時間：2011-10-31來源：馬俊青 鞠厚磊
摘要：隨著南水北調中線一期工程總干渠的建設高潮，輸水配套工程建設已提到議事日程，為確保配套工程與主體工程同步建設、同步通水、同步發(fā)揮效益。配套工程輸水管道的設計質量直接關系到工程的安全性和經(jīng)濟性。本文就管道設計中的幾個關鍵問題進行探討。
關鍵詞：管材；管徑；壓力；防護
一、工程概況
河南省受水區(qū)供水配套工程是指中線總干渠沿線分水口門到各受水城市水廠之間的輸水工程。受水目標分布在河南省沿線唐白河流域、淮河流域、黃河流域和海河流域，包括43 座受水城市（11 座省轄市為南陽、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、濮陽、安陽市；7 座縣級市、25 座縣城），以及鄧州移民安置區(qū)、鄭州新鄭航空港、鄭州上街區(qū)用水、南陽龍升工業(yè)園區(qū)、禹州神垕等五座城鎮(zhèn)，共48 個供水目標。配套工程共布置輸水線路總長961.58km，其中輸水管線長942.74km，輸水涵洞長1.86km，輸水明渠長1.53km，利用原河道輸水總長15.45km，另需修建14 座提水泵站，構成輸水骨干網(wǎng)絡系統(tǒng)。
二、輸水管道管材的選擇
河南省南水北調受水區(qū)供水配套工程投資大、線路長、涉及到地市較多，工程較分散、各分水口門線路長短不一，管徑類型多(600~3000m m )，工程對水質的要求高。管線的造價在整個輸水工程中所占的投資比例較大，占整個工程造價的30％~40％，因此管材的選擇應從工程的規(guī)模、重要性、管徑、工作壓力、地形地質、工期、資金等方面綜合分析確定，以達到性價比最優(yōu)。輸水管材一般分為金屬管材、非金屬管材和復合管材3 大類，目前我國長距離輸水工程常見的金屬管材有鋼管、球墨鑄鐵管等；非金屬管材有預應力混凝土管、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼管、硬聚氯乙烯管（PV C-U）等；常用的復合管材有鋼塑復合壓力管和各種鋼骨架塑料復合管，就上述管材選擇比較如下。
（一）鋼管
鋼管應用歷史較長，范圍廣，是一種傳統(tǒng)的輸水管材。鋼管一般選用螺旋焊接與直縫焊接管（適用于大口徑管道）、無縫鋼管（適用于中小口徑管道）、不銹鋼管（適用于中小口徑管道），鋼管具有強度高、可靠性高、適應性強等優(yōu)點，在穿越河流、鐵路、山谷和障礙物時多采用鋼管，但其耐腐蝕性差，內、外壁仍需做防腐處理，使用壽命一般不超過25 年。鋼管外壁腐蝕主要是電化學腐蝕，目前鋼管外防腐主要采取涂層防護和電化學保護，涂層防護是用非金屬材料如涂纏石油瀝青玻璃布、環(huán)氧煤瀝青等防腐材料涂在鋼管外壁上，以防止金屬與水接觸；電化學保護有2 種：一種是使用消耗性的陽極材料鉛、鎂、鋅等，隔一定距離用導線連接到管線上，在土壤中形成電路得到保護；另一種是通入直電流的陰極保護法，把埋在管道附近的廢鐵和直流電的陽極連接，電源的陰極連接到管線上，起到保護管線的作用，鋼管的內防腐主要是用水泥砂漿涂襯，防止管內的水直接和鋼管接觸，防腐效果較好。但在做防腐處理時應盡量使水泥內襯涂層密實均勻，并在施工過程中防止涂層剝落。與其他管材相比，鋼管現(xiàn)場的工作量較大，并且施工現(xiàn)場焊接需要有電源，并保證工作坑內無積水，整個工程造價較高。
（二）球墨鑄鐵管
