大口径输水管材及其比较

王莉莉 张 亚 李乃回 李洋洋

一、前言

随着社会经济的高速发展，城市用水量在不断增加。为减少输水线路损耗，避免原水二次污染，引水工程采用大口径管道输水是大势所趋。目前国内可用于埋地给水的管道有钢、铸铁等金属材料，混凝土等无机材料，各种塑料等有机材料，实现了管材的多样化。一般来讲，引水工程前期除了要进行水源、输水线路、水厂、泵站等勘察设计外，还要考虑管线运行维护管理等诸多因素，但最重要的工作还是合理选择管材。根据工程要求选择管材时，必须熟悉各种管材的材质、使用条件，采用符合要求、经济合理、安全可靠的管材。管材还须根据其外部荷载、内水压力、设计流量、环境介质、使用寿命、造价等因素综合考虑确定。

二、管材简介

1.钢管（SP）

钢材具有极好的力学性能，钢管可以承受极高的内压和较高的外压。用于城市给水管道工程的钢管口径一般在DN600～DN2000mm范围，最大口径可达DN4000mm。钢管的制作和焊接技术已经相当成熟，各种检测手段也日臻完善。钢材可加工成各种管件，尤其在穿越障碍较多、地形复杂地段时，钢管有很强的实用性。

但埋地钢管不耐腐蚀。使用钢管输水最重要的问题是防止腐蚀，必须做好管道内外壁的防腐，钢管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质量。钢管的外防腐通常采用涂层保护和电化学保护的方法。钢管的内防腐通常采用水泥砂浆涂衬，防腐效果较好，但需要采取相应措施，确保施工质量，防止水泥砂浆在管道吊运、施工期间因管道变形而引起的开裂脱落。

2.球墨铸铁管（DIP）

球墨铸铁管是经过球化处理的优质铁水用离心铸造工艺生产的，其抗拉强度、屈服强度、冲击韧性和延伸率与钢管相当，抗腐能力比钢管好。球墨铸铁管的沥青外涂层和水泥砂浆内衬的制作均在工厂内完成，现场施工方便，不需要焊接和防腐处理。

大口径的球墨铸铁管价格昂贵，这对于大型引水工程来说在经济上难以接受，但在中小管径的管道工程中球墨铸铁管价格与钢管相近，应用广泛，大有取代钢管之势。

3.玻璃钢夹砂管（DIP）

玻璃钢夹砂管具有以下特点：（1）重量轻，管长有6m、8m、10m、12m甚至更长，故玻璃钢夹砂管安装运输费用比其他管材低。（2）可承受工作压力 0.4～2.0MPa，接口采用承插式、胶圈接口或法兰连接。（3）耐腐蚀性好，不产生二次污染，尤其适用具有腐蚀性介质条件。（4）内壁光滑，阻力小于其他管材，摩阻系数n值为0.008～0.009，小于混凝土砂浆内衬。

玻璃钢夹砂管刚度较低，承受外荷载能力相对低，对沟槽基础垫层尤其是胸腔回填土（一般要筛选或采用砂）和密实度要求较高。另外，玻璃钢夹砂管抗浮能力较差。

4.预应力钢筒混凝土管（PCCP）

预应力钢筒混凝土管是一种技术先进、应用范围广泛的新型管材。其工作原理是：将预应力钢丝按照设计要求缠绕在带有薄钢筒的混凝土管芯上，使其处于压应力状态；当管内载有压力介质时，其预应力能够部分平衡介质压力而不破裂。实际上预应力钢筒混凝土管也是一种复合管，它既具有混凝土管刚性好、耐久防腐的优点，又兼备钢管承压高，安全好的优点。这也是预应力钢筒混凝土管能够代表大口径管材发展方向的原因所在。

