中国超级输水钢管的创新点及其实践(上)

中国超级输水钢管的创新及其实践（上）创新篇—挑战球铁管上海原水股份公司沈之基摘要：滑入式柔性接口、牺牲阳极保护技术、水泥砂浆防腐涂层、柔性管管厚设计，这4项成熟的老技术，给一些新元素后着陆输水钢管，发力了新的功能，由此导致钢管线爆裂的主要原因—现场对接焊缝、制约钢管寿命的电蚀及腐蚀运动，都能很彻底地被排除，钢材的优秀性能也因此被充分发挥，一种性能特优、成本特低的新型输水钢管就自然地被发明，这就是中国超级输水钢管。关键词：滑入式柔性接口；牺牲阳极保护技术；水泥砂浆防腐涂层；柔性管管厚设计；超级输水钢管。Abstract:Push-inslipjoint，sacrificialanodeprotection，cementmortarlining，flexiblethicknessdesignofpipeare4matureandproventechniques.Thesetechniquescombinedwithnewelementsareputintowatermainandboostnewfunction.Thistechniquerevolutionresultseliminationofthefactorofsteelpipelinecrack,suchasfeldebuttjointseam,electrolyticcorrosionthatreducesteelpipeservicelife.Thereforethecharacterofsteelisfullyplayedto,anewtypeofwatermainofextraordinaryperformance,andlowcostisinvented:Chinesesupremewatersupplysteelpipe.0.前言上世纪八、九十年代，中国许多大城市进入了从远处优质水源地引水的发展时期，很多长距离引水管线，管材比选后最终采用钢管；大口径输水钢管线的现场连接是在沟槽条件下的对接焊接，因现场条件复杂多变，总有一部分接口，因为难以为焊工提供必要的安全操作空间时间，结果焊缝存在或隐藏缺陷，许多管线投入运行不久就发生焊缝开裂，爆管事故；考虑到球铁管、混凝土压力管都采用柔性接口，运行安全可靠，特别是管体品质相对较低的混凝土压力管，在中国的多次大地震中，因为采用柔性接口，仍有较金属管还要好的表现，国人就形成了输水钢管也应该采用柔性接口的思路，以输水钢管成品化的理念提出并进入技术攻关，在2003年成功试制出DN2400滑入式柔性接口（1.2）；2004～2006年，上海建设一条DN2400钢管线，试用并应用柔性接口的条件形成，但因为一些中国潜规则，结果了采用性能较低扩胀成型滚入式柔性接口，150个接口有60多个接口漏水，造成了中国供水事业上少有的大事故（3）；事故责任者为隐蔽事故，拒绝事故总结，并封杀钢管滑入式柔性接口技术发展机会；2006年，美国一个信息传到中国：2004年，美国一个以水管为主打产品的钢管公司推出了系列产品“supermail”，国人将钢管成品化理念同它对照，两者方向一致，而且中国可以做得比美国的“supermail”还好一点点；美国“supermail”是超级钢管的意思，中国既然有能力做得出美国水平钢管而且到还可以好一点点，那么中国就应该由此开始，将成品化理念提升为中国超级输水钢管的创新理念。中国超级输水钢管，是一个学习和赶超美国新世纪新产品的项目；中国超级输水钢管，具有球铁管的全部优点而失去了它的最大缺点---用材料多、价格高，所以也是一个球铁管升级的项目。1.中国超级输水钢管滑入式柔性接口、牺牲阳极保护技术、水泥砂浆防腐涂层、柔性管管厚设计，这4项技术，在生产实践的许多领域中，特别是在埋地输送管线领域，都已经有一定程度的应用，是非常成熟的老技术；从众多的成熟老技术中选上这4项技术，给一些抗排异或耦合元素后移植上输水钢管，这些技术着地后重新组合，互补效应得到展开，发力了新的功能，由此导致钢管线爆裂的主要原因—现场焊缝、制约钢管寿命的电蚀及腐蚀运动，都被很彻底地排除，钢材的高强度、高韧性这些优秀性能也因此被充分发挥，一种安全性更高、寿命更长、施工更方便、用材料更经济、成本特别低的新型输水钢管就自然地被发明，这就是中国超级输水钢管。