长距离钢质输水管道管材和防腐设计分析

杨建中

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

引言

我国水资源极为稀缺，而且分布不均，长距离输水管道是实现水资源调补的一种经济、可靠的方式。尤其是在城市地下水过度开采、大型企业用水急速增加的现状下，长距离输水里程增长迅速，长距离输水技术逐渐成熟[1]。目前用于长距离输水管道的管材有预应力钢筒混凝土管、预应力钢筋混凝土管、球墨铸铁管、钢管以及化学建材管，然而钢管柔性好，承压能力强，焊接方式连接的整体性好，对地形的适应性强，对地基承载力要求低，非常适用于长距离输送[2～3]。但钢管的钢级、制管形式很多，钢管的防腐形式也存在较大差异，在钢管选材和钢管防腐方面，应结合我国油气长输管道的设计理念，进一步开展长距离钢质输水管道的管材和防腐设计研究，以推进长距离钢质输水管道的技术发展。

1.基管选择

钢质输水管道首先应考虑基管的选择，基管选择主要需确定制管用钢级和制管形式。

1.1 钢级选择

钢级的选择应根据压力等级、管径、选取壁厚及经济性等方面进行比选论证。通常选用钢级越高，钢管壁厚越小， 耗钢量越少，也更经济，然而选用壁厚必须满足钢管的刚度校核和稳定性校核[4]。

由于输水管道的压力一般不会超过4MPa，一般情况下Q235B和Q355B钢级即可满足钢管的强度校核计算。输水管道管材强度等级不应低于 Q235。 Q235B管材性能应满足GB/T 700的要求，Q355B管材性能应满足GB/T 1591的要求。对于重要等级特别高的长距离输水管道，可以选择更高的钢级，也可以参照《石油天然气工业管线输送系统用钢管》（GB/T 9711）中PSL1或PSL2钢管来进行钢级选择，油气管道用管线钢在屈服强度、化学成分、管材韧性等方面更具优势，然而其经济性较差。

1.2 管型选择

输水管道常选用的制管型式主要有无缝钢管（SMLS）、高频焊钢管（HFW）和螺旋缝埋弧焊钢管（SAWH）。管型选择应根据管道直径、设计压力、沿线自然条件、经济投资、钢管生产加工、供货周期等因素综合考虑[5]。不同管型优缺点见表1。

表1 不同管型有缺点对比表

管型选择一般可按照下述原则进行：

对于直径DN大于或等于500mm的管道，宜选用螺旋缝埋弧焊钢管；对于直径DN大于或等于250mm、小于500mm的管道，宜选用螺旋缝埋弧焊钢管，也可采用高频焊钢管；对于直径DN大于或等于150mm、小于250mm的管道，宜选用无缝钢管或高频焊钢管。

基管为直缝焊接钢管的应符合GB/T 3091对基管的要求；基管为螺旋缝埋弧焊钢管的应符合SY/T 5037对基管的要求；基管为无缝钢管的应符合GB/T 8163对基管的要求；基管为其他钢管的应符合国家、行业标准对基管的要求。

2.弯管/弯头选用

2.1 弯管/弯头形式选用

基于钢管的可变形能力，长距离钢质输水管道对于小角度转向可以采用弹性敷设和冷弯弯管，弹性敷设曲率半径应根据管径大小，可选1000D～1500D，但不应小于1000D。冷弯弯管采用直管进行现场弯制，冷弯弯管曲率半径根据管径大小可选择40D～50D，但不应小于40D。

用于长距离输水管道大角度转向的弯管/弯头有拼接式弯头、对焊弯头和整体式热煨弯管。拼接式弯头应满足《钢制管件》（GB 02S403-2002）的技术要求，不同角度弯头包含2～4道环焊缝，弯头长度小，焊缝处应力集中显著，泄露风险较高。对焊弯头应满足《钢制对焊管件技术规范》（GB/T 13401-2017）的技术要求，是通过对钢板的挤压、推制、拉拔或锻制等工艺制作而成。每个弯头有一道或两道纵向焊缝，应力集中较小。拼接式弯头和对焊弯头的曲率半径为1.5D或3D，曲率半径的选择应考虑弯头角度、成品弯头的长度，以便于安装，同时保证相邻环焊缝的距离满足规范要求。热煨弯管应满足《工业金属管道施工验收规范》（GB 50235-2010）或《油气输送用感应加热弯管》（SY/T 5257-2012）的技术要求，弯管曲率半径通常取5D～6D，该类型弯管生产成本高，母管宜采用直缝埋弧焊钢管，母管壁厚要求也较高，但是弯管的整体性最好。

以DN800*10管道弯头、弯管成本来说，热煨弯管的成本最高，拼接式弯头和对焊弯头价格相当，对焊弯头的价格略低于拼接式弯头。通过近期向管厂对不同型式的弯头、弯管询价，各种弯头、弯管的单价比较详见表2。

表2 常用角度不同形式弯管/弯头经济对比表

2.2 弯管/弯头受力分析

按照《室外给水设计标准》GB 50013的要求，非整体连接管道在管道的垂直和水平方向转弯点处， 以及管径截面变化处都会产生轴向力，埋地管道一般设置支墩支撑[6]。采用焊接方式进行连接的钢质输水管道属于整体连接管道，需要对选用弯管/弯头进行应力分析，以确定设置支墩的必要性。以DN800*10管道为例，设计参数和土壤参数分别见表3和表4，采用Ansys软件进行应力分析。

表3 设计参数取值表

表4 土壤参数取值表

25°以上弯头曲率半径取1.5D，取水平方向、竖直方向、水平和竖直叠加三种工况进行计算，计算结果如表5所示：

表5 计算结果表

对不同角度弯头计算结果进行整理，轴向应力和当量应力变化趋势见图1所示。从图中可以看出，该案例中水平弯头、纵向弯头、叠加弯头的轴向应力和当量应力均低于0.9s3，无需增设支墩。