预应力钢筒混凝土管性能综合归纳如下：（1）预应力钢筒混凝土管使用寿命长。（2）管质坚硬、刚度好，不易受损、不需维修。（3）防腐性能好，综合了钢材与混凝土的长处。（4）可承受较高的工作压力（0.4～2.0MPa，甚至更高）。（5）可承受深覆土（根据工程需要设计，美国曾达到30m覆土）。（6）可配套生产供应PCCP管件和特殊管型，比如三通、四通、弯管、变径管等。（7）能承受真空状态下的负压。（8）使用中的PCCP管道，随时都可带压开孔，与其他支管相接。（9）接头灵活，采用承插式柔性接头，用钢制接口环与O型胶圈滑动密封，无漏水现象；抗震性能优越。（10）预应力钢筒混凝土管可与其他各种管材连接，如钢管及各种法兰及堵头。（11）管道摩阻系数较低，n取值为 0.0107～0.012。（12）安装对沟槽地基要求较低，安装施工快，可以边安装边回填，省时省工。

总之，预应力钢筒混凝土管安全可靠、使用寿命长、综合造价较低，是一种优越的输水管材。特别是DN2000mm以上大口径管线更具优势。但预应力钢筒混凝土管相对自重较大，运输安装成本较高，中小管径优势不大。

我国20世纪90年代初从美国引进预应力钢筒混凝土管新型管材生产工艺技术。国内在消化吸收的基础上，陆续建成了多家生产厂家。产品已广泛应用于水利、电力、市政和自来水供水主管线工程。

三、管材选用

一般情况下，埋地给水管材应根据其物理力学性能及其作用在管道上的内外荷载、环境介质和温度等多因素设计计算确定。若有多种管材符合要求时，应通过综合技术经济分析，选用经济合理、安全可靠的管材。给水管道能否安全运行，与管道自身质量、使用状况、运行方式、维护条件、安装施工质量等诸多因素有关。

1.管材的安全性及使用年限

大口径的输水管道一般多为单线。尽管工程中有调蓄设施，但蓄水量有限，允许管道抢修的时间很短，管材出现爆管或大量漏损事故造成的后果不可估量，故管材的质量应是比选的第一因素。管材的质量与其原材料、生产工艺等密切相关。

上述比选的管道都有20～60年的使用年限。钢管的使用年限主要取决于其防腐和接头焊接质量。球墨铸铁管的寿命也与防腐处理有关。玻璃钢夹砂管等化学管材由于存在老化问题，其强度、应变等力学性能将随时间而相应降低，故其寿命必须考虑材质的时间因素。预应力钢筒混凝土管由于钢板嵌在混凝土中间，使用寿命较长。近几年大口径预应力钢筒混凝土管工程实例不少，反应很好，国内应用尚未有事故发生。

2.管道及施工费用

管道的价格要综合考虑，钢管要充分考虑其防腐费用，混凝土管要充分考虑其运输费用。施工过程中的土方费用，几种管材相差不大。预应力钢筒混凝土管的运输和吊装费较多，而钢管的电费及降排水费较高，玻璃钢夹砂管的回填土要求较高。综合比较，直径DN1200mm以上的钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管、预应力钢筒混凝土管综合造价大致相近。口径越大，价格差异越大，见表1。

表1 管道价格表

3.环境介质的影响

对输水埋地管道，主要考虑土壤介质是否对管道产生腐蚀影响。玻璃钢夹砂管等化学管材耐酸碱能力最强，钢管最差，需进行防腐设计。

4.管材内壁糙率系数n值

管材的糙率系数是确定口径的重要参数，在同样输水条件下，对中、大口径管道，n值为 0.009的管材比 n值为0.014的管材，口径可小一个直径等级，经济合理的规格品种对工程综合指标和运行成本具有实际指导意义。

四、结语

在城市引水工程中，采用大口径管道输水是大势所趋。每一种管材都有各自的优点和缺点，宜根据项目实际情况和要求，对管道进行综合比选，采用符合要求、经济合理、安全可靠的管材。

大型引水管道运行压力一般不高，但管材的工作压力近几年有上升趋势，上述几种管材，只要能够保证制造安装质量，都可以保证管道的正常供水，因此综合造价较低的管材更易被业主接受。口径DN2000以上、工作压力大于0.6MPa的管线，预应力钢筒混凝土管显现出其良好的综合性能，这也是预应力钢筒混凝土管从国外引进后能够得以迅速推广应用的主要原因■