十五年内供水管网中建议常用的几种管材

十五年内供水管网中建议常用的几种管材何维华摘要:本文结合2020年行业远景规划的编制，扼要阐述了供水管网的功能要求；介绍了十五年内供水管网中建议常用的几种管材；在中、大口径管道上重点阐述了球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、钢管；在中、小口径管道上重点阐述了薄壁不锈钢管及聚乙烯给水管。针对中国水协2005年7月在成都召开的‘管道材料设备优化选择与应用培训班’上本人的讲稿，进行了一些补充，尽可能引用了近年拟定的囯标、行标的内容，调改了过去相关信息的阐述。关键词管网管材1.供水管网的功能要求供水企业的根本任务是向用户提供清洁的饮用水，连续供应有压力的水，同时降低供水费用。为此，供水管网作为供水系统的重要环节，对于它的硬件有以下六点要求：1.1封闭性能高供水管网是承压的管网，管道只有在长期承内、外压的状况下具有良好的封闭性，才是连续供水的基本保证。我国属地震多发区，根据GB50011-2001《建筑抗震设计规范》介绍，2000年底，在全国663个城市中，有582个要求抗震设防(规定6度以上)，占全国城市总数的87.8%。在供水管网建设过程中，事先考虑到认真设防，尽可能减少损坏，这对保证生命安全，减少地震损失具有重大意义。这里存在两个要求：一是故障率低；二是漏水率低。1.2输送水质佳自来水从水厂到用户，要经过较长的管道，往往需要几个小时乃至几天。管网实际上是一个大的反应器，出厂水未完成的化学反应将在管网中继续进行，并且含氯水与管壁发生新的接触，有可能产生新的反应，这些反应有生物性的、感官性的以及物理化学性的。因此要求管道内壁既要耐腐蚀性，又不会向水中析出有害物质。1.3水力条件好供水管道的内壁不结垢、光滑、管路畅通，才能减小水头损失，确保服务水头，降低能耗。1.4设备控制灵一个大城市的供水管网，管道总长度少的有数百km，多的达数千km，在这样的大型供水管网中有成千上万个专用设备，维持着管网的良好运行。在管网上的专用设备包括：阀门、消火栓、通气阀、放空阀、冲洗排水阀、减压阀、逆止阀、调流阀、水锤消除器、检修人孔、伸缩器、存渣斗、测流测压装置、流量计、水表等。这些设备的完好是保证管网运行畅通、避免污染的前提。1.5使用寿命长作为输、配水干管的建设应是百年大计，管道的使用寿命应立求达100年为妥，作为埋地及室内暗敷的配水支管道，达不到50年亦是不宜推荐使用的。通常推敲寿命的方法有二：一是实践证实了它的使用寿命；二是理论及检验推算了它的使用寿命。在评述管道的质量、寿命问题，应包括管材、管件及附属设备组成的管道，以下重点仅讨论常用几种管材与管件问题。1.6建设投资省供水管网的建设费用通常占供水系统建设费用的50～70％，因此如何通过技术经济分析确定供水管网的建设规模，恰当选用管材及设备是优化管网合理化建设的保证。2.管材类别2.1金属管材2.1.1钢管钢管包括：钢板直缝焊管与钢板螺旋焊管(适用于中大口径管道)、无缝钢管(适用于中小口径管道)、不锈钢管(适用于中小口径管道)，镀锌钢管(适用于小口径管道)，近年多数城市已不用镀锌钢管。2.1.2铸铁管(1)灰口铸铁管包括离心灰口铸铁管、半连铸灰口铸铁管(适用于中小口径管道)，近年多数城市供水企业已不用灰口铸铁管。(2)延性铸铁管包括延性球墨铸铁管(以下简称球铁管)、铸态球墨铸铁管(适用于各种口径管道，主要是中小口径管道)，铸态球墨铸铁管亦逐渐退出市场。2.1.3有色金属管包括铜管、铝管(适用于小口径管道，由于卫生上的原因，铝管不受欢迎；铜管属有色金属，通常在高档建筑物内使用，价格较贵，不宜推广使用)。2.2非金属管材2.2.1水泥压力管(1)石棉水泥管现已不推广使用；(2)自应力管在小城镇及农村用于中小口径管道；(3)预应力管包括管芯缠丝预应力管(又称三阶段管)、振动挤压预应力管(又称一阶段管)、预应力钢筒混凝土管，适用于大中口径管道，其中预应力钢筒混凝土管是前者的新一代产品。