天水城区引洮供水工程压力钢管设计与研究

孙江河，杨胜平

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

天水城区引洮供水工程建成后年供水量5548m3，可有效解决天水市城区供水紧张的状况。工程自通渭县榜罗镇境内的引洮二期四干渠末端6#分水闸处取水，利用暗渠、隧洞及压力管道输水至天水市秦州区藉口镇杨家湾调蓄水池。输水方式为无压自流暗渠(隧洞)+有压重力流管道输水，地埋单管(渠)设计，设计流量2.1m3/s。工程新建输水线路92.4km，其中，暗渠及倒虹吸14.7km，隧洞8.7km，重力流管道69km；输水管线末端新建一座155万m3调蓄水池。

重力流管道主要包括三段：第一段从7#洞出口至1#消能箱，管径1.4m，全长约6.1km，顺地势长下坡布置，最大静水压力308m；第二段自1#消能箱尾部至2#隧洞进口消能箱，管径1.2m，全长约42km，倒虹形式布置，倒虹吸最低点静水压力423m；第三段自2#隧洞出口至调蓄水池，倒虹形式布置，管径1.4m，管线全长约20.9km，倒虹吸最低点静水压力为143m。本工程第一、二段管道管径大，管线长，压力高，采用压力钢管，是工程设计与施工的重点和难点；第三段压力相对较低，采用球磨铸铁管。

2 压力钢管的设计

2.1 管材及连接方式的选择

钢管安装有焊接、承插、卡箍式及法兰等方式，其各有优缺点及适用范围。经过技术和经济性比较，本工程选用焊接方式连接，厂内将管端制备成单面V型坡口，工地安装时按单面焊双面成型工艺施焊。

2.2 壁厚及稳定性的计算

本工程压力钢管控制性工况为承受设计内水压力，设计内水压力按最大工作压力再加0.5MPa确定。第二段钢管压力最大、单管最长，具有代表性，本文选取该段压力钢管进行分析研究。根据水力过渡过程计算，该段钢管最大工作压力为441m，故设计内水压力最大值确定为4.91MPa。

由于钢管埋深较浅，仅在冻土层以下，外压较小，许用应力按SL281规范中明设钢管[δ]=0.55σs取用。对于Q345C钢，当壁厚≤16mm时，σs=345MPa；壁厚>16mm时，σs=325MPa。相应的钢管允许应力分别为189.75 MPa和178.75 MPa。壁厚在计算值基础上另加不小于2mm的腐蚀、磨损裕量。

钢管承受压力大，为节约成本和方便制造及安装，钢管壁厚根据不同压力进行分级，级差太大不能充分发挥钢管的承压能力，级差太小会造成钢管壁厚种类多；结合工程实际情况，按照级差2mm的原则进行壁厚分级，壁厚按满足抗内压要求进行计算：

式中，σx、σθ—轴向、环向正应力，MPa，以拉为正；τXθ—剪应力，MPa；[σ]—允许应力，MPa；ψ—焊缝系数。

管壁计算应力除满足上式计算应力外，管壁最大环向应力也应不超过ψ[σ]，环向压力按下式计算：

式中，t0—钢管计算壁厚，mm；Hp—管道中心处压力水头，MPa；D—管道直径，mm；[δ]—钢板允许抗拉应力，MPa;ψ—焊缝系数。

风雨潇潇(“潇潇”，《全宋诗》作“萧萧”)夕，春寒灯较昏。茅檐数椽屋，荻浦几家村。网到江鳞活，沽来市酒浑。焙衾供(“供”，《全宋诗》作“共”)结局，一觉眇乾坤。

钢管压力分级及壁厚计算取用值见表1。

SL281—2003《水电站压力钢管设计规范》中对明管、地下埋管和坝内埋管抗外压强度校核进行了规定，未对本工程类似回填管进行要求，为确保安全，笔者按SL281中明管和地下埋管、《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规范》以及《泵站设计规范》中明设光面钢管壁厚最小值的要求进行抗外压稳定校核，本工程采用壁厚均满足抗外压稳定的要求，其所需壁厚均小于按承受内压计算壁厚。通过进一步分析，笔者认为对于类似设计内水压力大于3.0MPa且仅埋设于冻土层以下，母材为Q345强度级别的回填管工程，按承受内压计算的壁厚均满足抗外压稳定的要求。结合本工程对上述3种规范的适用性进行分析，认为《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规范》中对抗外压稳定分析与工程实际情况最为适用，建议长距离输水压力钢管抗外压稳定按《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规范》进行分析。

