泾惠渠灌区徐木抽水站压力管道选材探讨

2016-10-21文燕，李洁

地下水 2016年5期

关键词：钢筒管材泵站

文　燕，李　洁

(1.陕西省泾惠渠管理局陕西三原 713800；2.陕西省投资项目评审中心陕西西安 710006)

泾惠渠灌区徐木抽水站压力管道选材探讨

文燕1，李洁2

(1.陕西省泾惠渠管理局陕西三原 713800；2.陕西省投资项目评审中心陕西西安 710006)

针对泾惠渠灌区徐木二级抽水站压力管道的选材进行研究，通过五种适用管材的优缺点和性能比较，结合工程实例，采用功能成本理论进行比选，最终认为徐木抽水站压力管道选用球磨铸铁管(DIP)最为合理。

压力管道；综合投资；功能指数；成本指数；价值指数

徐木二、三级泵站建成于上世纪七十年代，从泾惠渠一支渠取水。原设计灌溉三原县徐木乡农田4万亩，设计流量1.19 m3/s，二、三级总扬程151 m，总装机功率2 880 kW。2000年到2004年，泾惠渠管理局利用世界银行贷款项目中低产田改造资金对徐木二、三级泵站渠道工程进行了衬砌改造，抽水站灌区灌溉面积扩大到包括三原县徐木乡、富平县淡村乡、吕村乡等三个乡镇9.8万亩农田，按照灌区农作物种植比例和灌溉制度，确定设计流量需要扩大到3.6 m3/s，新的设计将二三级站合并为一级，设计扬程132.52 m，1#、2#泵选用DFMS600-78×2(Q=1.288 m3/s，H=141.87 m，N=2 500 kW)，3#、4#泵选用DFM400-6N/4(Q=1.288 m3/s，H=141.87 m，N=2 500 kW)，总装机7 500 kW。1#、2#泵进水管径为DN700(吸水管均为2根)，出水管径为DN800，3#、4#泵进水管径为DN700，出水管径为DN600，1#、2#泵并联后出水管径为DN1200，3#、4#泵并联后出水管径为DN800，为优化泵站改造方案，本文就输水压力管道的管材选择进行专题研究。

1　工程区概况

泵站地处渭北源区，属大陆性半干旱季风气候区，多年平均气温13.4℃，极端最高气温42℃，极端最低气温-24℃，最冷月平均气温-5.6℃，最大冻土深度0.41 m；全年日照时数2 200 h，无霜期232 d，年蒸发量1 212 mm。年降水量520.9 mm，最大降水量822.6 mm，最小降水量409.5 mm，年平均降水67.5 d，降水时空分布不均，7-9月降水占全年降水总量的50%～60%，但汛期暴雨较多，对渠道和压力管道有冲毁破坏作用。

工程区位于陕北黄土高原南缘地带，地形主要以黄土梁和黄土卯为主，冲沟较发育，管坡处为人工堆积素填土，有变形，局部滑塌，具中等压缩性，部分为自重湿陷性Ⅱ级场地。地下水对混凝土无侵蚀性。基本地震烈度为Ⅶ度。管坡处坡比1:1.2～1.4。

2　常用管道的性能特征

不同管道材料，其水力学特性、耐久性、安全性、经济性、施工难易程度等均不同，管材是影响工程造价的主要因素。经对供水工程中常用的中等压力、大中口径的输水管材进行多方调研，目前常用的管材主要有：钢管(SP)、球磨铸铁管(DIP)、预应力混凝土管(PCP)、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、钢丝网塑料骨架复合PE管，其特性比较如下：

1)钢管(SP)

优点：管材具有良好的力学性能，韧性好，耐压高，可以承受极高的内压和较高的外压。施工敷设方便，适应性强，能适合用于高压段、地形复杂段和穿越各种障碍物，接口形式灵活，运输方便，单位长度重量较轻。

