自锚式球墨铸铁管性能分析及研究

刘天政　杜培文　祝凤山　花金祥　谭乐彦　朱　琳　李　孟

自锚式球墨铸铁管性能分析及研究

刘天政杜培文祝凤山花金祥谭乐彦朱琳李孟

一、概述

自锚式球墨铸铁管是一种高性能的输水材料，广泛应用于水利工程建设。与其他管材相比，自锚式接口利用自锚组件与插口焊环之间的推力传递，实现可靠的防滑脱能力，同时自锚组件的径向滑动使接口具有较好的偏转性能；管道内衬高铝水泥，可有效防止输送介质对管道的腐蚀。本文通过实际案例，对其性能特点及应用作简要分析与探讨。

二、应用实例及性能分析

云蒙湖是山东省第二大人工湖，兴利水位176.0m，流域面积1693.3km2，涉及蒙阴县的10个乡镇和沂水的两个乡镇。1997年云蒙湖被确定为临沂市饮用水水源地，2010年省环保厅代省政府批复确认了云蒙湖饮用水水源地保护区范围。通过多年的努力，云蒙湖水体水质整体改善明显，但尚不能稳定达到地表水环境质量II类标准要求。蒙阴县污水处理厂虽然能够按照城镇污水厂一级（A）达标排放，但污染物排放浓度仍远高于水源地质量标准，是造成云蒙湖水体水质不能稳定达标的主要原因。同时，蒙阴县城区紧靠水源地上游，其生产活动对水源地水质安全造成隐患。

为进一步改善云蒙湖水体水质，确保临沂市饮水安全，拟新建1条输水管道，把中水排放到蒙河水系。管道管径DN1400mm，长度为6.9km，材料选用自锚式球墨铸铁管。

1.项目特点及管材选择

项目特点：（1）管道输送介质为中水，具有一定腐蚀性；（2）沿线管道敷设在云蒙湖库区，地下水位较高，需着重考虑抗浮问题；（3）由于是在库区，管顶覆土加上湖水的静压力，管道承受外荷载较大；（4）为了避免中水污染湖水，管道接口应密封严实；（5）全程自流，设计水头2m，富余的水头较小；（6）沿线需穿越两条较大河流。

表1　三种管材的优、缺点比较表

图1　接口构造图

表2　自锚接口参数表

管材的选取要综合考虑各种因素，如输送介质、压力、温度、地质构造以及综合造价等。选取3种常用管材综合比较，见表1。综合考虑，选用球墨铸铁管。

2.管道接口（自锚式）

承插接口是铸铁管最常见的接口形式，具有结构简单、安装方便、密封性较好等特点。在接口结构上一定程度考虑了橡胶圈的定位和偏转角问题，因此这种接口能适应一定的基础变形，具有一定的抗震能力，同时利用其偏转角实现管线长距离的转向。但对地质条件复杂、易造成不均匀沉降的地段，或者承受外荷载不均匀、荷载变化幅度较大的情况，管道接口易泄漏。

自锚接口设计采用密封腔和挡块仓两个环形腔，密封腔安装密封胶圈，挡块仓安装自锚组件，自锚组件由前排挡块、后排挡块、支撑圈组成。利用自锚组件与插口焊环之间的推力传递，实现可靠的防滑脱能力，同时自锚组件的径向滑动使接口具有较好的偏转性能。接口构造如图1，技术参数见表2。

自锚接口由于其防滑脱能力，广泛用于各类工程，在如下情况中更能发挥其使用效果：

（1）用以抵消水力推力的水泥支墩无法设置时，可以用来代替水泥支墩。

（2）管线敷设地区地基不稳定，可能产生较大的土壤沉降，如河床的淤泥层，实现接口防滑脱功能。

（3）沿陡坡敷设。

排污类项目输送介质具有腐蚀性、外荷载变化幅度较大、对严密性要求较高，自锚式接口能最大程度上满足这些特殊要求。

3.防腐蚀研究

管道内部防腐蚀处理措施直接决定了管道寿命。铸铁管比较常用的内衬材料为硅酸盐水泥，其主要矿物组成是硅酸钙，水化后，含有大量的氢氧化钙和水化铝酸钙。因此，其耐软水和耐化学腐蚀性差，不能用于介质腐蚀性较强的工程。而高铝水泥主要组成是铝酸钙，合成的铝酸钙具有水硬性，对海水和中水均具有抗侵蚀能力。

（1）铝酸盐水泥的主要胶结性矿物是低碱性铝酸钙CA和C12A7。它们的水化产物生成水化铝酸钙CAH10，即便是铝酸盐水泥中含有微量的其他化合物水化时生成氢氧化钙也会和多余的氧化铝发生反应，因而在高铝水泥的水化产物中不存在氢氧化钙。这就是高铝水泥能够抵抗硫酸盐侵蚀的原因。

（2）铝酸盐水泥在水化期间生成的相对惰性的铝胶，对管道起到保护作用。另外铝酸盐水泥比硅酸盐水泥的抗压强度要高出许多，主要是由于铝酸钙水化物要比硅酸钙水化物的强度高，并且赋予它优良的耐磨性能。

铝酸盐水泥耐化学腐蚀主要是因为水化产物中没有氢氧化钙，在物理作用上它的强度高、耐磨性好。污水中含有酸、碱、盐以及固体颗粒等物质，水质条件极为恶劣，普通硅酸盐水泥不适用。

三、结束语

当前国家对水利、电力、市政等工程事业的投入越来越大，长距离输水管道项目也越来越多，管材的选择将直接决定工程寿命，需要结合项目特点考虑诸多因素和技术参数。随着民众与政府环保意识的增强，自锚式球墨铸铁管因其绿色环保、性能好、高性价比，将会越来越广泛地应用于各类建设项目中■

（作者单位：山东省水利勘测设计院250013）