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常见的大口径输水管材优缺点及应用论述

添加时间:2016/12/02
  摘要:根据我国工程技术的发展和实践运行的经验,在目前的大型给排水工程中,大口径的输水管道主要有五种,分别是复合钢管(SP)、球墨铸铁管(DIP)、玻璃钢类管(GRP)、聚乙烯塑料管(PE)和预应力钢筒混凝土管(PCCP)。五种管材各有优缺点,应针对不同情况选取最适合的管材。文章对常见的大口径输水管材优缺点及应用进行了论述。
  
  关键词:
  
  大口径输水管道;给排水工程;复合钢管;球墨铸铁管;玻璃钢类管。
  
  1钢管(SP)
  
  1.1优点
  
  钢管的应用历史长、适用范围较广、机械强度最好,具有极好的力学性能,当可以承受极高的内压和较高的外压,经试验验证压扁性变度达30%不会出现管道破损。近几年市场上出现的复合钢管,是以钢管为基管,通过抛丸、高温等工艺,在其内外壁复合高分子化学材料而成。它是钢管与塑料管优良性能的结合,既有钢管高强度、抗拉力等优点,又有塑料管的超强耐腐蚀性。它的内涂层为环氧树脂,外涂层热熔聚乙烯结构,以DN1600的复合SP为例,钢的厚度为14mm,内环氧涂层厚度为0.45mm,外聚乙烯厚度为1.8mm,涂层发生损坏易修补,使用酒精喷灯喷涂即可,经过实验验证涂层附着度高。接口处连接方式灵活,可以做成:法兰连接、承插连接、焊接,现在大口径的管道多采用焊接连接,焊接为柔性连接,可最大程度地适应地基不均匀沉降问题,接口处保留无涂层焊接区,焊接之后内外再做防腐涂层,采用热熔的方式,内涂环氧,外涂聚乙烯,涂层用料和厚度的标准均高于管身,钢管在火电厂中有大量应用。
  
  1.2缺点
  
  SP输水最重要的问题是防止腐蚀,必须做好内、外壁的防腐,SP的使用寿命在很大程度上取决于内外防腐层的材料和施工过程中对内外涂层的质量,投运之后可加设外加电流、牺牲阳极的保护来监测和保护钢管的使用。钢管手工焊接的管道接口环向焊缝随着管径的增大,成为最突出的薄弱环节,温度变化,地基不均匀沉降,接口使整个钢管形成一根长的受力梁,在有缺陷的环向焊缝易形成应力集中发生爆漏。同时按钢管管端不圆度的质量标准01005D计算,安装相邻两根管的管壁错边量会高达28%.
  
  按焊接规范,即使焊缝完全合格,此时接口的焊缝强度也仅为正常值的70%左右,为此传统钢管管壁厚度的选用一般都采用增大30%以上的钢板厚度方法来弥补这一缺陷,这就造成了钢管的安装费用高于PCCP、玻璃钢等采用承插连接的管材。
  
  1.3工程案例
  
  工程案例如表1所示:
  
  表
  
  2球墨铸铁管(DIP)
  
  球墨铸铁管是使用18号以上的铸造铁水经添加球化剂后,经过离心球墨铸铁机高速离心铸造成的管道,称为“球墨铸铁管”.球管具有铁的本质、钢的性能,延展性能好,其抗拉强度、屈服强度与SP相当,抗腐蚀能力比钢材好,承受沉降能力好,主要用于市政、工矿企业给水、输气、输油等。球管的主要成分有碳、硅、锰、磷和镁。外涂沥青,内壁喷锌、水泥砂浆防腐材料等。球墨铸铁管的使用历史可以追溯到1668年巴黎郊区从塞纳河至凡尔赛全长约21.14km的输水管线,300多年的时光流逝,除部分管道和接头维修更换外,主体至今仍在使用。
  
  2.1优点
  
  (1)具有卓越的承压能力,最大额定工作压力可达2.0MPa,并具有一定的抗轴线拉力能力,安全性很高;(2)具有良好的防腐性能,一般中水管道腐蚀性较大,内水泥防腐受水质影响而脱离;(3)密封性好;(4)抗震性能高;(5)重量相对较轻、安装快。
  
  2.2缺点
  
  (1)内防腐采用水泥砂浆防腐,易结垢滋生细菌,输水阻力大;(2)外防腐采用喷锌和环氧煤沥青漆,对于土壤的酸碱环境非常“敏感”,常常短时时间被腐蚀,导致渗漏(秦皇岛北戴河输水管道由于离海边较近,球管使用不到10年就有的管体外壁腐蚀承压减低产生爆管)。环氧煤沥青有毒,污染地质环境,对当地的地表水、土壤有一定不利损伤;(3)插口外壁及端口(喷锌+环氧煤沥青防腐)和内输送水接触,腐蚀端口水泥和球铁的结合处,造成连接口部分污染水质,其输水不能直接饮用,存在内部水泥层易结垢等缺陷。根据国外经验,如直接饮用水需要喷涂环氧树脂防腐;(4)抗沉降能力差,有沉降地形地带极易崩管,而需要置换地基土壤,成本较高。土壤污染或有化学工厂或毒物污染区地段禁止直接使用;(5)接口较多(是涂塑复合管的2倍左右),而且接口的渗水率较高,根据不完全统计由于受施工因素或地质环境、厂家产品质量--部分城市渗水率达到20%以上,渗漏导致基础坍塌,给生产、道路、交通及生命财产造成损失,特别是水锤导致管体或接口爆管的较多,带来了非常麻烦的后期维护,破坏市政道路和影响环境,影响供水的安全性和送水率;(6)凡承插衔接的球墨铸铁管线,有必要经核算设支墩,施工比较麻烦。球管基槽垫有承载力的沙层;(7)造价较高,一般每延米比PCCP、钢管以及玻璃钢加筋管要高出30%~50%.
  
