浅谈球墨铸管在大口径输水管材应用中的优异特性

1浅谈球墨铸管在大口径输水管材中的优异特性李晓明、白占顺、王宁、殷乾新兴铸管股份有限公司市场开发处摘要：随着国家水利建设的不断提速，大型调水管网项目不断增多，PCCP管、钢管和球墨铸管均在全国各地得到广泛使用，特别是球墨铸管大口径管道的在大工程应用中的崛起，引起众多施工单位和业主的关注，但是目前对于各个管材对比仍处于仁者见仁、智者见智，缺少系统的全面的比较资料，为此，本文就球墨铸管与PCCP管、钢管的接口特点、管材的外防腐特点、施工便捷性、管道后期维护等多个方面进行了系统的比较和分析，体现出在球墨铸管在大口径输水管道应用中的优异性。关键词：球墨铸管PCCP管钢管柔性接口刚性接口地基不均匀沉降主动防腐被动防腐改造和抢修全寿命周期ABSTRACT：Withthenationalwaterconservancyconstructionspeed,large-scaletransferprojectincreasingwatersupplynetwork,PCCPpipe,steelandductileironpipearewidelyusedthroughoutthecountry,especiallytheapplicationofengineeringductileironpipeoflargediameterpipeintherise,causingmanyconstructionunitsandownersoftheattention,butnowthepipecontrasteachstillintheeyesofthebeholder,thewiseseewisdom,thelackofsystematicandcomprehensivecomparisonofdata,thispaperonductileironpipeandPCCPpipe,theinterfacecharacteristicsofthesteelpipe,pipevariousaspectsofexternalcorrosionfeatures,easeofconstruction,pipingpost-maintenancecomparedandanalysissystem,reflectinginductileironpipeinlargediameterpipelineapplicationexcellence.Keywords:ductileironpipePCCPpipesteelpipeflexibleinterfacerigidinterfacesunevenfoundationsettlementactivecorrosionpassivepreservationrenovationandrepairthewholelifecycle1前言近几年国家大口径、长距离输水管线的增多，PCCP、球墨铸管和钢管在全国各地得到广泛的使用，随着国家对于管材质量及输水管线安全的重视度，和项目质量终身追责制度的实施，业主也提高了对管线施工及后期维护的关注，逐步转向对输水管材整生命周期成本的比较。下面就大口径球墨铸管、PCCP管和钢管整体优劣指标进行简要对比，供相关业主或单位参考。2管材的接口安全性我国建设部行业标准（CJJ92-2002城市供水管网漏损控制及评定标准)规定：“新敷管道接口应采用橡胶圈密封的柔性接口”。但不同形式的柔性接口适应不均匀沉降的能力是不同的。22.1球墨铸管T型滑入式接口①T型胶圈含硬胶支撑部分和软胶密封部分，胶圈预先置于承口内，承口外端部同插口有很精密的配合,胶圈断面尺寸较大，承口较深，可以在各种不利条件叠加下仍保证胶圈处于受压反弹状态；DN1600～2600接口的允许转角均在2.0度以上，因此对不均匀沉降和高内压有极好的适应能力。2.2PCCP的插口槽滑入式接口②构造机制为插口端作了一条沟槽,胶圈置于插口上的沟槽内，安装时胶圈随沟槽进入承口深处。