球墨鑄鐵管是20 世紀90 年代廣泛應用的輸水管材，具有強度高、韌性好、延伸率大、耐腐蝕等特點，內壁采用水泥砂漿襯里，改善了管道輸水環(huán)境，提高了供水能力，降低了能耗，運行穩(wěn)定，可靠性高，外壁采用噴鋅后涂瀝青防腐，采用柔性T 型接口，適應變形能力強，止水效果好，是一種較理想的輸水管材。球墨鑄鐵管是以鎂或稀土鎂合金球化劑在澆注前加入鐵水中，使石墨球化，應力集中降低，使管材具有較高的強度和延伸率，耐沖擊、耐震動、耐腐蝕、管壁薄，同口徑時比鑄鐵管節(jié)省材料30％~40％，膠圈接口，施工方便，縮短工期。球墨鑄鐵管是當今最為普及使用的管材。主要原因是多數(shù)施工單位積累了安裝此類管材的豐富經(jīng)驗，管材配件規(guī)格齊全；在維修過程中，能夠不停水作業(yè)，在價格方面，球墨鑄鐵管居中，有很強的市場競爭性。但由于輸水工程中管徑較大，與相同管徑的其他管材相比，大口徑球墨鑄鐵管的價格相對較高，施工場地大，球墨鑄鐵管的口徑多在D N 1600 以下。
（三）預應力混凝土管（PCP）
按其生產(chǎn)工藝分兩種：一種是一階段管即一次成型；另一種是三階段管。預應力混凝土管因加工工藝簡單，造價最低，但管材生產(chǎn)過程中存在弊病，如三階段噴漿質量不穩(wěn)定，易脫落和起鼓；一階段管在施加予應力時不易控制（特別在插口端部），造成質量不穩(wěn)定、不均一，且因體積重量大造成運輸安裝都不方便，使其應用受到了限制。預應力混凝土管口徑一般在2000m m 以下，工壓在0.4～0.8M Pa.，該管道為最經(jīng)濟的管材，口徑大、工作壓力高的工程應用時要慎重。
（四）預應力鋼筒混凝土管（PCCP）
預應力鋼筒混凝土管是一種鋼筒與混凝土制作的復合管。管芯為混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5m m 鋼筒，在管芯上纏繞預應力高強鋼絲，并在其外部噴水泥砂漿保護層，該管的特點是由于鋼套筒的作用，抗?jié)B能力非常好。管子的接口采用鋼制承插口，尺寸較準確，并設橡膠止水圈（單膠圈或雙膠圈），因而止水效果好，安裝方便。預應力鋼筒混凝土管的管徑一般為D N 600～3600m m ，工作壓力為0.4～2.0M Pa，其中：D N 1200m m以下一般為內襯式，D N 1400m m 以上通常為埋置式，PCCP 管的生產(chǎn)已有行業(yè)標準可指導生產(chǎn)。標準號和名稱為JC625-1996《預應力鋼筒混凝土管》。標準對PCCP 管的分類，規(guī)格尺寸、技術要求等都作了明確的規(guī)定，其應用前景廣闊。
（五）玻璃鋼管(FR PM )
玻璃鋼管全稱纏繞玻璃纖維增強熱固樹脂加砂管，玻璃鋼管是以樹脂為基本材料，玻璃纖維及其制品為增強材料，以石英砂為填充材料而制成的新型復合管材。玻璃鋼管采用承插式連接，橡膠圈止水，具有耐腐蝕、重量輕、強度高、不結垢，尤其內壁光滑，水力學性能好，造率系數(shù)為0.008~0.009，管徑相同時玻璃鋼管可多輸送水，輸水量相同時，可降低能耗。FR PM 通過這些年的發(fā)展，管材技術性能有了極大的改進，出現(xiàn)了很多復合型管材，尤其是在耐腐蝕、使用壽命長、輸水水力條件好、重量輕、施工方便等方面優(yōu)點突出。其缺點是抗壓能力不強，與傳統(tǒng)的金屬管相比存在一定的差距。
（六）硬聚氯乙烯管（PV C-U）硬聚氯乙烯管（PV C-U）是不加或僅加極少量增塑劑的聚氯乙烯脂在一定的溫度下擠壓成形的管材，其原材料來源廣泛，價格低。U PV C 管道內壁光滑，摩擦系數(shù)在0.008 左右，長期在含有消毒劑的水中使用不結垢、不結瘤。采用聚氯乙烯管不僅提高了通水能力，節(jié)約能耗或投資，而且改善了供水水質。使用膠圈接口連接的U PV C 管還具有良好的水密性，也使漏損率大為降低給水管內壁對輸送自來水中少量溶解氧、微量強氧化劑（余氯）保持穩(wěn)定。但由于大口徑及高壓管的成本較高，常見的U PV C 管管徑多在D N 600 以下，故U PV C 管較適合在城市管網(wǎng)配水工程中使用。在輸水工程中管徑普遍較大的情況下，U PCV 管使用的空間不大。
（七）塑料合金玻璃鋼復合管
