库尔勒石油石化产业园供水工程管材、管径方案比选

贾永生

（深圳市水务规划设计院股份有限公司新疆分公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

库尔勒市石油石化产业园业供水工程位于新疆巴州境内,水源地为库尉水厂,供水方式采用重力流供水,供水对象为石油石化产业园、上库工业园及铁门关双丰工业园区,供水规模近期14.41 万m3/d,远期20.00 万m3/d,属Ⅰ等大（1）型工程。

工程起点位于库尔勒经济技术开发区工业供水工程北环路东口主管道,终点至石油石化产业园工业输水主管线末端清水池,通过园区配水管道进入各供水企业。本输水工程拟新建2 根供水管道,采用双管布设,其中：左线97.00 km,右线96.98 km,合计193.98 km；新建2000 m3减压池1座、管道末端新建3 万m3清水池1 座；新建流量计井8 座、分水阀井14 座、排气井262 座、排水井136 座、连通井25 座；顶管穿路54 处、架空穿渠12 处、底部穿渠220 处、底部穿柏油路56 处。

2 工程地质条件

项目区位属新疆南天山地震带东段,自1927 年至今,共发生里氏5 级以上地震12 次。其地震动峰值加速度为0.20 g,地震反应谱特征周期为0.40 s,抗震烈度为Ⅷ度。管线布置区地层上部主要为第四纪全新世（Q4）素填土及角砾,下部主要为第四纪上更新世（Q3）粉土、中砂、细砂、砾砂及圆砾,管道持力层主要为粉土、粉砂,地基载力特征值fak=100 kPa~160 kPa,承载力可满足设计要求。

管道0+000~至34+500 围绕库尔勒经济技术开发区布设,地面坡度为5%~7%,地质条件较好。桩号34+500 至工程末端沿库铁大道（规划建设道路）进行布置,海拔1100 m~1600 m,表层风化强烈,侵蚀、冲刷、崩塌等物理地质现象较多。桩号31+400至工程末端不同程度可见地下水出漏,且地下水对混凝土和钢筋具中、强腐蚀性,沿线地基场地土对混凝土结构具微-弱-中-强腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋具微-弱-中腐蚀性,对钢结构具微腐蚀性。

3 输水管材初选

在供水工程中,管材的选择是直接影响工程质量、使用年限和工程投资的关键因素［1］。

根据工程规模及现有工程地质条件,本次主要对巴州库尔勒石油石化产业园工业供水工程可行性的管材进行比选,目前适合该工程的管材共6种：焊接钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管、给水用高性能硬聚氯乙烯管PVC-UH管道、PCCP管道和PE管道。本文通过对管道的综合性能指标、工程应用实际优缺点和管材造价进行综合比选。

3.1 管道综合性能指标比选

从管道理化性能、安装维护及发生事故后危害性等方面进行分析,对管材进行逐项比选。考虑项目区土壤、地下水腐蚀性较强,而PCCP管道在该环境下,安全可靠性偏低,本次不建议使用。PE管材由于加工工艺限制,生产大管径较困难、且壁厚较厚、造价极高,本次不予推荐。本次只对焊接钢管（SP）、球墨铸铁管道（DIP）、玻璃钢夹砂管道（FRPM）及PVC-UH管道进行比选,比选情况见表1。

表1 管材综合性能比选

从管道综合性能比选结果看：钢管＞球墨铸铁管＞玻璃钢管＞PVC-UH管道。

3.2 工程实际应用优缺点

3.2.1焊接钢管（SP）

钢管是生产工艺相对成熟的一种管材,型式灵活多样,应用广泛。其防渗性能好、抗外压能力强,整体性较好,安装运输方便,可架空布设。但防腐性能较差,施工安装焊接耗时长,连接完成后需进行焊缝检测、人工防腐,费用较高,人为因素影响较大。

3.2.2球墨铸铁管（DIP）

球墨铸铁是由铁、碳、硅构成的合金。管材外壁喷涂沥青或其他防腐材料,内壁用水泥砂浆衬里,接口为柔性接口,拆装方便［1］,因此该管材防腐性好、耐久性较好、防渗性能好。但只有少数厂家能生产大口径管道（管道管径通常为DN≤1400 mm）,造价较高,其接头采用承插式,整体性相对较差、且管道自重大,对地基要求较高,施工安装较困难。

3.2.3玻璃钢夹砂管（FRPM）

玻璃夹砂管单根管长度较长（一般可达12 m）,接头少,安装方便。管道无需防腐,糟率小,水头损失小,重量较小,但管道抗外压一般,施工质量难控制、管道运输过程易损坏,接头漏水多见。管身爆管常见,抢修复杂,事故影响重大,变形破坏严重影响管道使用寿命,且管道自身安全性随时间下降严重。

3.2.4硬聚氯乙烯管（PVC-UH）

适用于管径DN400 mm~DN1200 mm的输水工程。管材防渗性能较好,具有良好的耐腐蚀性能,无需防腐,不受潮湿水分和土壤酸碱盐的影响,不导电,对电解质不敏感。管道铺设不需进行任何防腐处理,内壁光滑,糟率小,水头损失小,卫生性能好,整体性相对较好,施工维护简单,施工进度较快。但管道抗外压较差,抗内压等级最大1.6 MPa,管径越大,管材压力等级越低。