缺点：主要弊端是内外防腐处理麻烦。首先外防腐的问题很关键，其外防腐质量的好坏直接影响其使用寿命。现在国内钢管的外防腐主要为遮盖型做法，对于钢管要求均为加强型或特加强型外防腐，有部分地区推行阴极保护。对于遮盖型的外防腐办法一般为涂料如石油沥青、环氧煤沥青等，后者在低温时不易固化，而且在现场焊口施工时问题更多，也用过氯磺化聚乙烯，由于溶剂大多，易生针孔，抗击穿不合格，部分地区明确不再使用。对于阴极保护其防腐效果比较好，但是由于采用牺牲阳极的办法，在运行中必须定期更换阳极，增高了运行费用和工作。内壁处理问题，一般采用的方法有三种：防腐涂料、树脂砂浆、水泥砂浆。三种办法都存在两个问题：一是防腐层与钢管的粘结强度问题。对于防腐涂料和树脂砂浆两种方法都要求钢管内表面完全除锈才能施工，但这很难做到完好。因此锈点部分就造成了日后分层剥离的起源，形成腐蚀和结垢；二是钢管绝大多数都是现场对焊施工，在焊完后进行防腐。只能是人工进行，质量不易控制，而且对于直径较小的管，由于人员无法进去施工，就不再防腐了，也造成了日后焊缝破坏的隐患。根据有关钢管的爆管事故分析，主要是焊缝质量不高或焊缝腐蚀造成的。图1为某灌溉二级泵站压力管道变形后焊缝破损漏水情况，该泵站扬程110 m，压力管道采用DN1 600压力钢管，使用约30年后，管坡管床混凝土老化、沉降、破裂严重，导致压力出水管道支墩、镇墩沉降，管道变形，震动严重，同时，管道内部磨损严重。

2)球磨铸铁管(DIP)

优点：球磨铸铁管(DIP)是由经过球化处理的优质铁水用离心铸造工艺生产的，其抗拉强度、屈服强度、冲击韧性和延伸率、韧性、延伸性均较好，承受压力较高[2]，采用橡胶接口，柔性较好，对地基适应性较强；防腐能力较钢管强(在工厂已经做好)；有标准配件，适用于配件及支管较多的管段，承插接口安装方便。通常情况下使用寿命50 a。我省某城市供水工程主管道近50 km供水管道，管径DN1 200—DN1400，由于地形条件的限制，管线纵断面呈U形布置，管道最大净水压力达160 m，管道最大水锤压力60 m，均采用球墨铸铁管，管道外防腐采用环氧煤沥青，内防腐采用水泥沙浆衬里，使用近10年，运行状态良好。

缺点：老化、热胀冷缩大，不宜长时间受日光照射，抗压功用差，施工欠妥易引起变形性差，可挠度差。在高压管网，一般不使用。由于管体相对笨重，安装时必须动用机械。打压测试后出现漏水，必须把所有管道全部挖出，把管道吊起至能放进卡箍的高度，安装上卡箍阻止漏水[3]。

图1　某灌溉二级泵站压力管道变形后焊缝破损漏水图

3)预应力钢筋混凝土管(PCP)

优点：刚度大，耐压较高，抗震性好，插式胶圈柔性接口，对地基的适应能力较强，施工安装方便，管材自身防腐能力强，不需要进行内外防腐处理，工程造价低，对于中小口径低工压管线具有一定的竞争力，并可节约钢材，当管道压力较小(小于1.0Ppa)时比其他管材经济。

缺点：承插接口的加工精度较差，重量较重，安装不方便，输水安全性相对较差。对大口径高工压管线需有确切的质量保证条件下才能使用。图2为县城供水工程使用DN400预应力混凝土管道，运行约20年后，接头橡胶圈老化萎缩、脱落，频繁发生管接头胶圈脱落射出事故。

图2　混凝土管道接头损坏和修复图

4)预应力钢筒混凝土管(PCCP)

优点：同时综合了钢管的高抗渗性和预应力钢筋混凝土管的耐久性的优点，可承受高内压和外部荷载(0.4～2.0 MPa，甚至更高)，接头密封性好，承插口为钢制，胶圈接口，对地基适应能力及抗震性能好，耐腐蚀性能好，管道运行经济、安全。在其设计工况下使用寿命长(国外使用安装的管子已安全使用超过50 a，国内使用的管子也无质量问题报道)[2]。