建材行业标准GB5695-94和CJ625-1996规定DN1600～2000的允许转角为0.5-1度，较球管接口偏转角度缩少了一倍，且插入深度也比球管小，适应不均匀沉降能力较低，这种柔性接口如在软土地基使用，管基必须处理，所以，有报告将这种接口归为半柔性接口。2.3钢管的焊接接口钢管具有延伸性能好，不易破碎的优点，但也有不可避免的缺点。分析:①焊接工作费时费力（定心、焊接、X射线检查、涂漆），需要高度熟练的技术工人；②焊接受自然气象条件影响：雨天无法施工；③施工费用昂贵：按一九八九年市政工程国家预算定额计算，钢管的施工费用是球铁管施工费的三倍。④接口为钢性、无挠度，为适应地基沉降，增设了大量的钢制伸缩节，一方面增加了钢管管线的整体成本，另一方面钢制伸缩器的质量问题，多数水司均已心知肚明，一言难尽。我国建设部行业标准（CJJ92-2002）规定中，钢管焊接接口已经不再是推荐接口类型。2.4管材漏水率统计从世界各国统计的资料显示，供水管线无论是正常运行工况还是地震等特殊情况下的统计数据都显示出，球铁管线的接口泄漏率都远低于其它管材。3管材的抗腐蚀性3.1球墨铸管的锌+外防腐涂层方案评价（1）球墨铸铁材料的耐腐蚀性强于碳钢材料，平均腐蚀速率是该管的1/2~1/3。3浸入时间90天180天360天90天180天360天球铁管2416.113.20.1220.0810.066钢管30.221.727.30.140.0970.13试验用管材不同浸入时间腐蚀量Mg/dm2/天mm/年海水中试验对比管材钢管球墨铸管性能10—20mΩ/cm350—70mΩ/cm3钢管与球铁管的电阻比较（2）锌层优异的主动防腐特锌层防腐原理：①电化学保护：锌氧之间的电位差较大，更易形成原电池，从而将铸铁管壁得到保护；②形成稳定的保护层：与土壤接触过程中，金属锌缓慢的转变成不可溶解的锌盐，紧紧的粘结在管壁上，形成一层致密连续的、不可溶解的、不可渗透的保护膜；③锌层损伤自我愈合性能：在管道运输或安装过程中，可能会发生局部损伤。锌在原电池的作用下迅速转变成锌离子。锌离子通过终饰密封层毛孔的作用迁移并覆盖损伤部位，形成稳定的、不可溶解的保护膜。(b)喷锌试样伤处的形貌演变球墨铸管一般采用锌+环氧树脂漆的防腐模式，锌+沥青防腐能力还反映在两者相互间的作用上：给管道与外界筑起了一道完整的保护屏障，产生了完美的防护效果3.2PCCP的水泥外防腐及钢筋的电化学腐蚀PCCP管是带钢筒（钢筒的厚度约1.5mm～2.0mm左右）的混凝土管芯上缠绕一层或二层环向预应力钢丝，并用水泥砂浆保护层而制成的管子。PCCP管能够即经济又耐腐蚀，是因为采用高强度钢丝和预应力技术，大大节约了钢材取得经济性，但PCCP管的保护层是管芯、钢丝在无压状态下形成的，运行时，高内压会使管道有小小的膨胀，膨胀有将保护层胀裂的倾向，进而形成裂缝且无法避开。“美国PCCP管失效“及阿美隆公司和普赖斯兄弟公司的停产关闭，足以说明其问题的严重性。近半年来，虽然国内多数PCCP管线建设中增加了阴极保护技术，但由于时间太短，具体效果尚有待时间来进行考证。3.3钢管的多种外防腐涂层评价钢管最为普遍防腐措施主要有三种，即：三油两布、3PE、静电喷涂。(1)三油两布：此工艺关键点在于钢管的前期除锈问题，在南方潮湿多雨地区，钢管裸露在野外极容易生锈，而简单的人工操作，很难将锈蚀清理干净，残留在管壁上的少量锈蚀，会在涂层与钢管之间继续发酵，进而造成涂层鼓起或离层，失去防腐作用。此类防腐钢管一般在3-5年之后，就会逐步增多腐蚀漏水事故。（2）3PE防腐层或静电喷塑防腐涂层：实事求是的讲这两种涂层PipeRupture4均具有优良的防腐性能，特别是外喷塑，客服了3PE耐候性差的缺点。但两种工艺设备流程均涉及到了预热炉、抛机等设备，需将钢管预热到一定的温度，采用喷砂方式进行精细除锈，在一定的温度条件下进行喷涂固化。实际情况是施工现场要到达管材喷涂固化前的精细除锈和预热等条件非常困难。