浅谈矿泉水输水管材优缺点及设计应用

杨永花

（陕西省泾惠水利水电设计院，陕西 三原 713800）

随着人民生活水平的普遍提高，越来越多的人开始注重饮水健康。矿泉水由于富含丰富的矿物质和微量元素，日渐受到消费者的青睐，加之矿泉水现代、时尚、方便、卫生的饮用特点，使得饮用矿泉水已成为人们健康饮水的标准。随着人们的生活水平的进一步提高，以及国家政策的引导，矿泉水市场普及率必然将大幅上升。故本文结合具体工程对矿泉水的输水管材进行比选。

1 工程概述

张家山群泉引水二期工程本着优水优用的原则，利用张家山优质的矿泉水资源生产优质的矿泉水，造福当地人民。主要任务为铺设管道，利用一期工程已建成的泉水收集系统以及水磨沟机井水源将泉水输送至泾阳县王桥镇北峪村南、关中环线北的陕西省水务集团秦之泉饮品有限公司矿泉水厂。

2 供水规模

陕西省水务集团秦之泉饮品有限公司矿泉水厂第一阶段需水规模为0.2 万m3/d，第二阶段水厂满负荷运行时需水规模为0.4 万m3/d，工程主要为泵站和输水管道工程，泵站按两个阶段实施，输水管道按水厂总需水量0.4 万m3/d 规模实施，采用双管铺设，一条满足第一阶段用，一条预留第二阶段用。

3 输水管道设计

3.1 管材比选

输水管道的材料一般根据输水流量、压力、地形地质条件等情况选用，管材的选择对于工程投资及施工难度影响较大。

（1）PE 管：PE 管由于其强度高、耐高温、抗腐蚀、无毒、耐磨等特点，被广泛应用于给排水制造领域。因为它不会生锈，所以，是替代普通铸铁水管的理想管材。和钢管比较，施工工艺简单，有一定的柔韧性，更主要的是不作防腐处理，会节省大量的工序。缺点为器械性不如钢管，不能裸露于空气中阳光下，并且对苯、汽油、四氯化碳等有机溶剂比较敏感，有机溶剂如果渗入，其物理性能就下降、变差。

（2）ABS 管：ABS 塑料管是一种新型管材，可用于制药和食品等行业，也可用于市政给水、纯净水输送等，在室内一般可用数十年之久，如埋在地下或水中寿命会更长。其优点主要为无毒和无二次污染、不改变水质，不生锈、不结垢、内壁光滑阻力小，重量轻、易运输。其缺点为ABS 塑料管成本较高，国内有厂家生产DN15～DN150 的ABS 管道、阀门及配件，工作压力仅可达到1.6 MPa。

（3）不锈钢管：目前用于市政供水的不锈钢管通常选用0Cr18Ni9（304）。其优点主要为：①具有良好的抗晶间腐蚀性能，优良的腐蚀性能及冷加工、冲压性能，在氧化性酸和大气、水等介质中耐腐蚀好。②环保卫生。输水过程中无异味，无有害物质析出，无铅，保持水质纯净，对人体健康无害。③耐磨损。表面美观清洁光亮长久耐用无刮痕,永不生锈、永不断裂。缺点是生产工艺复杂，制作成本较高。

（4）内衬不锈钢复合钢管：内衬不锈钢复合钢管是在钢管内壁复合薄壁不锈钢管，这种双金属复合钢管会大大提高钢管在输水、输热水、输煤气、输天然气、输油过程中的耐腐蚀性能，表面光滑，流体阻力小，又保留了钢管机械强度高，可采用焊接、沟漕、螺纹连接，密封性好，克服了镀锌钢管易腐蚀，采用热熔连接的塑料管易漏水和老化的缺陷，是输气、输水、输油钢管的升级换代的理想产品。缺点是不适宜于管道线路曲折、线形复杂的线路。

综上可知，聚乙烯PE 管无毒、耐磨，内壁光滑，水力性能好，但若周围土体污染及污水管道泄漏容易对管道造成破坏；ABS 管是一种新兴的环保型管材，无毒、无二次污染、不改变水质，不生锈、不结垢，但其成本较高，国内有厂家生产工作压力仅可达到1.6 MPa，压力等级较低；304 不锈钢管具有良好的抗腐蚀性能、冲压性能，在氧化性酸和大气、水等介质中耐腐蚀好，输水过程中无异味，无有害物质析出，无铅，保持水质纯净，对人体健康无害，耐磨损，不生锈，但其生产工艺复杂，制作成本较高；内衬不锈钢复合钢管具有不锈钢管的抗腐蚀性，同时又有钢管的高机械强度性能，且价格低廉。

经综合比较，从工程安全、控制投资角度考虑，本次设计在张家山旅游区内即0+000～1+470 段，管道转弯较多，为了确保工程施工质量以及便于施工，管道采用304 不锈钢管，1+470以下管道采用内衬304 不锈钢复合管。