图1 弯头应力变化趋势图

3.管材防腐

3.1 管材外防腐的选择

输水钢管最重要的是解决防腐问题，钢管本身容易生锈、抗侵蚀性能较差，为提高管道的防腐性能，推荐选用工厂预制的钢塑复合管或涂塑复合钢管[7～8]。

管材外防腐层可选用热塑性聚乙烯粉末涂层或PE防腐层。PE防腐层执行《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》GB/T 23257中的相关技术要求，具有良好的稳定性、电绝缘性及机械强度，是首选的外防腐形式。PE外防腐层可以根据输水管道的重要程度、敷设区域及土壤和水对钢材的腐蚀程度来选择单层PE防腐层或3层PE防腐层。3层PE外防腐层的涂层黏结力、整体防腐性能等均远高于单层PE，已应用于引黄济临项目、图克水线、天水引洮、槟长矿区输水管道等工程[9]。

3.2 管材内防腐的选择

管材内壁可采用常温型环氧涂料或热固性环氧树脂。

内壁热固性环氧树脂粉末由环氧树脂、颜填料、固化剂、流平剂组成，采用热涂工艺，先将钢管预热至230℃，再将环氧粉末喷洒至钢管表面，钢管旋转使涂膜均匀，涂层一次成膜厚度大，效率高，不含挥发性介质，涂层无毒，满足行业标准《给水涂塑复合钢管》（CJ/T120-2016）及《钢塑复合管》（GB/T 28897-2012）的相关要求，具有较好的抗化学、防腐耐水性能。涂层一次成膜，坚韧耐磨，抗冲击性较好，具有极佳的附着力，能有效防止施工中机械损坏，内壁光滑不易结垢。热固性环氧树脂粉末的厚度应满足《钢塑复合管》（GB/T 28897-2012）和《给水涂塑复合钢管》（CJ/T 120-2016）的规定，内壁环氧树脂厚度为≥0.45mm。

内壁无溶剂液态环氧涂料由A、B组分组成，A组分由低粘度环氧树脂、颜填料和助剂组成，B组分为低粘度改性胺固化剂。A、B组分按一定比例混合后采用高压无气喷涂工艺进行自动喷涂。一次成膜厚度大，喷涂效率高，不含挥发性介质，安全环保。涂层无毒，满足行业标准《给水涂塑复合钢管》（CJ/T120-2016）的相关要求，涂层一次成膜，无孔隙、无裂纹、内应力小，耐磨性优、抗划伤性好、耐化学腐蚀性能好、涂膜致密、防腐耐水性能好。

上述两种内防腐形式，在地形适应性、施工便捷性、安全环保性等方面均具有优势，都可以达到良好的防腐效果。

3.3 阴极保护

为抑制土壤对埋地钢质管道外壁的电化学腐蚀，可采用外防腐涂层和阴极保护的联合保护措施[10]。管线的阴极保护方法通常有强制电流法和牺牲阳极法，牺牲阳极法不需要外部电源、对邻近金属构筑物无干扰或干扰很小、保护电流分布均匀、工程规模越小越经济，但是其保护年限短，不宜在高电阻率环境下使用，保护电流的大小不易调节。因此，牺牲阳极法常用于管线较短管径较小密集敷设的城市管网保护中。强制电流法的输出电流连续可调，保护范围大，不受环境电阻率的限制，保护装置寿命长，工程规模越大越经济，但是其需要外部电源、维护管理工作量较大，而且可能会对邻近金属构筑物造成干扰。强制电流法常用于长输管线的保护。根据工程规模、投资等方面可以对阴极保护方式进行比选，也可采用两种方式相结合的方案。

3.4 管道补口

管道现场补口是对管道防腐层的完善，补口质量的好坏直接影响整条管线的使用寿命，是质量控制的重要环节。因此补口应采用性能可靠、现场环境条件适应性强、施工操作方便和技术经济性好的材料。

结合以往工程经验和焊口防腐与管体防腐质量等级相匹配的原则，推荐内补口采用工厂配套的无溶剂液体环氧树脂涂料进行喷涂，根据管径的大小，可选用人工进入管道刷涂或者机器人喷涂的作业工艺，现场机器人喷涂工艺能保证施工人员安全并解决人工补口效率低下的问题，为首选方案。

对于PE层外防腐管道而言，目前国内外应用为广泛的补口材料是热熔胶型辐射交联聚乙烯热收缩带体系，热收缩带可采用湿膜法安装，人工火焰加热施工工艺，或采用干膜施工中频加热的机械化施工工艺，底漆的漆膜厚度不小于200μm。

4.结论

基管选择要考虑选用钢级和制管形式，输水管道管材强度等级不应低于 Q235B，常用钢级为Q235B和Q355B；管型应结合国内厂家生产能力及经济性，按照管径规格进行合理匹配。

小角度转向可以采用弹性敷设和冷弯弯管，大角度转向用弯管/弯头可选择拼接式弯头、对焊弯头和整体式热煨弯管，水平或纵向转角处支墩的设置应根据应力分析结果来确定。

管材外防腐首选PE层，PE外防腐层可以根据输水管道的重要程度、敷设区域及土壤和水对钢材的腐蚀程度来选择单层PE防腐层或3层PE防腐层；内防腐层可采用常温型环氧涂料或热固性环氧树脂。

牺牲阳极法阴极保护方案常用于管线较短、管径较小密集敷设的城市管网保护中，强制电流法阴极保护方案常用于长输管线的保护。

内补口材料采用工厂配套的无溶剂液体环氧树脂涂料，外补口材料采用热熔胶型辐射交联聚乙烯热收缩带体系。