大口径高压力球墨铸铁管在大西沟管道引水工程中的应用

孔晓阳

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

大口径高压力球墨铸铁管在大西沟管道引水工程中的应用

孔晓阳

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

结合大西沟管道引水工程实际情况，介绍了大口径高使用压力球墨铸铁管在引水工程中的应用，并就引水工程管材的选择和球墨铸铁管相关设计进行了论述。

大口径球墨铸铁管；高工作压力；引水工程；应用

随着城市的发展，政府和企业兴建越来越多的长距离输水工程来解决水资源时空分配不均的问题，做好输水管道管材的选择是长距离输水工程运行可靠和安全的关键。目前大口径输水管道主要采用钢管、球墨铸铁管和PCCP管等管材。

我国的球墨铸铁管行业起步于20世纪90年代初，在中国城镇引水协会的大力支持下发展迅猛，经过20余年的实践使用，其安全性、实用性已被引水行业普遍认可，目前国内一些大型球墨铸铁管厂，产品最大口径已达到DN2600。但实际工程使用中，DN2200及以上管径使用较少，工作压力普遍在2.0 MPa以下。管径DN2400和DN2200，工作压力在2.5 MPa的球墨铸铁管在新疆大西沟管道引水工程中的应用，为大口径高工作压力球墨铸铁管在其他项目上的应用积累了经验。

1 球墨铸铁管简介

球墨铸铁管采用不同于传统铸造工艺生产的一种新型铸铁管材，铸造时在铁水中加入了少量的镁，改变了铸铁中的片状石墨结构，使其转变成球状，从而克服了片状石墨对铁基体连续性的阻止作用，具有卓越的可延性、柔韧性和抗冲击性。

球墨铸铁管管壁薄、韧性好、强度高、耐腐蚀，其机械性能接近钢管，而耐腐蚀性能又优于钢管，不仅可以用作输水管道，而且可用于煤气管道及腐蚀性、磨损性物质的输送以及地下建筑构件等。再加上采用柔性接口，施工方便，大大降低了工程造价。

2 大西沟管道引水工程介绍

2.1 工程概况

大西沟管道引水工程位于新疆乌鲁木齐河大西沟水库下游石门子渠首至乌拉泊水库河段上，为乌鲁木齐城市引水工程。工程主要由取水首部（引水涵洞、压力前池、压力管道和水质预处理厂）、多级引水管道及引水管道配套的消能减压稳压设施组成。

引水管道全长42.08 km，线路落差为655 m，采用四级压力分区（不包括尾部引水管道），起点位于首部水质预处理厂末端汇流池，末点位于乌拉泊水库北侧，中部（幸福闸）留有分水口向西山水厂分水。每级引水管道都由预应力钢筒混凝土管（以下简称PCCP管）+球墨铸铁管组成。

大西沟管道引水工程各级管道特性见表1。

表1 大西沟管道引水工程各级管道特性表

2.2 引水规模和设计流量

最大引水规模为110万m3/d，对应设计流量为12.73 m3/s；冬季最小引水规模为8.64万m3/d，对应设计流量为1 m3/s；向西山水厂分水规模为22.6万m3/d，相应流量为2.62 m3/s。即一级、二级引水管道设计流量为12.73 m3/s，三级、四级和尾部引水管道的设计流量为10.2 m3/s。

2.3 工程特点

（1）水头落差大，首部水质预处理厂末端汇流池至第四级引水管道末端消能减压稳压设施高差为655 m；

（2）单级压力高，最大单级静水头为175 m，考虑水锤压力后的控制工况设计压力为2.45 MPa；

（3）球墨铸铁管采用管道管径DN2400长8.23 km，采用管道管径DN2200长6.61 km，工作压力为2.45 MPa。

3 工程管材的选择

参考全国多项长距离输水工程管材选择上的经验：工程的规模及重要性；管道口径及所能承受内压力和外荷载要求；管道使用性能安全及维修工程量小；管道使用年限长；管道输水能力相同情况下造价低；管道能满足工程地质、地形条件；结合各种管材在水利工程和市政引水工程中的应用情况，考虑本工程管径大，压力高的特点，本工程主要采用PCCP和球墨铸铁管两种管材进行比较（见表2）。

表2 PCCP和球墨铸铁管管材特性对比表

从表1可以看出：在管材直径、管材压力、管材刚度、管道接口、耐腐蚀这几个方面PCCP管和球墨铸铁管均能够满足要求。

就管材压力来说，PCCP管道目前常使用的工作压力范围为0-1.4 MPa，2.4 m管径的K9球墨铸铁管能承受最大2.5 MPa的工作压力，两种管材常使用的工作压力区间，决定了相应的管道分段压力。就管道接口而言，两种管道都采用柔性接口，接口刚度高、尺寸精确、抗渗性能优良，均能够满足使用要求，机械式（K型）柔性接口安装略复杂。维修速度方面，球墨铸铁管比PCCP管快，在管道发生漏水事故时，球墨铸铁管对正常引水的影响时间较PC⁃CP管短。管道自重方面，相同管径的PCCP管比球墨铸铁管重很多，在安装时球墨铸铁管较PCCP管有优势。每米综合造价方面，PCCP管比较经济。

根据PCCP和球墨铸铁管两种管材特性和本工程的特点，拟定3个方案进行技术经济比较。方案一为PCCP管方案，压力分段为6级；方案二为球墨铸铁管方案，压力分段为4级；方案三为PCCP管和球墨铸铁管组合方案，即静水压力小于等于1.0 MPa以下采用PCCP管，静水压力大于1.0 MPa以上采用球墨铸铁管，压力分段为4级。管材选择3个方案的对比见表3。