3.2 管道连接

管道的连接方式采用焊接，管道连接采用对接式氩弧焊连接，304 不锈钢管焊接采用奥氏体型H0Cr21Ni10 焊丝，焊接过程中内部应充氮气保护到焊接完成焊口冷却到常温，采用单面焊双面成型工艺。管道组成件焊接后应对焊缝进行酸洗和钝化处理，并对焊缝进行抛光处理。为了便于施工，所有管件材质均采用304 不锈钢，304 不锈钢管和管件的连接采用焊接，内衬304 不锈钢复合管和管件的连接采用法兰连接。

3.3 管道外防腐的选择

304 不锈钢管外防腐选择塑覆，覆塑防腐是以不锈钢管材为母材，采用中空保温包塑技术，外覆一层抗耐磨损、耐化学腐蚀和电离子腐蚀的聚乙烯（PE）塑料制造而成，具有保温、耐腐蚀、耐磨损等特点。塑覆防腐可避免土壤对管外壁的酸碱腐蚀或尖硬杂物对管道表面的损伤。

内衬304 不锈钢复合钢管管道外防腐采用3PE 防腐。3PE钢管防腐是将2PE 防腐层和环氧粉末防腐钢管涂层（FBE)巧妙的结合起来而产生的一种新的防腐钢管涂层。底层与钢管面所接触的是环氧粉末防腐涂层，中间层为带有分支结构功能团的共聚粘合剂。面层为高密度聚乙烯防腐涂层。3PE 防腐涂层综合了环氧树脂和聚乙烯材料的高抗渗性、机械性能高、粘结力强、绝缘性能好、吸水率低、耐水、耐酸碱腐蚀等特点。3PE 防腐在施工上也是简便迅速，综合的造价也比较低。到目前为止是全球公认的使用效果最好、性能最佳的管道防腐涂层，从而被应用在诸多的工程当中。

4 工程设计

4.1 工程总体布置

本次工程由张家山泉群集水井取水，通过加压泵，经管道输送至北峪村秦之泉水厂，输水管道沿泾惠渠总干渠渠堤及旅游路路肩铺设。管线布置为：1#管道由水磨沟机井开始，沿泾惠渠总干渠左岸山坡的防汛路侧向下游铺设至4# 集水井附近；2#管道由4#集水井开始，向北爬坡至防汛路，两条管道在1#管道桩号1+090 处汇合，开始单管沟双管并行铺设。管道沿防汛路、旅游路侧敷设至桩号6+830 处（冀东专线与旅游路交汇处），而后沿总干渠北侧渠堤敷设至桩号6+978（群英桥）跨至总干渠南侧，再沿南侧渠堤敷设至桩号9+193（总干五斗）跨至总干渠北侧，再沿北侧渠堤敷设至桩号10+751（姚家公路桥）跨至总干渠南侧，最后沿渠堤南侧敷设至北峪村南关中环线北的秦之泉水厂桩号13+031 处后与水厂管道连接。管线总平面布置图见图1，水源部分管线布置图见图2。

图1 张家山群泉引水二期工程输水管线总平面布置图

图2 张家山群泉引水二期工程水源部分管线布置图

4.2 管道设计

4.2.1 经济管径确定

参照《薄壁不锈钢管道技术规范》（GB 29038-2012）5.3，管内流速一般按不小于1.0 m/s，最大不超过1.5 m/s 考虑，根据下列公式计算管径：

式中：D 为管段直径，m；Q 为管段流量，m3/s；v 为管内流速，m/s。

经济管径计算结果见表1。由表1 可知，1#管线机井处连通井处选用管径为DN200，连通井至水厂管道选用管径为DN150，2#管线中4#集水井处至水厂选用管径为DN150；排水管选用管径为DN100。管道壁厚选用见表2。

4.2.2 管道水力计算

（1）沿程水头损失按以下公式计算：

式中：hf为管道沿程损失，m；i 为给水管道单位长度水头损失，kPa/m；L 为管道长度，m；C 为海曾- 威廉公式的流速系数，不锈钢管为130；dj为管道计算内径，m；qg为管道设计流量，m3/s。

表1 经济管径计算结果表

表2 管道壁厚选用表

（2）局部水头损失计算

本次管网局部水头损失hj按沿程水头损失的25%计。

输水管道水力计算结果见表3。

4.2.3 管道横断面设计

管线0+000～1+090 段为D219 管道单管铺设，管沟开挖底宽为85 cm，管沟开挖不放坡，为矩形沟槽，管道底部设10 cm砼，管侧和管顶填筑10 cm 素土，其余采用原土回填。

1+090～13+031 段管线位于旅游路肩和泾惠渠渠堤段，项目区管沟为湿陷性黄土，管沟开挖底宽为95 cm，管沟开挖形式为梯形沟槽，开挖边坡为1∶0.2，管沟基底设0.3 m 厚3∶7灰土垫层进行处理。在管线转弯处设置镇墩。

表3 输水管道水力计算表

5 结语

泾阳张家山群泉引水二期工程建设，旨在通过桶装矿泉水生产增加当地经济产值和提高居民生活质量，水是居民生活的命脉，是保障人民生活，发展经济不可缺少的物资基础，区域供水关系到社会的安定、是制约经济发展的重要基础设施。项目的建成，将对项目区的经济发展具有十分重大的意义。