常見的大口徑輸水管材優缺點及應用論述

摘要：根據我國工程技術的發展和實踐運行的經驗，在目前的大型給排水工程中，大口徑的輸水管道主要有五種，分別是復合鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、玻璃鋼類管（GRP）、聚乙烯塑料管（PE）和預應力鋼筒混凝土管（PCCP）。五種管材各有優缺點，應針對不同情況選取最適合的管材。文章對常見的大口徑輸水管材優缺點及應用進行了論述。

關鍵詞：大口徑輸水管道；給排水工程；復合鋼管；球墨鑄鐵管；玻璃鋼類管 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU821 文章編號：1009-2374（2016）32-0121-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.060

1 鋼管（SP）

1.1 優點

鋼管的應用歷史長、適用范圍較廣、機械強度最好，具有極好的力學性能，當可以承受極高的內壓和較高的外壓，經試驗驗證壓扁性變度達30%不會出現管道破損。近幾年市場上出現的復合鋼管，是以鋼管為基管，通過拋丸、高溫等工藝，在其內外壁復合高分子化學材料而成。它是鋼管與塑料管優良性能的結合，既有鋼管高強度、抗拉力等優點，又有塑料管的超強耐腐蝕性。它的內涂層為環氧樹脂，外涂層熱熔聚乙烯結構，以DN1600的復合SP為例，鋼的厚度為14mm，內環氧涂層厚度為0.45mm，外聚乙烯厚度為1.8mm，涂層發生損壞易修補，使用酒精噴燈噴涂即可，經過實驗驗證涂層附著度高。接口處連接方式靈活，可以做成：法蘭連接、承插連接、焊接，現在大口徑的管道多采用焊接連接，焊接為柔性連接，可最大程度地適應地基不均勻沉降問題，接口處保留無涂層焊接區，焊接之后內外再做防腐涂層，采用熱熔的方式，內涂環氧，外涂聚乙烯，涂層用料和厚度的標準均高于管身，鋼管在火電廠中有大量應用。

1.2 缺點

SP輸水最重要的問題是防止腐蝕，必須做好內、外壁的防腐，SP的使用壽命在很大程度上取決于內外防腐層的材料和施工過程中對內外涂層的質量，投運之后可加設外加電流、犧牲陽極的保護來監測和保護鋼管的使用。鋼管手工焊接的管道接口環向焊縫隨著管徑的增大，成為最突出的薄弱環節，溫度變化，地基不均勻沉降，接口使整個鋼管形成一根長的受力梁，在有缺陷的環向焊縫易形成應力集中發生爆漏。同時按鋼管管端不圓度的質量標準01005 D計算，安裝相鄰兩根管的管壁錯邊量會高達28%。

按焊接規范，即使焊縫完全合格，此時接口的焊縫強度也僅為正常值的70%左右，為此傳統鋼管管壁厚度的選用一般都采用增大30%以上的鋼板厚度方法來彌補這一缺陷，這就造成了鋼管的安裝費用高于PCCP、玻璃鋼等采用承插連接的管材。

1.3 工程案例

工程案例如表1所示：

2 球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管是使用18號以上的鑄造鐵水經添加球化劑后，經過離心球墨鑄鐵機高速離心鑄造成的管道，稱為“球墨鑄鐵管”。球管具有鐵的本質、鋼的性能，延展性能好，其抗拉強度、屈服強度與SP相當，抗腐蝕能力比鋼材好，承受沉降能力好，主要用于市政、工礦企業給水、輸氣、輸油等。球管的主要成分有碳、硅、錳、磷和鎂。外涂瀝青，內壁噴鋅、水泥砂漿防腐材料等。球墨鑄鐵管的使用歷史可以追溯到1668年巴黎郊區從塞納河至凡爾賽全長約21.14km的輸水管線，300多年的時光流逝，除部分管道和接頭維修更換外，主體至今仍在使用。