2.2.2塑料管(1)热塑性塑料管(1.1)单一材质塑料管包括硬聚氯乙烯管、聚乙烯管(适用于中小口径管道)；改性聚丙烯管(PP-R)、交联聚乙烯管、聚丁烯管、尼龙管(适用于小口径管道)；丙烯腈一丁二烯一苯乙烯三元共聚物为基材的工程塑料管(ABS)(主要适用于水厂投加氯及净水剂的管道，目前也有中小口径管道产品用于配水管上)。(1.2)复合材质塑料管包括孔网钢带塑料复合管、钢衬塑复合管(适用于中小口径管道)；聚乙烯夹铝复合管、不銹钢衬塑复合管、铝衬塑复合管(适用于小口径管道)。(2)热固性塑料管玻璃纤维增强树脂塑料管又称玻璃钢管。玻璃钢管或加砂的玻璃钢管又分两种成型方法，即离心浇铸成型法(Hobas法)及玻璃纤维缠绕法(Veroc法)，玻璃钢管在大口径工业用水管道上、排污管道及源水管道上有较大的适用前景。3.建议常用的管材3.1大口径钢管钢管通常选用Q235B(A3)镇静钢钢板制作，它的强度高，管材及管件易加工，管厂建设周期短，特别是地形复杂的地段，一般采用钢管。但钢管的刚度小，易变形，衬里及外防腐要求严，必要时需作阴极保护，施工过程中组合焊接工作量大。近些年在广州、成都等地推行承插管节，坑下搭接焊作业，从而敷管效率高，坑下焊接环境得到改善。钢管制成承口的方法有二：一是加焊承口短管；二是钢管端口脹扩。前者增大焊接量；后者存在脹扩根部内应力集中的问题，若钢管壁厚值选用较保守尚可，否则是有隐患的。另承插管节增大了钢材的用量，增大了造价，因此此种方法建议用在快速抢工的地段较妥。在地下水位较高时，也有将承插钢管的承口设计成胶圈柔性的接口，克服这一困难，但钢管的刚度小，承插口的圆度难以保证，建议按预应力钢筒混凝土管承、插口钢环的方式处理较好。(1)钢管规格钢管的规格有两种表示方式，通常是以钢管的外径表示，如《普通流体输送管道用螺旋缝埋孤焊钢管》(SY/T5037-92)中所列中、大口径钢管公称外径的规格，是以英制规格的变化转换成公制的，比如dn96″相当于dn2438mm；另一种以公称通径表示，公称通径通常与钢管实际内径一致，也有与钢管内衬后的实际内径一致，这样有利于和水泥压力管、球铁管连接时内径趋于相同，如表1。这方面还有待多方面商讨，比如查找钢管水力计算表上的数值，也是按公称通径计算的，更应注意钢制法兰盘内孔尺寸的衔接。个人认为以钢管外径的系列表示法仍隐含着英制表示的规则，倘若能将公称通径与钢管实际内径一致，以公称通径表示钢管的规格，在水力计算、各管材的互配以及贯彻我国度量衡的体系上都是有利的。表1公称通径20025030035040045050060070080090010001200～2000公称外径系列1219.1273323.9355.6406.445750861071181391410161220～2020公称外径系列221927332537742648053063072082092010201220～2020注：1.单位mm。钢管壁厚是钢管规格的第二个重要参数，对于工程量较大的钢制管道，应根据内压力、覆土深度、内衬里材质、外防腐材质等因素计算确定，在工程量零星的中、大口径钢管亦可参考表2选用。表2公称通径60080010001200140016001800200022002400参考壁厚6～106～108～1010～1210～1212～1414～1616～1816～2016～20注：单位mm。(2)制管工艺大口径钢管有两种成形工艺，即直缝焊管与螺旋焊管。直缝焊管的工艺流程：剪板—刨坡口—钢板翻面—压两头园弧—卷管(含点焊)—焊内外直缝(自动焊)—管段对接(含点焊)—焊环形口(自动焊)。螺旋焊管的制造标准选用SY/T5037-92《普通流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管》，制作过程分三个阶段，即条形钢带制作，螺旋成形及内焊，螺旋管外焊及管段定长的切割。直缝焊管的焊缝长度较短，可多台焊机流水作业，是通常使用的钢管成形工艺；螺旋焊管需专用设备，焊管效率高，管材长度可任意选定，螺旋焊管刚度较好，可连续超声波探伤提高焊接质量，钢材损耗小。