=分项权重1×年综合成本估分+分项权重2×节水估分+分项权重3×维修估分+……

分项权重1 +分项权重2 +分项权重3 +……= 100%

（1）年综合成本

根据世界上玻璃纤维生产先导者荷兰Ameron公司的提供的资料，仅建议玻璃钢管30年的寿命。

根据美国水行业协会研究基金会编写的《PCCP管失效》，对在1940～2006年间使用的4979837根PCCP管进行了事故统计和分析，第一类失效（灾难性破裂和泄露）平均失效年限为13.95年，PCCP管的第二类失效（严重劣化或结构弱化—通过检测得到的）和第三类失效（服务能力减少—暂停服务，完全或部分替代）平均失效年限为16.75年。

球墨铸铁管从上世纪五十年代末开始运用于供水管线，现今在全世界水行业上广泛使用，事故发生率极低，使用年限超过50多年。

（2）节水

在水资源日益缺乏的今天，节水意识愈加重要，评价管材的漏水损失也是管材经济性的重要指标。

漏水的损失也许会超出您的想象。举例说明：一个100万t/日的水厂，如果管线漏水率为5%，每吨水的单价以2.0元计。经过简单的计算可以得知，10年间漏水的损失将高达3.65亿元。如果将其换算成管线，可以铺设一条DN1000mm的球墨铸铁管道220km。

（3）维修

维修指标可以通过年事故发生频率、抢修快捷方式、抢修时间、事故损失等来评估。

在意外发生时，球墨铸铁管可以通过哈夫节（补漏器）实现不断水的情况下快速抢修，由于球墨铸铁管机械性能卓越，抢修处的承压能力并不降低。一般情况下，管线的管理部门专门备有该段管线相匹配的哈夫节，防患于未然。

6 结语

综上所述，球墨铸铁管在实际水利工程的各个环节均有很好的解决方案。承压方面，可以根据管线的运行压力及波动确定球墨铸铁管的壁厚级别，并保留足够的压力余量，以防止水锤等灾害的发生；接口方面，可以根据地质条件和安装条件确定合适的普通接口或自锚式接口，由于接口形式较多，需要水利设计部门和厂家做好充分的沟通工作；内外防腐方面，做好水质和土壤的腐蚀性的勘探和分析，由此确定最佳的防腐方案。

在举世瞩目的南水北调中线工程中，球墨铸铁管的使用量已经超过了1800多km，水利专家们也在管线安装、调试、运行过程中对球墨铸铁管给予了极高的赞誉。由此相信，随着越来越多水利专家对球墨铸铁管的深入了解，球墨铸铁管在水利行业运用前景也会更加广阔。

［1］上海市政工程设计研究院.《给水排水设计手册》第3册［M］.

［2］ISO10803-2011.球墨铸铁管设计方法［S］.

［3］GB50788-2012.城镇给水排水技术规范［S］.

［4］GB50268-2008.给水排水管道工程施工及验收规范［S］.

［5］中国城镇供水协会.城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标［R］.

［6］沈之基，郑晓明.美国PCCP管的失效及对中国给水管道应用的警示［J］.水利规划与设计，2015（03）：1-3、17.

TV672+.2

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1672-2469（2016）01-0064-05

2015-05-19

李华成（1969年—），男，高级工程师。