2.滑入式柔性接口2.1滑入式柔性接口对超级钢管的贡献目前，在中国目前应用最多的埋地输水管材，球铁管、塑料管（大口径PVC管）、玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP），全都采用滑入式柔性接口连接；滑入式接口性能可靠，施工方便，价格低廉，是对输水管材贡献最大的一项成功技术，没有滑入式接口就没有今天的输水管材。中国目前只有钢管线还采用对接焊接；在发达国家，如美国，埋设输水钢管线的首选连接，也已经进入了柔性接口时期，对接焊接已是高成本接口，只在苛刻工况下应用（钢管壁厚19毫米以上或管线工作压力2.8Mpa以上）；输水钢管要有发展，就一定要认识滑入式接口，接受滑入式接口；美国最新推出的超级输水钢管就采用滑入式接口，滑入式柔性接口技术是超级输水钢管的最重要技术支持，没有它就没有超级输水钢管。2.1.1采用滑入式柔性接口，就不再需要现场对接焊焊接操作，完全彻底地消除了现场对接焊缝，使输水钢管线爆裂事故的最主要原因得以彻底排除；2.1.2滑入式柔性接口改变了钢管线的电气模式，再不是长长的金属导线，成了一条金属碎片，非常彻底地排除了钢管线成为杂散电流回路的机会，消除了管线的电蚀破坏；它还使可能发生的腐蚀电池的最大阴极区，限制在一根管子的范围内，这样的腐蚀电池强度较低，可以很方便、又非常可靠地被完全控制；世界闻名的球铁管公司对钢和铸铁的腐蚀特性做了大量试验，结果是在蒸馏水、自来水中，钢和铸铁的腐蚀速度是非常接近的，在海水中，钢的腐蚀速度大约是铸铁的一倍（3），一个生产铸铁管的著名公司提出这样的试验结果，应该是可以认可的；由此可以做这样的推断：在土壤中，钢的腐蚀速度应不会高于铸铁的一倍；现在埋设钢管线腐蚀穿孔的速度这样厉害，主要是因为钢管线的电气模式造成的，是钢管线可以成为杂散电流回路，是钢管线可以形成宏腐蚀电池；当柔性接口改变了钢管线的电气模式，钢管线的腐蚀特性将是一个新的面貌，将可以有同铸铁管线相近的腐蚀速度，不再会有几年就发生腐蚀穿孔的行为。2.1.3滑入式柔性接口技术改变了钢管线的力学模式，不再是细长的连续梁，而是由几十个、几百个或更多个可以相对转动环节构成的柔性长链，钢管线因环境温度变化引起的纵向伸缩应力、不均匀沉降引起的纵向弯曲应力，可以完全释放；某个钢管公司在向外推广柔性接口的文件中有这样的说法：根据“国家规范”计算管壁厚度，柔性接口钢管可以比刚性（焊接）连接钢管减薄管壁厚度25%以上。2.1.4滑入式柔性接口改变钢管线的施工模式，使钢管线施工成为较球铁管施工还要方便、有效的施工；滑入式柔性接口钢管，只要插口对准承口后，将插口推入承口，就完成管线的连接；这样的超级输水钢管，单位长度重量是球铁管的一半，施工配备的吊装、运输设备可以较球铁管小一个档次，能以较球铁管更短的时间完成施工，钢管线将成为施工成本最低、施工工期最短的管线。2.2滑入式柔性接口发展与制约滑入式柔性接口技术是从铸铁管接口开始并发展的；铸铁适合浇注，能形成形状尺寸合适的环形沟槽放置胶圈，支持滑入式柔性接口的发展，目前DN2000的球铁管也可以采用滑入式柔性接口；铸铁浇注的制品，有较大的尺寸公差，管口径越大尺寸精度就越难控制，这又限制了滑入式接口的发展，所以更大口径的球铁管没有能发展采用滑入式柔性接口；DN2000滑入式接口球铁管插口公差是＋2.0毫米－4.0毫米（球铁管其他形式柔性接口，这个档次口径的插口公差要求相对较低，为＋4.0毫米－5毫米），此时胶圈的宽度已达到85毫米，压缩部厚度达到49毫米；口径更大的球铁管尺寸公差无法控制到＋2.0毫米－4.0毫米，就没有能采用滑入式接口技术。