结合管材在工程中应用实际,对主要优缺点进行分析,综合比选结果：球墨铸铁管＞钢管＞PVC-UH管＞玻璃钢管。

3.3 管道综合造价比选

按照市场调研及厂家给出最新报价,对管道进行综合单价分析,主要包括管材价格、运费（100 km）、安装费、阴极保护及地基处理进行综合比选,具体比选结果见表2。

表2 不同管材DN1200综合价格对比表

钢管与球墨铸铁管道具有良好材料性能,但两者自重较大,相应运费较高,考虑现状工程土壤及地下水具有较强腐蚀性,钢管需进行阴极保护,安装费用较高。本工程设计工作压力1.0 MPa,该规格下的球墨铸铁管设计富余量较多,较大自重,会导致工程造价偏高,直接影响后期水价。

玻璃钢管在造价与材料性能均适合本工程的使用条件,但受限于制造标准（敷层设计）独立于结构设计标准,管材质量很难把控。据工程经验统计,玻璃钢管道的事故率远大于其它管材。若能保证玻璃钢管的敷层设计能满足相关设计要求,并保证其制造工艺完全符合相应标准,玻璃钢管可作为本工程最佳管材。

PVC-UH管道具备优良的抗腐蚀和力学性能,施工快,后期维护简单,但该管道为化学材料,抗内外压性能有限,设计富余量较小,同比钢管和球墨铸铁管需增加较多的安全防护措施。考虑到业主单位为原材料和管材的制造方,管道成本及质量可得到有效把控,具有良好经济性。

通过以上管材综合性能比选,4种管材均能满足本项目供水需求,就工程应用的广泛性而言,优先推荐钢管和球墨铸铁管为主要管材,但是从经济性考虑,玻璃钢管材具有较大的优势,工程投资优化空间较大,而PVC-UH管道具有良好的质量保证,故本次设计在符合规程规范要求的前提下,管道设计压力小于1MPa使用PVC-UH管道作为本工程输水管道的管材,管道设计压力大于1MPa,选用钢管作为本工程输水管道的管材。

4 输水管径方案及减压池位置选择

由于工程管段总体落差较小,局部落差较大,管径选取主要考虑水头损失,管材承压等级情况,需保证管道末端清水池有一定富余水头,且要考虑远期供水规模预留部分富余管径。根据现状管线地形落差及管道水头损失,初步计算管道管径。

管径根据下式计算：

式中：d为管道的计算内径,mm；Q为管道的计算流量,m3/s；V为管道内水的经济流速,取1.0m/s。

本次采用单根输水管道供水规模为7.2万m3/d进行计算,通过选用不同管径组合以及调整减压池位置高程,进行水力计算,根据不同桩号段的压力分区选取不同管材。通过组合选择五种方案进行比选分析,具体比选结果见表3。

表3 不同管径、减压池位置比选表

方案一：单根97 km不设置减压池,均选择PVC-UH管道De1000- 1.25 MPa。通过水力计算,重力流情况下管道末端自由水头为-31.79 m,需增设加压泵站,后期运行费用较高。

方案二：桩号5+350 处（地面高程982 m）设置减压池,选择PVC-UH管道De1000-1.25 MPa、De1200-1.0 MPa以及DN1200 钢管组合。管道前20 km全部采用PVC-UH De1000-1.25 MPa,后段采用De1200-1.0 MPa和DN1200 钢管组合方案,末端自由水头为1.88 m,但后段压力超过1.0 MPa管段较多,均需更换为钢管,管材投资增大。

方案三：桩号5+350 处（地面高程982 m）设置减压池,选择PVC-UH管道De1200-1.0 MPa 和DN1200 钢管组合。在方案二的基础上,将管径全部采用De1200-1.0 MPa,水头损失小,沿线自由水头较大,导致后段压力超过1.0 MPa管段较多,均需更换为钢管,管材投资增大。

方案四：桩号6+250 处（地面高程973 m）设置减压池,选择PVC-UH管道De1200-1.0 MPa 和DN1200钢管组合。在方案三的基础上,将减压池位置进行下调,地面高程降低,后段压力超过1.0 MPa管段相应减少,更换钢管的长度可相应减少。

方案五（推荐）：桩号6+650 处（地面高程966 m）设置减压池,选择PVC-UH管道De1200-1.0 MPa和DN1200 钢管组合。在方案四的基础上,将减压池位置再进行下调,找到最为合理的高程,即保证末端自由水头,又可以大大减少后段压力超过1.0 MPa管段长度,将更换钢管的长度减为最少。

5 结论及建议

方案一需增设加压泵站,后期运行费用较高,不采用该方案；方案二和方案三在相同减压池位置情况下,多采用PVC-UH De1000-1.25 MPa,投资相对较低；方案三至方案五,管道均采用PVC-UH De1200-1.0 MPa和DN1200 钢管,在调整减压池位置情况下,方案五更换钢管长度较少,投资较低；方案二和方案五主要区别在于更换钢管长度和PVC-UH De1000-1.25 MPa长度不同,减压池位置不同,方案二投资较方案五增加297.31 万元,综合比较方案五最为合理,而且考虑远期供水规模20 万m3/d,本设计管径留有一定富余,可通过加压措施（扬程不高）达到远期供水规模。故本设计推荐方案五,桩号6+650 处（地面高程966 m）设置一座减压池,选择PVC-UH管道De1200-1.0 MPa和DN1200 钢管组合。