缺点：管道重量重，露天安装受外界环境影响较多，特别是在夏季暴晒遇到暴雨，喷涂混凝土层容易炸裂，得不到及时修补的情况下，冬季管道上积雪昼夜反复融化和冻结的过程将加剧喷涂混凝土层碳化龟裂，导致保护层钢筋网锈蚀断裂，影响工程的安全运行。图3为某灌溉三级泵站压力管道，该站扬程60 m，压力管道使用明设钢筒混凝土管，使用约15 a后，管道外壁喷涂的细石钢筋混凝土保护层出现大面积龟裂、脱落现象，保护层钢筋网锈蚀断裂，影响管道正常运行，管道接口裂缝渗漏。其再持续发展就成了图4的情形。图4为我省某大型泵站钢筒混凝土管露天安装使用15年左右的破损情况，该泵站压力管道使用DN2000预应力钢筒混凝土管，其钢筒混凝土管表层混凝土严重碳化，钢筋严重绣胀，部分钢丝断裂，27.8%管道出现混凝土保护层大面积空鼓、裂缝、剥落漏筋、断筋、漏水，多处管道预应力钢筋已经锈断；15.9%管道表面不同程度出现大面积龟裂、管道强度严重降低，存在安全隐患，经鉴定为四类，需拆除重建。

图3　某大型泵站钢筒混凝土管身保护层龟裂

图4　某大型泵站钢筒混凝土管管道表面破裂、钢筋锈蚀

5)聚乙烯管(PE管)

优点：PE管具有良好的耐腐蚀性,抗无机物性能比金属管强得多，在埋地敷设时不需要防腐，施工方便。小口径PE管在性能价格比上优于钢管和球墨铸铁管。

缺点：苯、汽油、四氯化碳等有机溶剂对聚乙烯有一定得影响。有机溶剂如果渗入聚乙烯内，会出现溶胀现象，其物理性能就下降，其耐压性、耐温度变化性能较差。

3　常用管材特性比较

(1)从水力学性能考虑，五种管道的内壁糙率(钢管0.011～0.013；)基本相同，水力性能相当。

(2)从经济的角度比较，同管径同压力满足设计要求时的钢管价格最低，预应力钢筒混凝土管最高，球墨铸铁管和预应力混凝土管价格居中。

(3)从管道接口来说，钢管采用焊接，其余管材均为承插口连接、柔性橡胶圈密封对地基适应力较钢管强。PE管采用热熔连接、无接头。

(4)从管道重量及施工方面看，钢管、球墨铸铁管重量较轻，施工方便；PE管重量最轻，施工迅速便捷；预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管重量较重，施工不便；另外管道纵坡比为1：1.3左右，坡上管道覆土施工难度大。

(5)从耐腐蚀性角度看，钢管最差，球墨铸铁管次之，均需要防腐处理；预应力混凝土管和钢筒混凝土管耐腐蚀性能良好，PE管耐腐蚀性能最好。

(6)从管材寿命角度看，如果管道没有地埋而明设的话，球墨铸铁管要优于钢管和混凝土管。

(7)从安全性及市场信誉来说，钢管承压最高，适应性最广；预应力钢筋混凝土管耐高压性能较差。

表1　五种管材特性比较表

4　不同管道综合投资费用比较

按照陕西省现行水利水电工程概(预)算编制办法、费用标准和预算定额，采用当地2015年3季度价格水平编制不同管材综合投资费用进行比较，成果见表2、3。

表2　DN1200(压力等级2.5Mpa)压力管道综合投资费比较表

备注：1、钢管防腐费计入内、外防腐费用；PCP管和PCCP管均仅计入管内防腐费用。2、管内防腐采用“IPN8710-2b”即“脂肪族聚氨酯预聚物与环氧树脂”、两遍；管外防腐采用“三油两布”。3、暂没收集到聚乙烯管相关数据。

表3　DN800(压力等级2.5Mpa)压力管道综合投资费比较表

5　压力管道选择比较

从上述特性比较看，不同管道优缺点兼备，很难得出哪种管道具有特别适用于该站的突出优点，也很难排除某种管道特别不适用于该站的突出缺点，只有聚乙烯管因适应管径问题，不适应于本泵站。为此，对球墨铸铁管(DIP)、钢管(SP)、预应力钢筋混凝土管(PCP)、预应力钢筒混凝土管(PCCP)四种管材，从使用安全性、水力学特性、地区适用性、使用寿命、施工难易程度、市场信誉度等功能角度进行比较，使用功能成本法[4]，计算各种管道价值指数，得分最高者为最优方案。

5.1各管道方案功能指数计算

经过专家调查法(一是对六种功能进行重要程度打分，最重要的得分权重为6，最不重要的得分权重为1，其他分别为5、4、3、2；二是各种管道的六种功能分别进行评分，每项最高的10分，最低的为0分)确定使用安全性、水力学特性、地区适用性、使用寿命、施工难易程度、市场信誉度等功能重要程度系数分别为6、5、4、3、2、1，专家对各功能指标的打分算术平均值见表4。