2.1 優點

（1）具有卓越的承壓能力，最大額定工作壓力可達2.0MPa，并具有一定的抗軸線拉力能力，安全性很高；（2）具有良好的防腐性能，一般中水管道腐蝕性較大，內水泥防腐受水質影響而脫離；（3）密封性好；（4）抗震性能高；（5）重量相對較輕、安裝快。

2.2 缺點

（1）內防腐采用水泥砂漿防腐，易結垢滋生細菌，輸水阻力大；（2）外防腐采用噴鋅和環氧煤瀝青漆，對于土壤的酸堿環境非?！懊舾小?，常常短時時間被腐蝕，導致滲漏（秦皇島北戴河輸水管道由于離海邊較近，球管使用不到10年就有的管體外壁腐蝕承壓減低產生爆管）。環氧煤瀝青有毒，污染地質環境，對當地的地表水、土壤有一定不利損傷；（3）插口外壁及端口（噴鋅+環氧煤瀝青防腐）和內輸送水接觸，腐蝕端口水泥和球鐵的結合處，造成連接口部分污染水質，其輸水不能直接飲用，存在內部水泥層易結垢等缺陷。根據國外經驗，如直接飲用水需要噴涂環氧樹脂防腐；（4）抗沉降能力差，有沉降地形地帶極易崩管，而需要置換地基土壤，成本較高。土壤污染或有化學工廠或毒物污染區地段禁止直接使用；（5）接口較多（是涂塑復合管的2倍左右），而且接口的滲水率較高，根據不完全統計由于受施工因素或地質環境、廠家產品質量——部分城市滲水率達到20%以上，滲漏導致基礎坍塌，給生產、道路、交通及生命財產造成損失，特別是水錘導致管體或接口爆管的較多，帶來了非常麻煩的后期維護，破壞市政道路和影響環境，影響供水的安全性和送水率；（6）凡承插銜接的球墨鑄鐵管線，有必要經核算設支墩，施工比較麻煩。球管基槽墊有承載力的沙層；（7）造價較高，一般每延米比PCCP、鋼管以及玻璃鋼加筋管要高出30%～50%。

3 預應力鋼筒混凝土管（PCCP）

預應力鋼筒混凝土管是由預應力鋼絲、鋼筒、混凝土構成的復合管材，是將預應力鋼絲按設計要求纏繞在帶有薄鋼筒（通常1.5cm厚）的混凝土管芯上，最后在管外部施噴水泥砂漿保護層而制成的。

PCCP性能綜合歸納如下：（1）PCCP管芯中嵌入了一層薄壁鋼筒，具有較好的抗滲性；（2）預應力鋼絲可多層重疊，管材承受內水壓力高、埋土深度大，承受內水壓0.4～2.0MPa，甚至更高；（3）管材的承插接口是半柔性，可減緩或克服一定程度上的土壤應力影響，偏轉角允許約1°；（4）管材的管件配套齊全、簡便、可靠、節省造價；（5）粗糙系數n值為0.011～0.0125。

PCCP管設計年限為50年，對于輸送海水介質，PCCP管的使用壽命取決于管道的防腐，需內外壁涂刷防腐涂料進行防腐，但PCCP管結構中預應力鋼筋容易腐蝕，破壞混凝土結構，導致鋼筋截面減少，承載能力下降，最終導致爆管。如對PCCP管沿線做陰極保護則陽極塊的大小、布置、陽極塊的設計保護年限都直接影響著PCCP管的使用壽命。另外，PCCP管道的粗糙系數較高。