(3)钢管制作质量的主要要求钢管焊接符合现行的《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-97）、《工业金属管道工程施工及验收规范》(GB50235-97)及《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》(GB50236-98)的规定。通常供水钢管焊接质量属Ⅲ级要求，焊缝抽检探伤数量，在工厂为5％，在现场为10％。实际检验时可任选一种方式，但当选用超声波探伤时，应对超声波探伤部位作X射线探伤复检，复检长度为规定探伤数量的20％。钢管出厂前还有时逐根作水压试验，试压值为管线试验压力的1.25倍。直缝焊管焊缝外观应符合相应要求外，管节几何尺寸允许偏差，应符合表3规定。表3项目允许偏差（mm）周长D≤600±2.0D600±0.0035d椭圆度管端0.005D;其他部位0.01D端面垂直度0.001D,且不大于1.5注：1、D为管内径(mm)；2、椭圆度为同端管口相应垂直的最大直径与最小直径之差，除以D。管节拼装时，纵向焊缝错开300mm，管径小于600mm时，间距也应大于100mm。(4)钢管内衬质量的主要要求(4.1)管内腐蚀、结垢的机理水厂出水含有某些无机物及微生物，水在管网内流动时，有些水中化合物会分解，水和管内壁的材质亦会发生化学作用，水中残存的细菌还可再繁殖，加之管网受到外来的二次污染，管网水质发生变化，引起诸多问题。水在管网流动的过程中，往往形成管内腐蚀、沉淀及结垢的情况，结垢层的厚度和管道材质、内衬状况、管道输配水的年数（管龄）有关，随着时间的延续，管道有效截面积的缩小，直接影响管道的输配水能力。这些结垢层又是细菌孳生的场所，形成“生物膜”，国内学者称“生长环”，直接威胁着饮用水的安全。形成管内结垢层的原因，归纳起来有以下五个方面。A.水对金属管道内壁腐蚀形成的结垢对金属管道而言，输送的水就是一种电解液，水的pH影响着管道的腐蚀速度，水中的溶解氧及二氧化碳的存在，是管道腐蚀的重要因素。因电化学反应，对于偏碱性水，且无侵蚀性二氧化碳时，首先生成的是氢氧化亚铁，然后被水中溶解氧氧化，生成氢氧化铁，形成钝化保护膜，使管壁的腐蚀速度减慢。否则，在生成氢氧化亚铁后，与二氧化碳作用生成重碳酸亚铁，它具有可溶性而流失于水中，被水中溶解氧氧化，生成氢氧化铁，出现红水，其中部分脱水形成铁锈Fe2O3·nH2O。它质地疏松，不能起保护作用，以上反应继续进行，铁锈不断沉积于管内表面形成锈垢。在与水接触的管内表面，有一层似乎不流动的薄水层，流速增大，该水层减薄，通过该水层水流中的氧的扩散、补给容易，故促进锈蚀；当管内流速再加快，氧的补给量增多，铁管表面由于氧过剩，趋于钝态化，反使腐蚀减小；若流速继续增大，剧烈紊流将导致发生气蚀，因机械作用使铁管表面产生空隙腐蚀。配水管网末端的小口径管道，管内流速较小，甚至有时不流动，水中的氧气难以补充，锈蚀较严重。相反，输水干管通常流速大，氧不断由水带入，管内壁趋于钝态，腐蚀速度放慢。就是发生腐蚀，也往往因过大速度使锈垢剥离，故发生锈瘤的机会减少。由于腐蚀的生成物能溶于酸性介质中，而不易溶解于碱性介质中。因此pH偏低的酸性水能促进腐蚀作用，而pH偏高能阻止或完全停止腐蚀作用。B.水中碳酸钙（镁）沉淀形成的水垢在所有的天然水中几乎都含有钙镁离子，并且水中的重碳酸根离子分解出二氧化碳和碳酸根离子，这些钙镁离子和碳酸根离子化合成碳酸钙（镁），难溶于水而变为沉渣。C.水中含铁量过高所引起的问题作为给水的水源一般含有铁盐，当铁的含量过大时容易在管网中形成大量沉淀。水中的铁常以重碳酸铁、碳酸铁等形式存在，以重碳酸铁的形式存在时最不稳定，分解出二氧化碳，而生成的碳酸铁经水解成氢氧化亚铁。这种氢氧化亚铁经水中溶解氧的作用，转为絮状沉淀的氢氧化铁。它主要沉淀在管内底部，当管内水流速度较大时，上述沉淀就难以形成；反之，当管内水流速度较小时，就促进管内沉淀物的形成。D.管道内的生物性堵塞铁细菌是一种特殊化的营养菌类，它依靠铁盐的氧化，以及在有机物含量极少的清洁水中，利用细菌本身生存过程中所