另：以上的钢管防腐层均属于被动防腐措施，一旦防腐涂层在施工、运输或安装中出现损坏，会在已破坏的涂层处对钢管失去防腐作用，从而造成钢管的锈蚀或电化学腐蚀，故在钢管管道中必须增加阴极保护措施。4管材的施工速度和便捷性4.1球墨铸管采用胶圈密封T型柔性接口，很好的适应了管道地基的不均匀沉降；管身外防腐采用主动防腐（锌）和被动防腐（环氧树脂漆）相结合的防腐模式，能很好的抵抗外部土壤腐蚀；滑入式承插连接，安装快速便捷；对管道基坑基础要求简单，可以实现原土回填和即时开挖、回填作业，不易受外部天气影响；球墨铸管可切割性，保障了管道实际安装的长度调整需要：球墨铸管管件配套种类齐全，完全可以满足各种管道设计的需要，有效的保障了整个管道安装的快捷和安全。4.2PCCP管PCCP管接口偏转角度较小，且管身较重，必须对管道基坑采用坚固的加固处理；为防止管道预应力加强钢筋的腐蚀，造成管道破裂或爆管（如：利比亚人工河工程），需要对管道采用阴极保护措施，定期进行检查或更换；PCCP管现场无法切割，且管件制作困难，质量稳定性差，对于不足定尺部分或支管、弯道等均需要采用钢制管道、管件进行弥补，无法保障整个管道的材质统一和安装快捷性，涉及多种类接口频繁转换，接口安全性进一步降低。4.3钢管钢管通常选用Q235钢钢板制作，管材及管件易加工，采用焊接刚性连接，管道整体具有较强的刚性，特别适合高空架设管道的铺设；但用于地埋管道铺设时，管道基坑的不均匀沉5降要求就会与钢管管道整体刚性要求相矛盾。同时施工采用焊接连接，极易受到天气影响施工进度；且地埋管道基坑的地质环境差、外围土壤腐蚀性环境复杂，管道防腐涂层检测或监管困难，一旦发生管道防腐涂层破碎破碎，很难及时采取补救措施，一般需要在已经造成管道腐蚀漏水或管道破裂厚，才能被发现和抢修。5管道的改造或抢修5.1球墨铸管球墨铸管具有较高的刚性，管道配套管件种类齐全。采用哈夫节对破损管道抢修时不需要完全停水，可以实现带水作业：若管道抢修配件、闸阀与管道带压开孔设备配套使用，还可以实现带压管道的支管增设改造作业，非常适宜我国的城镇快速发展需要。常用规格配件各地的钢材市场几乎均有销售，非常容易采购，特大口径管道市场还不常见，需要通过与管道厂家采购，少量备货得到弥补。5.2PCCP管PCCP管不具备切割特性，无法进行带水作业；管道一旦发生破损，需要完全停水，且抢修周期很长，不能适应管道快捷抢修要求。5.3钢管钢制管材可以任意切割和焊接，现场制作抢修配件，对管道破损处进行焊补作业，但采用焊接方式对管道进行修补时，需要管道完全停水且管道进行干燥处理，否则修补的质量很难保证。同时钢制管道也可以采用哈夫节（或钢制抱箍）对管道进行抢修（与球墨铸管相同）。6管道的后期维护费用对比离心球墨铸管本身具有较高的内外防腐措施，且采用胶圈密封，克服了长距离电化学腐蚀，使用寿命可达70～100年，是钢管的3～5倍。后期维护费用接近于零；钢管和PCCP管：钢管和PCCP管均需要采用阴极保护措施，特别是长距离、复杂地形埋设的管道，需要设专人定期进行检测和监控，管道后期运行中，需要不断的人力和物力的投入，来确保管线的安全运行。7管道的综合造价对比（或管道生命周期造价对比）6对比以上数据，DN1200-1600球墨铸管与PCCP管、钢管综合造价对比具有明显的经济和质量优势：DN1800-2000规格虽然整体造价略贵，但考虑大口径供水管线均属于城市的主供水管线，安全保障的非常重要，且多处于远郊复杂地形区域，后期运行监管和检测实施时非常困难，一旦出现管网爆管事件都会对该城市的供水保障带来灾难性的的后果，故建议使用单位仍然优先考虑选用球墨铸管。参考文献[1]沈之基《中国输水钢管柔性接口必须尽快予以规范》《西南给排水》2012年第1期[2]郑小明、沈之基《美国PCCP管的失效及对中国给水管道应用的警示》《水利规划和设计》2015年第三期（总137期）[3]《离心球墨铸铁管生产和应用情况》中国铸造协会铸管及管件分会(2011.4.1)[4]胡