4 玻璃鋼類管材

市場上使用較多的玻璃鋼類管材有玻璃鋼夾砂管、玻璃鋼加肋管、等壁厚純玻璃鋼管。玻璃鋼類管材具有如下特點：（1）優良的耐腐蝕性能：玻璃鋼管選用耐腐蝕極強的樹脂，可以適應海水、酸、堿、鹽、腐蝕性土壤或地下水及眾多化學物質的侵蝕；（2）防污染：玻璃鋼管在使用過程中不結垢、不生銹、不會被海洋的貝類、菌類等微生物玷污蛀附；（3）比重小、重量輕：玻璃鋼夾砂管的比重是1.8（加肋管與之近似），只有鋼的1/4，但玻璃鋼加砂管的環向拉伸強度約為160MPa，軸向拉伸強度約為130MPa（加肋管與之類似），近似合金鋼。因為重量輕，運輸安裝較方便；（4）使用壽命長，安全可靠：玻璃鋼管的壽命可達50年以上，不用考慮防腐涂層的問題；（5）運行維護費用低：由于玻璃鋼產品本身具有很好的耐腐蝕性，不需要進行防銹、防污、絕緣等措施和檢修，對地埋管無需作陰極保護，可節約大量維護費用；（6）但玻璃鋼管相對而言壁薄，管道本身承受外壓能力較差，易脫口漏水，對基礎與回填的要求較高，增加安裝費用，且管價較PCCP、鋼管稍高。

4.1 玻璃鋼夾砂管

玻璃鋼夾砂管是由玻璃纖維、聚脂樹脂、石英砂等材料組成，有管道輕、強度好、耐腐蝕、內壁光滑阻力小節省能耗等優點，連接為承插式，并設置膠圈，安裝方便?？梢愿鶕h境及輸送介質情況選擇樹脂種類，改變夾砂量，增減管壁厚度，無需附加內襯層和外防腐涂層而直接埋設在高酸性和高堿性土壤中，不需要電化學保護。玻璃鋼夾砂管是1995年后中國為更好地利用玻璃鋼優異的耐防腐性能并且克服造價較高的不利因素，采用減少玻璃纖維（增強材料）的用量，選用石英砂作為代替，增加管壁厚提高剛性的地埋管要求，2000年以后得到市場領域的大力推行?，F由于制造廠商惡性競爭，不按標準生產制造，過多地采用低性能原材料，大幅增加石英砂的用量，是大量工程出現較大質量事故，致使玻璃鋼夾砂管在2010年以后長江領域引水及沿海發達地區市政污水領域幾乎已經絕跡。

4.2 玻璃鋼加肋管

純玻璃鋼管道部分加厚（外表上看像一環一環的肋，肋的部分玻璃鋼厚度大），具有玻璃鋼材質共有的優點：耐腐蝕性好，粗糙系數小，造價經濟，運輸安裝方便，工期短。同時避免了因為加砂量造成的質量問題，采用玻璃鋼加肋管工藝，可大大降低玻璃鋼光滑管的壁厚，又利用環向玻璃鋼加強肋保證地埋管的剛度等級要求（類似橋一樣，每過一段做一個橋墩），并相對夾砂管造價有所降低，因此近年來在海水壓力管中得到大量應用。使用玻璃鋼加肋管輸水工程見表2：

4.3 等壁厚的純玻璃鋼管

相對于加肋管或者夾砂管每延米高出1000～2000元。

5 聚乙烯管（PE）

PE管是一類以塑料為主材料的管材，即聚乙烯塑料，包括高密度增強型，加鋼骨架型PE管。防腐性能好，不需要做防腐處理，粗糙系數0.009，耐磨性強，行業公認可達50年的使用壽命，可抵御一定程度的地基不均勻沉降，較鋼管稍弱，可繞行性，柔韌性好，抗震能力強。但是大口徑的帶壓輸水沒有應用實例，最多做到DN1200的，多使用在300以下的輸水（如衛生間、洗浴間的輸排水，不帶壓的小口徑排水）DN1000不摻鋼骨架僅靠厚度想要達到需要的剛度要求，造價會是鋼管、玻璃鋼加肋管的一倍，鋼骨架PE管，據回訪調研，用戶反映不好用，接口處為電熔、熱熔，鏈接處多有漏水。

6 結語

各種管材在不同的經濟要求、地質條件、輸送介質、使用年限、內壓外壓的條件下，會有不同的選擇，應根據實際情況，甄選最優的管材。

作者簡介：杜明雨（1989-），男，河北滄州人，供職于中核華電河北核電有限公司，初級職稱，研究方向：水工工藝。

（責任編輯：秦遜玉）