长距离输水工程管材性能分析研究

姚园园

（山西省漳河水利工程建设管理局，山西 长治 046000）

长距离输水工程管材性能分析研究

姚园园

（山西省漳河水利工程建设管理局，山西 长治 046000）

长距离的输水工程管材的投资比例，占总投资的55%～75%。考虑输水线路、管线附属建筑物、泵站位置等影响因素，对常用PCP、PCCP、DIP、FRPM、SP等5种管材，根据其特性和优缺点，论证每种管材的适用条件，选择适合改扩建输水工程的管材。

输水工程；管材；性能分析

随着我国工业用水、农业用水、饮用水的需求量不断增加，长距离输水工程在全国范围内大批兴建。在长距离输水工程中，管材投资比例可占总投资的55%～75%。输水线路、管线附属建筑物、泵站位置等因素，影响管道材质的选择。输水工程中经常使用的管道材料有预应力钢筋混凝土管（PCP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、球墨铸铁管（DIP）、玻璃钢管（FRPM）、钢管（SP）等。

1 管材

我国在50年代使用PCP管较多，其缺点是生产工序多，易产生次品，使用过程中易出现质量问题，如爆管、渗漏等，维修难度大，现已很少使用。PCCP管已有70多年的应用历史，具有经济性能高、寿命长、抗震性好、运行维护费用较低、安装方便、适用范围广等特点。由于钢材造价较高，长距离输水管道一般不采用SP管，工程中使用SP管应注意防腐。DIP管身比PCCP轻，连接方便，但配件缺乏，如果由灰口铸铁管件代替，则影响管线质量；此外，随着管径增大，价格升幅比例过大，DN 800以下的DIP管道性价比较高。FRPM管管身较轻、强度高、耐腐蚀，运输、安装、连接方便，但价格较高，刚性低，对沟槽的开挖回填标准要求高。

2 管材特性

辛安泉改扩建工程供水对象为城乡居民生活、工业和灌溉。项目线路较长、工压高、管径较大、保证率要求高，对工程管材的安全性、抗外环境不利因素性能、耐久性等设计标准均高。综合比较5种管材，分析每种管材的使用特性。

2.1 SP（钢管）特性

可设计性强。可根据钢管环向强度、弹性模量等数据，准确计算出承受的内水压力和管顶外荷条件，继而依据钢管的刚度、强度，计算出准确的管壁厚度。

使用寿命长。将管道内、外壁按规范要求进行除锈和防腐处理，对长距离输水管线辅以电化学保护，会极大增加钢管的使用寿命，提高工程的经济效益。

基础适应性强，无需做多余的基础处理。

接口采用焊接，较其他管件相比防渗性、对抗沉降性更好。

钢管可以根据设计的布置图要求，制作出准确的弯头及配件，便于施工安装。

2.2 DIP（球墨铸铁管）特性

球墨铸铁是铁、碳、硅合金，球墨铸铁管主要特点，具有较高的承压能力；通过水泥砂浆做内防腐，喷锌和煤沥青防腐漆做外防腐，球墨铸铁管具有良好的防腐性能；密封性好；接口为柔性，抗震性能高；大管径球墨铸铁管价格较高，一般使用的管径范围为DN 100～DN 2200。

2.3 FRPM（玻璃钢管）特性

玻璃纤维增强塑料夹砂管简称玻璃钢管，根据制作方法不同分为玻璃长纤维缠绕夹砂和玻璃短纤维离心浇铸加砂。

玻璃钢夹砂薄壁弹性管，其外压承受能力较差，所以在设计过程中主要以环刚度作为控制指标，埋地管环刚度采用5～7.5 kN/m，特殊地段（穿越公路等）需采用10 kN/m。

特点是内壁光滑，过水性较好；承受内压一般，适用性受限；不需做防腐层；重量轻，施工吊装、运输方便。

接口处理方法为采用承插口，承插口上安装橡胶圈止水，抗震性能较好。管道配件生产能力差，周期长，不利于大型工程及工期有要求的工程使用。

施工要求高，基础压实度要求高（一般在95%以上），质检要求高，对工程质量依赖性较大，使工程费用大幅提高，不利于降低成本。

虽国内制造厂已具备大口径（DN 1600～DN 3000）的生产能力，实际工程应用以中、小口径为主，缺乏大口径管道的使用经验。

2.4 PCCP（预应力钢筒混凝土管）特性

预应力钢筒混凝土管，由内部嵌置钢筒、缠绕在管芯上的环向预应力高强钢丝、外部施喷水泥砂浆层、内部混凝土层构成，特点是管径范围广（DN 800～DN 4000），抗渗能力好；承受内、外压较高；耐腐蚀性能好，除接口处一般不需作内外壁防腐处理，寿命长。

采用承插口连接，可采用单、双橡胶圈止水，密封性能高，接口带有试压孔，双胶圈止水安装后可逐一接头试压。重量大，运输成本及吊装成本较高。配件（弯头、排水三通、排气三通）采用钢制配件，需进行防腐处理。

对软土地基，需做管道基础，工程造价和维护费用较低。

2.5 PCP（预应力钢筋砼管）

预应力钢筋砼管，采用承插式胶圈柔性接口，适应各种地质条件下的地基，施工安装便捷，防腐能力较强，不需要做内外防腐，工程投资较少。缺点是承插接口的加工精度无法保证，渗漏较严重；重量较重，运输不方便，输水安全性能低。

3 管材比选

根据工程实际管径和工压情况，选取五种规格管材进行造价比较。

3.1 性能比选

依据管材的糙率、输水能力、抗内压、抗外荷载、抗腐性、密封性等特性，对5种管材分析比较（见表1）。

比较可知，钢管的抗外荷载性能差，玻璃钢管、预应力钢筋砼管的抗外荷载性较差。辛安泉供水改扩建工程的管道施工均是地下埋设，施工环境复杂，需承受较高的内、外压，不适于使用以上3种管材，预应力钢筒混凝土管与球墨铸铁管的各项性能符合本工程的需求。

3.2 造价比选

管道的材料不同，造价相差较大，本工程是长距离输水管线，管道投资占总投资比重较大，需选用经济指标较高的管材。长距离输水工程，常用的5种管材不同管径的造价比较见表2。

表1 管材性能比选表

表2 管材造价比较表 元/m

由表2可知，玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管的造价较低，钢管的造价最高，预应力钢筒混凝土管与球墨铸铁管的造价较高。

通过对管材的性能、造价比选得出：SP的造价高、抗外荷载性能差、防腐性能差；FRPM的费用较低、糙率较小、投资较少，但其抗内、外压性能较差、对地基及回填的标准较高，根据施工经验，在地质与外界环境条件比较好的情况下，效果较好；PCP的施工、安装方便，投资较少，但其承插接口的加工精度难以得到保证，渗漏较大，安全性较差，在国内长距离、管径较大的输水工程中很少被采用；PCCP与DIP的造价较高，抗内、外压、防腐、密封性等性能高。辛安泉供水改扩建工程管道线路长，施工环境复杂，管道内、外压较高，埋设较深，因此宜选用PCCP与DIP作为本工程的主要管材。

4 管径选择

选择工程输水方式的原则，充分利用输水地形高差，采用有压重力输水方式，且管径要求最小。管径计算公式：

式中：D——设计管道内径，m；

Q——设计引水流量，m3/s；

v——管道经济流速，m/s。

加压输水段管道，要准确比较管道的管径、工程费用、泵站扬程、运行费用等经济成本，择优选取。

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姚园园（1986-），女，2012年毕业于华北水利水电学院工程管理专业，助理工程师。

2017-07-15；

2017-08-19