  3预应力钢筒混凝土管(PCCP)
  
  预应力钢筒混凝土管是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材,是将预应力钢丝按设计要求缠绕在带有薄钢筒(通常1.5cm厚)的混凝土管芯上,最后在管外部施喷水泥砂浆保护层而制成的。
  
  PCCP性能综合归纳如下:(1)PCCP管芯中嵌入了一层薄壁钢筒,具有较好的抗渗性;(2)预应力钢丝可多层重叠,管材承受内水压力高、埋土深度大,承受内水压0.4~2.0MPa,甚至更高;(3)管材的承插接口是半柔性,可减缓或克服一定程度上的土壤应力影响,偏转角允许约1°;(4)管材的管件配套齐全、简便、可靠、节省造价;(5)粗糙系数n值为0.011~0.0125.
  
  PCCP管设计年限为50年,对于输送海水介质,PCCP管的使用寿命取决于管道的防腐,需内外壁涂刷防腐涂料进行防腐,但PCCP管结构中预应力钢筋容易腐蚀,破坏混凝土结构,导致钢筋截面减少,承载能力下降,最终导致爆管。如对PCCP管沿线做阴极保护则阳极块的大小、布置、阳极块的设计保护年限都直接影响着PCCP管的使用寿命。另外,PCCP管道的粗糙系数较高。
  
  4玻璃钢类管材
  
  市场上使用较多的玻璃钢类管材有玻璃钢夹砂管、玻璃钢加肋管、等壁厚纯玻璃钢管。玻璃钢类管材具有如下特点:(1)优良的耐腐蚀性能:玻璃钢管选用耐腐蚀极强的树脂,可以适应海水、酸、碱、盐、腐蚀性土壤或地下水及众多化学物质的侵蚀;(2)防污染:玻璃钢管在使用过程中不结垢、不生锈、不会被海洋的贝类、菌类等微生物玷污蛀附;(3)比重小、重量轻:玻璃钢夹砂管的比重是1.8(加肋管与之近似),只有钢的1/4,但玻璃钢加砂管的环向拉伸强度约为160MPa,轴向拉伸强度约为130MPa(加肋管与之类似),近似合金钢。因为重量轻,运输安装较方便;(4)使用寿命长,安全可靠:玻璃钢管的寿命可达50年以上,不用考虑防腐涂层的问题;(5)运行维护费用低:由于玻璃钢产品本身具有很好的耐腐蚀性,不需要进行防锈、防污、绝缘等措施和检修,对地埋管无需作阴极保护,可节约大量维护费用;(6)但玻璃钢管相对而言壁薄,管道本身承受外压能力较差,易脱口漏水,对基础与回填的要求较高,增加安装费用,且管价较PCCP、钢管稍高。
  
  4.1玻璃钢夹砂管
  
  玻璃钢夹砂管是由玻璃纤维、聚脂树脂、石英砂等材料组成,有管道轻、强度好、耐腐蚀、内壁光滑阻力小节省能耗等优点,连接为承插式,并设置胶圈,安装方便。可以根据环境及输送介质情况选择树脂种类,改变夹砂量,增减管壁厚度,无需附加内衬层和外防腐涂层而直接埋设在高酸性和高碱性土壤中,不需要电化学保护。玻璃钢夹砂管是1995年后中国为更好地利用玻璃钢优异的耐防腐性能并且克服造价较高的不利因素,采用减少玻璃纤维(增强材料)的用量,选用石英砂作为代替,增加管壁厚提高刚性的地埋管要求,2000年以后得到市场领域的大力推行。现由于制造厂商恶性竞争,不按标准生产制造,过多地采用低性能原材料,大幅增加石英砂的用量,是大量工程出现较大质量事故,致使玻璃钢夹砂管在2010年以后长江领域引水及沿海发达地区市政污水领域几乎已经绝迹。
  
  4.2玻璃钢加肋管
  
  纯玻璃钢管道部分加厚(外表上看像一环一环的肋,肋的部分玻璃钢厚度大),具有玻璃钢材质共有的优点:耐腐蚀性好,粗糙系数小,造价经济,运输安装方便,工期短。同时避免了因为加砂量造成的质量问题,采用玻璃钢加肋管工艺,可大大降低玻璃钢光滑管的壁厚,又利用环向玻璃钢加强肋保证地埋管的刚度等级要求(类似桥一样,每过一段做一个桥墩),并相对夹砂管造价有所降低,因此近年来在海水压力管中得到大量应用。使用玻璃钢加肋管输水工程见表2:
  
  表2
  
  4.3等壁厚的纯玻璃钢管
  
  相对于加肋管或者夹砂管每延米高出1000~2000元。
  
  5聚乙烯管(PE)
  
  PE管是一类以塑料为主材料的管材,即聚乙烯塑料,包括高密度增强型,加钢骨架型PE管。防腐性能好,不需要做防腐处理,粗糙系数0.009,耐磨性强,行业公认可达50年的使用寿命,可抵御一定程度的地基不均匀沉降,较钢管稍弱,可绕行性,柔韧性好,抗震能力强。但是大口径的带压输水没有应用实例,最多做到DN1200的,多使用在300以下的输水(如卫生间、洗浴间的输排水,不带压的小口径排水)DN1000不掺钢骨架仅靠厚度想要达到需要的刚度要求,造价会是钢管、玻璃钢加肋管的一倍,钢骨架PE管,据回访调研,用户反映不好用,接口处为电熔、热熔,链接处多有漏水。
  
  6结语
  
  各种管材在不同的经济要求、地质条件、输送介质、使用年限、内压外压的条件下,会有不同的选择,应根据实际情况,甄选最优的管材。