2.3钢管滑入式接口的关键钢管采用滑入式接口需要解决的关键问题,是如何制作出性能可靠、制作成本又非常经济的滑入式接口；输水钢管是由钢板滚圆、焊接制成的，要在其端部作出形状尺寸合适的胶圈沟槽是有相当难度的；在钢管滑入式接口开发中，先行者曾采用在钢结构工厂中，先预制承口或插口，之后再焊接在钢管端部的方法，也有工程师提出钢管端部采用中频加热后再造型的方法；这些方法麻烦且费用高，没有能发展到生产应用，钢管要发展滑入式接口，必须能够找到制作方便、费用低廉、性能又可靠的滑入式接口技术。2.4创新点对接口的线型优化，在确保可靠密封的前提下，使线型尽可能地平缓、简单，达到在常温条件下，就可以在钢管端部，用辗轧、挤压或者用焊接钢筋的等等高效率且不损耗材料的经济方法，形成一个或多个放置橡胶密封圈的环形沟槽，这就是超级输水钢管核心技术。2.5有较球铁管柔性接口更高的能力优化的线型、合适的制作技术，使钢管柔性接口，能够较球铁管柔性接口有更高的尺寸精度，可以适用更大口径，接口使用的材料更少；辗轧成型，模块定型的制作技术，可以使DN2400这样大口径的钢管承插口的尺寸精度达到±1.0毫米，为采用滑入式接口提供了必要条件；2003年，上海原水公司、上海隧道公司合作，采用轧成型，模块定型的制作技术，完成了DN2400瓮型承口的Y型滑入式接口的生产级制作试验和泵压试验，这是到目前为止国内外文献报道中，口径最大的、性能可靠并达到生产应用程度的钢管柔性接口（4）。下图就是试验接口的示意图。3.牺牲阳极保护技术的单元化阴极保护是埋地金属管线必须采用的技术，其中牺牲阳极保护得到广泛且成功应用，但目前的“阳极组---填充包---连接电缆”应用模式还是存在可以改进之处的。3.1创新点所谓牺牲阳极单元化，就是每根管子在工厂制作过程中就安装上一个或多个牺牲阳极，将目前牺牲阳极的“阳极组---填充包---连接电缆”这样应用模式，给予简单化。单元化模式实际上是最原始电化学保护模式，铁制大海船在船壳上安装几个锌块，防止海水对船壳的腐蚀，电化学保护技术就是从这里开始的；埋地金属管线的电化学保护，从“阳极组---填充包---连接电缆”返回到这样的最原始应用模式，不能看成仅仅是简单化，这是充分认识埋地输水钢管腐蚀特性基础上的一种量身裁衣的精心设计；3.2单元化模式的优势单元化模式，较目前常用模式，有保护充分及时、系统安全可靠、实施方便经济等优势。单元化模式，每个阳极的保护范围只是一根管子，被保护管子外壁任何点离阳极最远距离，不会多于半个管长，保护强度就非常充分；原来的阳极组模式，通常一个阳极组可保护钢管一百米上下，被保护管外壁离阳极较远处可达50米上下，较远处保护强度就较低，运行中甚至有可能出现保护强度不达到标准；单元化模式，管子只要下到沟槽，阴极保护机制就及时启动；管外防腐层上任何微小的、难以被发现的缺陷，在运输、吊放操作中产生的微小损伤，这些微小缺陷、损伤就会及时得到保护；阳极组模式要在管线埋设之后才能安装，通常保护启动总要滞后一段时间；单元化模式，阳极紧密地附在管上，随管子一同深埋地下，不会出现因连接电缆中断，阳极被挖走等等的导致保护失效的损害，系统运行极其安全可靠；单元化模式，不需要阳极组选点、埋设、电缆连接等等野外工作，阳极安装在工厂条件进行，可以采用高效经济的安装方法，实施较野外操作方便经济得多。3.3牺牲阳极单元化与外防腐层的互补效应如果钢管外防腐层质量是达到标准的，加上牺牲阳极单元化技术，二者相互支持，那么输水钢管的外防腐就可以得到完美的境界。4.聚合物水泥砂浆组合内防腐层实践表明，水泥砂浆内防腐层是金属输水管线（球铁管、钢管）最好的内防腐层，超级输水钢管应该有最好的水泥砂浆防腐层设计。4.1创新点所谓聚合物水泥砂浆组合内防腐层，就是低聚合物水泥砂浆的基础层和高聚合物水泥砂浆表面层组合成的内防腐层。聚合物水泥砂浆技术在建筑防水上应用已经非常之多，但在金属水管内防腐上组合应用，中国目前未有报道。4.2水泥砂浆防腐层现状目前虽然种种高品质的合成树脂防腐层已开发应用，但对于输水钢管的内防腐