2.3 防腐设计

目前国内外常用的钢管外防腐主要有环氧煤沥青防腐、PE粘带防腐、熔结环氧粉末防腐、3PE、2PE以及单PE等形式。3PE工艺为底层采用热熔结环氧粉末(FBE)、中间层胶黏剂、外层缠绕聚乙烯保护层，3种材料融为一体，并与钢管牢固结合形成防腐层。其绝缘性能和抗机械损伤性能优良，理论寿命可达50年以上。3PE防腐是从油气钢管外防腐发展而来，在国内长输油气管道率先引进并大量使用。目前在国内已全部实现自主开发，从原材料到设备制造均已实现国产化，经济性大幅提高，已成为大型地埋管道工程外防腐的主要形式。

管道内防腐工艺目前主要有内衬水泥砂浆、液态环氧涂料防腐、纳米陶瓷涂料防腐、熔结环氧粉末(FBE)防腐等。熔结环氧粉末涂层是一种加热固化交联而形成的连续的热同性聚合物，其羟基基团在一定温度下，能够与钢管基体发生反应结合在一起，附着力极强，其分子结构致密性良好，具有卫生等级高、阻力小、耐腐蚀、耐磨、耐冲击等特点，理论寿命可达50年以上。其糙率理论平均值为0.0086，均小于其他防腐形式，意味着输送相同流量的管道管径可以更小，对于长输管道工程投资有重大影响。

经综合分析比较，本工程外防腐采用3PE形式，内防腐使用热熔结环氧树脂粉末形式。外防腐执行GB/T23257—2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》标准，防腐层厚度不小于3.0mm；内防腐执行CJ/T120—2008《给水涂塑复合钢管》标准，涂层厚不小于0.4mm。钢管安装焊口外补口使用辐射交联聚乙烯热收缩套(带)进行防腐，内壁原设计为不锈钢内衬免补口工艺，在安装试焊阶段发现双金属焊接焊缝合格率低，若继续采用该工艺会造成质量隐患，实际施工中取消不锈钢内衬免补口工艺，改为双组分无溶剂环氧树脂补口。

表1 压力钢管压力分级及壁厚计算表

2.4 高压管件设计

为了管道安全运行，管线沿途设置补排气阀、超压泄压阀、放空阀等控制设备，相应位置上设置三通管件或四通管件，均为正交贴边岔管，支管直径最小0.2m(放空三通)，最大0.5m。考虑到本工程防腐等级高以及承压高等特点，为确保管径加工质量，将所有管件按SL281《水电站压力钢管设计规范》设计成主管长2.0m的标准管节，依SL432—2008《水利工程压力钢管制造安装及验收规范》在工厂加工制造，并按主管标准除锈防腐后运至工地，避免了工地现场制造对成品管内外防腐层的破坏，保证了管件的加工质量。为了确保安全，利用有限元软件对于支管较大的三通管件进行强度、变形复核。

2.5 招标及施工安装的主要技术要求

为了保证钢管母材(热轧卷板)的质量，招标阶段首先对管材原料厂家进行了限制，指定必须选用国内一线钢厂产品，使用宝钢、鞍钢、首钢、武钢、攀钢等厂家生产的热轧卷板；其次对热轧钢带板宽进行了规定，钢管管径Φ1000mm以上(含1000)的热轧卷板宽带板宽≥1450mm，Φ630～Φ1000之间钢管热轧钢带宽不小于1000mm；最后对焊管成型后壁厚负偏差严加限制，规定允许偏差为公称壁厚的-3%～+6%(国家标准规定壁厚偏差为±10%，且不大于1.5mm)，且平均壁厚值不允许有负偏差。同时要求对每一根钢管焊缝进行100%的X射线检查，逐根进行打压试验，试验压力根据管壁应力达到母材最小屈服强度的90%进行控制。对外防腐规定了具体厚度：底层环氧粉末层≥140um，中间层胶黏剂170～250um，防腐层总厚度(平均)≥3.0mm。内防腐须符合GB/T 17219《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》要求，确保环保无毒符合饮用水标准。其它制管及防腐涉及的材料、过程检验项目及要求、检验频次等均按相应规范执行。