表3 管材选择方案对比表

表3可以看出：方案三投资比方案一稍贵，但比方案二便宜很多，同时方案三考虑了两种管材的承压条件，在安全性能够得到保证的同时充分利用了两种管材的承压能力，方案三在调度运行上和方案二保持一致。因此，本阶段从地形地质条件、管线布置、施工条件、工程占地及移民、运行管理、管材的耐久性、工程投资等方面综合考虑，最终推荐方案三，压力分段4级，管材采用PCCP管+球墨铸铁管组合方案为引水管材方案。

4 工程球墨铸铁管的主要设计[1]

4.1 主要性能

新疆大西沟管道引水工程中球墨铸铁管直管执行的标准为《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》GB/T13295[2]；管件采用钢管，设计执行的标准为《水电站压力钢管设计规范》SL281[3]，制作、安装和验收执行《水利工程压力钢管制造安装及验收规范》SL432[4]。

球墨铸铁管标准直管属K9型，管径DN2 400的允许压力PFA为2.5 MPa，PMA为3.0 MPa，PEA为3.5 MPa；管径DN2200的允许压力PFA为2.6 MPa，PMA为3.1 MPa，PEA为3.6 MPa。DN2200和DN2400单管有效长度有6.0 m和8.15 m两种规格。两种管径壁厚分别为24.3 mm和26.1 mm，水泥砂浆内衬厚均为12 mm。

力学性能：抗拉强度 420 N/mm2，屈服强度300 N/MPa，延伸率 7%。

4.2 主要设计参数

管顶覆土深度不得小于1.8 m，设计计算按5 m计算，管顶回填土容重按1 900 kg/m3；汽车荷载按中国《公路工程技术标准》JTGB01-2003规定的汽车-20级荷载计算；作用于管顶地面以上的均布荷载为附加荷载（堆积荷载），按10 KPa计算；输送介质为淡水原水；抗震设防烈度Ⅶ度。

4.3 内外防腐形式

球墨铸铁管管道内壁采用普通硅酸盐水泥砂浆防腐，外壁采用喷锌加喷涂环氧煤沥青防腐。金属锌喷涂厚度不应小于130 g/m2，金属锌的含量至少为99.95%，金属锌外再喷涂环氧煤沥青，最终防腐层漆的厚度要求不小于70 μm。

4.4 接口形式

球墨铸铁管接口种类繁多，目前常用的接口有滑入式（T型）柔性接口、机械式（K型）柔性接口、机械式（NⅡ型、SⅡ型）柔性接口、法兰型接口等，根据本工程所采用的管径及所承受的工作压力，两种管径的球墨铸铁管均采用机械式（K型）柔性接口。

4.5 管道借转角度

根据计算，最终确定DN2400和DN2200球墨铸铁管道转角小于0.5°时，管段自身过渡，每根管过渡角度不大于0.2°，大于0.5°转角时，配件另行制作。

4.6 管沟和填筑

管道贴近原地面铺设，纵坡与原底面相近，由于工程位于高寒地区，为满足冬季运行要气管顶以上覆土厚度需大于等于1.62 m，最终引水管道平均纵坡0.015%左右，平均覆土厚度为1.8 m。

根据《给水排水管道工程施工及验收规》GB-50268[5]规定，考虑管道的安装机具布置，DN2400管径的球墨铸铁管沟底宽为4.4 m，DN2200管径的球墨铸铁管沟底宽为4.2 m。管道分区填筑指标如下：管底30 cm砂砾料垫层（d 40 mm），压实度 95%；管道中心线下150°区域以内砂砾料压实回填（d 40 mm），压实度 95%；管顶50 cm以下砂砾料压实回填（d 40 mm），压实度 90%；管顶50 cm以上至原地面回填原状料，压实度 90%。

5 结论

大西沟管道引水工程2014年11月～2015年9月小流量调试运行并通过验收[5]，于2015年10月正式投入使用，至今运行良好，说明DN2400和DN2200的大口径高工作压力球墨铸铁管在本工程上设计和应用是成功的，经验是值得推广的，使大口径球墨铸铁管在引水工程上发挥更大的经济效益和社会效益。

[1]新疆水利水电勘测设计研究院.大西沟管道引水工程初步设计报告[R].乌鲁木齐：新疆水利水电勘测设计研究院，2012.

[2]GB/T13295，水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件[S].[3]SL281，水电站压力钢管设计规范[S].

[4]SL432，水利工程压力钢管制造安装及验收规范[S].

[5]GB 50268，给水排水管道工程施工及验收规范[S].

（责任编辑：周 群）

Application of large diameter and high pressure ductile iron pipe in Daxigou water diversion project

KONG Xiao-yang
（Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey&Design Institute，Urumqi 830000，China）

Combined with the actual conditions of Daxigou water diversion project，an introduction was made on the application large diameter and high pressure ductile iron pipe in water diversion project.The author also dis⁃cussed the selection of pipe material for diversion project and relevant design of ductile iron pipe.

Large diameter ductile iron pipe；high working pressure；water diversion project；application

TU991.36

B

1003-1510（2016）03-0081-03

2016-03-29

孔晓阳（1983—），男，新疆乌鲁木齐人，新疆水利水电勘测设计研究院工程师，学士，主要从事水利水电工程设计工作。