該管材由內層高耐蝕層、中間層高強度的玻璃鋼層和外層耐蝕抗沖擊層復合而成，該管材縮合了熱塑性樹脂與增強熱固性樹脂的優(yōu)良性能，具有高耐蝕性、高強度及高剛性，高抗沖壓性，長壽命等優(yōu)良綜合性能，可代替鋼管而廣泛用于石化行業(yè)的輸送管道，壽命可比鋼管長５倍以上。
（八）鋼骨架聚乙烯塑料復合管（SR PE）此管材是以低碳鋼絲繞焊成型的網(wǎng)狀骨架（內側為線形經(jīng)線、外側為環(huán)狀緯線）為增強相、以中密度或高密度聚乙烯熱塑料樹脂為基體,通過擠出成型方法復合而成,其力學、水力、衛(wèi)生、防腐、密封、安裝、抗震等性能優(yōu)越,最大缺點是耐溫性能較差。
該管材一般采用熱熔連接,根據(jù)行業(yè)標準CJ/T123-2004,管徑≤600m m、管長≤12m ,公稱壓力與管徑相關。在管材選取時，應結合工程的特點及對管道的要求，最大程度地突出選用管材的性價比，在滿足技術要求的條件下，發(fā)揮其最大的適應優(yōu)點同時又能保證管道的安全和使用壽命、相對節(jié)省工程投資是選材的標準。
上述主要管材價格見管材單價表：
表1 管材單價表
由于U PV C 的管徑多在D N 600 以下，故不予比較。安全方面，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP 管比較安全，特別在工壓高，管徑大，管線起伏較多的工程中。鋼管要特別注意防腐處理以延長使用壽命；玻璃鋼管特別注意出廠管材的質量檢查，選用合適的剛度（一般輸水工程埋地管道剛度不應<5000N /m 2）。經(jīng)濟方面，預應力混凝土管最為經(jīng)濟；400m m 以下管徑優(yōu)先選用PV C-U ，其次為玻璃鋼管；500～800m m 管徑優(yōu)先選用玻璃鋼管，其次為球墨鑄鐵管；1000m m 以上管徑優(yōu)先選用鋼筒管，球墨鑄鐵管價格較高。塑料合金玻璃鋼復合、鋼絲網(wǎng)骨架SR PE 二類管道通屬于PE 系列管，滿足國標或企業(yè)標準的最大內承壓能力為1M Pa，高于1M Pa 以上的為非標準產(chǎn)品，且價格高昂。
考慮不同管材對本工程的適應特性，能夠充分發(fā)揮管道的最大優(yōu)點，確保管道運行的安全可靠，管理方便，運行成本低，施工便捷，施工周期有保證，具備現(xiàn)場建廠的條件，供水量保證率高，工程總投資最省的原則，綜合比選后確定。
三、輸水管道管徑的選擇
河南省南水北調受水區(qū)供水配套工程輸水管道投資占輸水工程的絕大比重，且大多數(shù)為有壓重力輸水，對靠重力輸水的同一種管材，管徑增大，水頭損失減小，對水廠可利用水頭高，管道投資增大；相反管徑減小，水頭損失增大，對水廠可利用水頭小，管道投資減小。對靠提水的同一種管材，管徑增大，管道一次性投資增大，管路阻力減小，可降低電耗量與年運行費用；相反管徑減小，可降低管道一次性投資，但管路阻力增大，年耗電量及年運行費增加。因此如何確定一個合理的管徑，是輸水管道設計中一項十分重要的工作。對靠重力輸水的管道，確定經(jīng)濟管徑的方法可采用管道設計流速來控制，壓力輸水管道的設計流速不宜>3m /s,，不宜<0.6m /s，在滿足流速和水廠水位要求下，應盡量選擇小管徑。對靠提水的管道，確定經(jīng)濟管徑的方法可采用費用現(xiàn)值最小法。假設不同的管徑，計算出管道的一次性投資，然后根據(jù)供水流量、管長、管徑、管材計算凈揚程，再由凈揚程、流量等計算裝機容量，從而計算年運行費，按費率和年限折現(xiàn)，求出費用現(xiàn)值，其中最小費用現(xiàn)值對應的管徑即為經(jīng)濟管徑。
四、輸水管道工作壓力的選擇