本次设计过程中，按照《水利工程压力钢管制造安装及验收规范》并参照GB50369《油气长输管道工程施工及验收规范》相关内容，从施工准备、材料及设备检验、交接桩及测量放线直到最终工程交工等12个方面，制定了详细的施工技术要求，为施工安装提供了质量保证。

3 施工安装过程简述及存在的主要问题

一是在签署技术协议阶段发现管材Q345C材质和制管标准GB/T9711国标规范不完全匹配。GB/T9711规范适用于母材为管线钢卷制的钢管，而Q345C和管线钢因用途不同，两种钢材对冶炼、轧制要求不相同，检验检测范围要求也各不相同，因此Q345C钢材卷制的钢管无法满足GB/T9711规范的部分检测项目要求。将原文件中适用于更高钢级(>L485/X70)的PSL2级产品规范水平不适用于Q345C钢材的部分条款删除，保留其它检测项目及频次，使材质和制管标准基本匹配，达到技术合理适用、可操作性强的目的，且满足了设计要求。

二是内衬不锈钢的问题。考虑施工安装的便利性，设计初期采取了管端内衬不锈钢板免补口工艺措施：管口内衬厚度1.5mm的S304不锈钢板，安装时先用免充氩不锈钢焊丝打底焊接不锈钢板，再使用碳钢焊条焊接母材，焊后不再进行内补口防腐处理。安装试焊过程中发现焊缝X射线探伤合格率仅为12.8%，不合格焊缝的主要问题是夹渣、气泡、未熔合、裂纹及不锈钢鼓包等。经分析主要原因是不锈钢板与基材之间存在缝隙，该缝隙的存在以及缝隙气体受热涌出扰动熔池是产生缺陷的根本原因。后续的正式焊接中，取消了内衬不锈钢免补口工艺，改为常规焊接工艺，无损探伤合格率达到97.44%。

4 压力输水钢管设计的思考

4.1 钢管母材与制管标准选择

水利工程长距离输水压力钢管参照SL281《水电站压力钢管设计规范》进行设计，其中钢管所用钢材宜用的有Q235的C、D级和Q345、Q390的C、D、E级及部分压力容器用钢板。制管规范有石油行业标准(SY/T5037，适用于碳素结构钢)和国家标准(GB/T9711，适用于管线钢)两种，国家标准在尺寸误差、无损探伤方面要求较部颁标准严格，在理化、机械性能检测项目和频次方面也较部颁标准多。如果钢管母材选用Q235钢板，那么制管规范使用部颁标准(SY/T5037)无疑是匹配合适的。如果钢管母材选用Q345钢板，由于低合金结构钢与管线钢冶炼轧制要求不相同，制管规范若选择部颁标准则不够严格，而选择国家标准在检验检测范围和要求方面与低合金结构钢Q345无法匹配。考虑到本工程管道管径大、压力高，管道的缺陷会造成较大的危害，按照就高不就低的原则，为保证工程质量，制管最终选择国家标准。需要注意的是，规范引用应注明GB/T9711的PSL1级，因为PSL2级适用的最低钢级是L485/X70，且PSL2级的部分钢材冶炼、轧制及理化、机械性能检验检测要求用于低合金结构钢Q345是无法实现的。

长距离管道使用管线钢更为适合，管线钢相比低合金结构钢Q345有更好的化学成分，其添加了更多有益合金元素，S、P有害元素低，显微组织晶粒更细，轧制、冷却控制工艺生产更为先进，强度、塑性及韧性等机械性能更优。而SL281《水电站压力钢管设计规范》第6节结构分析中规定：若钢材曲强比σs/σb>0.7，应以σs=0.7σb计算许用应力。因此采用SL281标准计算钢管壁厚无法体现管线钢机械性能更优的特性。以低合金结构钢Q345钢级相近的管线钢L360为例，其抗拉强度σb=460MPa，则其屈服强度σs=0.7σb=322MPa，与低合金结构钢Q345相当，钢材量基本不变，但管线钢L360较低合金结构钢Q345钢材单价要高，经济性要差。笔者认为SL281是2003年颁布的，目前国家的经济实力和高性能管线钢材的发展已达到一定的水平，有必要尽快修订水利行业SL281的标准。一是解决与国家标准的不匹配问题，二是针对高性能钢材的特性修改有关材质选择、结构计算的内容。

4.2 防腐形式的选择标准与预留腐蚀厚度的探讨

本工程对于钢管壁厚的设计除强度要求外，增加了2mm的锈蚀裕量，这是依据SL281规范做出的。由于钢管采用了高级别的内外防腐保护，壁厚增加2mm锈蚀裕量有无必要是有争论的。虽然最终按SL281规范要求增加了2mm裕量，但笔者认为应按照钢管采用的内外防腐形式和防护等级区别对待预留锈蚀裕量的问题，本工程预留的锈蚀裕量必要性值得思考。建议在修改规范时针对此类问题进行专题研究并予以明确。

4.3 管道接头段内衬不锈钢工艺的教训及思考

本工程免补口内衬不锈钢工艺因焊缝质量不过关最终没有实施，对设计而言是一个教训，但也不能否定双金属连接工艺在钢管接口的应用，毕竟小口径钢管内补口因尺寸限制，人工施工存在薄弱环节，需要对这种工艺进行进一步的改进。最近有厂家在尝试使用多焊头涂覆焊工艺在管口焊接一定宽度和厚度的不锈钢层，使基材和不锈钢层之间达到冶金分子层面的结合，采取复合钢板焊接工艺可以保证焊缝质量，如果焊缝可满足相应规范的机械性能试验要求，应该具有良好的应用前景。

4.4 高压输水钢管检测方法的探讨

本工程钢管的制作要求生产厂家对每一根钢管焊缝进行100%的X射线检查，逐根进行打压试验。为保证现场各管段连接的焊接质量，采取了所有焊缝100%超声波和X射线双重检验的方法。按照最先设计的管端内衬不锈钢板免补口工艺，安装试焊过程中发现焊缝X射线探伤合格率仅为12.8%，而超声波探伤合格率可达95%以上。两种检测方式对双金属连接工艺在钢管接口的应用影响很大，虽然出于安全考虑，最终放弃了内衬不锈钢板免补口工艺，但各种规范均没有明确要求进行双重检验。考虑到今后双金属连接工艺在钢管接口的应用，建议在修定相应的规范时对检测方法区分不同的材质进行相应的规定。需要指出的是本工程制管、工地防腐及焊接等检验都具有较强的专业性，项目业主聘请了专业的第三方单位进行检测，保证了钢管的制作和施工质量，这种做法值得在大中型重要项目中推广。

5 结语

本工程压力钢管于2017年12月全部安装完成，并分段完成水压试验后，于2019年10月全线通水，截至目前工程运行良好。水利行业在类似长距离输水压力钢管设计中无相应规范，尤其在钢管母材选择、基管制造、防腐形式等方面无明确的指导意见，设计和施工只能参考相近或其他行业相关规范，在工程建设中遇到不少问题；本文所述的结构计算方法、基材选择、防腐方案、检测手段等内容，可供类似工程参考；免补口内衬不锈钢工艺和检测方式值得深入研究，SL281中规定的材料更适合水电站压力钢管，笔者认为长距离输水管道使用管线钢更为合适，规范修订时应进一步探讨，随着我国水利事业的发展，类似工程会越来越多，急需出台相应规范统一指导设计和施工。