配套工程輸水管道各個分水口門工作壓力不同，同一口門輸水管道各段工作壓力也不同，并受地形起伏的影響。設計過程中應根據(jù)工程具體情況計算出管道沿線的工作壓力，包括水錘壓力和檢修情況，以便選擇管材壓力值。鋼管和球墨鑄鐵管強度高，管材工作壓力一般為1.6M Pa，對價格影響較小，其它材料管道工作壓力不同對價格影響較大。預應力混凝土管工作壓力為0.2～1.2M Pa，分6 級；預應力鋼筒混凝土管工作壓力為0.4～2.0M Pa，分9 級；玻璃鋼管工作壓力為0.6～2.0M Pa；聚乙烯管為0.6～1.0M Pa；高級聚乙烯管為0.4～2.0M Pa。上述管材工作壓力每提高一級，增加管材投資20% 左右。由于配套工程線路長、涉及到地市較多，工程較分散等特點，管道設計壓力也不能分的過細，否則給管道的生產(chǎn)加工、工程施工，工程工期帶來較大的影響。因此管道設計中必須根據(jù)計算壓力值，結合工程實際情況分段選擇其工作壓力，達到安全、經(jīng)濟、適用的完美結合。
五、輸水管道防護技術與安全措施
（一）水錘的防護
由于管線設計縱剖面存在上下起伏，且在輸水過程中往往由于下游用戶用水量變化，管道流速變化是經(jīng)常出現(xiàn)的，管道中流速變化時，致使管道中水的壓力的升高或降低，當壓力降低時，易形成氣(汽)泡，系統(tǒng)從單相流轉變?yōu)闅庖簝上嗔鳎瑲?span lang="EN-US">(汽)泡在特定位置匯集而產(chǎn)生液柱分離，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔；當壓力升高時，分離的液柱再彌合，在空腔處的水流彌合時將產(chǎn)生強烈的撞擊，形成水錘。水錘有啟動水錘、關閉水錘、停泵水錘。一般啟動水錘不大，只是真空情況下，管中空氣不能排出而被壓縮時才會加劇壓力變化；關閉水錘在正常操作時不會引起過大的水錘壓力；但由于突然停電或事故停泵所產(chǎn)生的水錘往往較大，水錘壓力值可達到工作壓力的1.5~3 倍。一般應根據(jù)水力過渡過程計算來采取工程技術措施加以防護，通常在水泵出口處設置水錘消除器、多功能止回閥、安全閥、超壓泄壓閥，在管道沿線設置復合式進排氣閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。
（二）空氣閥的設置
空氣閥可分為低壓進排氣閥、高壓微量排氣閥、組合式空氣閥3 種，壓力管道充水時，積存在管道的空氣，管道運行時，溶解在水中的空氣會隨著系統(tǒng)的壓力下降和溫度的升高而釋放出來，實際上是水汽兩相流。輸水管道必須有效的控制空氣，以防止系統(tǒng)產(chǎn)生真空而導致管道損壞，避免管道中空氣積聚導致管道系統(tǒng)輸水能力下降，增加泵站的電力消耗，在重力流管道中，極端情況下甚至可能導致輸水中斷。因此在輸水管道設計時，必須重視空氣閥的設置，其類型的選用應結構簡單，性能可靠、維護運行方便，能夠徹底排放系統(tǒng)中的空氣避免氣閉現(xiàn)象發(fā)生；其數(shù)量應根據(jù)沿線地形、地質情況，合理確定管道的縱向布置，一般應設置在加壓泵站和上回閥前后，輸水管線的高點，輸水管線斜率改變處，至少每隔500~1000m 應安裝一臺，減壓閥和調流閥后，可能發(fā)生水柱分離現(xiàn)象的危險點，管道末端等處布設空氣閥，防止管道的氣蝕和振動，以免影響管道輸水及安全。南水北調受水區(qū)供水配套工程管道線路長，各條管線地形情況不一，共設置各類進排氣閥1470 多臺，空氣閥設置的合適與否直接關系到工程能否安全、經(jīng)濟的發(fā)輝效益。
六、結論
在南水北調河南省受水區(qū)供水配套工程輸水管道設計中，管道投資占輸水工程總投資的絕大比重，管材、管徑及工作壓力的選擇必須根據(jù)工程規(guī)模、重要性、地形地質等進行經(jīng)濟比較綜合分析確定，許多技術及安全措施還有待更深入的研究和提高。
