徐中全
浙江金洲集團技術中心

　　1 前言

　　給水工程中，現代化的水處理廠，從水源地取水后，經沉淀、過濾進入清水池，再用泵送至城區管網，直達用戶。干線管道和城區管網的壓力較高，一般都是埋地敷設。因此，要求管道承壓能力高、安裝方便、使用壽命長。隨著技術的進步，還要求對輸水管道內壁進行處理，使之不滋生細菌，減少摩阻，不污染水質。上述要求給制管行業帶來了機遇和挑戰，國內大型制管企業――浙江金洲集團，投入大量的人力、財力，與科研機構合作，進行基礎研究、科技攻關、設備改造，在鋼管制造、管壁涂敷、管道連接等方面都取得了可喜的成果。

　　2 鋼管制造

　　鋼管的使用是由1815年蘇格蘭的一位發明家為輸送燈火用煤氣，而將槍筒連接起來才開始的。1836年英國已經有了擠壓法生產無縫鋼管的專利，但直到1885年孟內斯曼（Manmesmann）兄弟才發明了由棒鋼直接生產無縫管的工藝。在焊接管方面，1923年取得專利，經過了低頻電阻焊接法和直流焊接法，現在已進入到主要生產中、小直徑鋼管用的高頻感應焊接法（沙麥――朱魯法）時代。另外，對于大直徑鋼管，采用U.O成型埋弧自動焊工藝生產直縫管，采用螺旋成形埋弧自動焊工藝生產螺旋鋼管。
　　2.1 無縫鋼管
　　無縫鋼管的生產方法大致分為斜軋法（孟內斯曼法）和擠壓法。前法是先用斜軋輥將管壞穿孔，然后用軋機將其延伸。這種方法生產速度快，但對管坯的可加工性要求較高，主要適用于生產碳素鋼和低合金鋼管。后法則是用穿孔機將管坯或鋼錠穿孔，再用擠壓機擠壓成鋼管，這種方法比斜軋法效率低，適用于生產高強度合金鋼管。斜軋法和擠壓法都必須先將管坯或鋼錠加熱，生產的鋼管稱為熱軋管。用熱加工法生產的鋼管有時候可根據需要再進行冷加工。冷加工有兩種方法：一種是冷拔法，就是將鋼管通過拔管模拉拔，使鋼管逐漸變細、伸長；另一種方法是冷軋法，它是將孟內斯曼兄弟發明的熱軋機應用于冷加工中的方法。無縫鋼管的冷加工，可以提高鋼管的尺寸精度和加工光潔度，改善材質的機械性能等。
　　2.2 電阻焊鋼管
　　電阻焊（Electric Resistance Welded）鋼管，簡稱ERW鋼管或高頻焊管，它具有以下諸多優點：
　　(1) 生產效率高，成本低，其價格約為UOE直縫埋弧焊鋼管的85％；
　　(2) 尺寸精度高，其圓度（Roundenss）優于螺旋焊管，在現場對口可節省大量工時；
　　(3) 表面光潔，外形美觀，有利于內、外防腐層的涂敷。
　　過去，由于ERW鋼管焊縫可靠性差，管道曾出現過大量事故，因此限制了對ERW鋼管的使用。近來，浙江金洲集團投入巨資，通過研究人員和制管廠的共同努力，這種情況已有很大改變，ERW鋼管的焊縫質量已可以與直縫埋弧焊鋼管相比媲美。
　　金洲集團ERW制管過程采取了以下技術措施：
　　(1) ERW鋼管制管過程中熱輸入量的控制，影響熱輸入量的因素很多，首先是會聚角（Convergency Angle）的影響。試驗結果表明，在其它因素不變的情況下，會聚角太大會造成冷焊，會聚角過小則會造成過燒。影響熱輸入量的另一因素是鋼管在成形線上的前進速度。試驗結果表明，在其它因素不變的情況下，速度過快會造成冷焊，速度過慢則易造成過燒；
　　(2) 加強在線自動檢測，金洲公司制管廠為了保證ERW鋼管的質量，在制管工藝中增設了多道探傷檢測。開卷后，鋼帶兩側進行超聲波檢測，焊接完成后進行渦流探傷。除此之外，還要進行多次外觀檢查，并抽樣進行壓扁試驗及其它機械性能試驗。
　　2.3 螺旋縫埋弧焊鋼管
　　將帶鋼按螺旋形彎曲成形，用埋弧自動焊進行內縫和外縫的焊接制成螺旋縫鋼管。由于以下原因它能廣泛地應用于大直徑鋼管的生產中：
　　(1) 只要改變成形角度，就可以用同一寬度的帶鋼生產各種口徑的鋼管；
　　(2) 因為是連續彎曲成形，所以鋼管的定尺長度不受限制；
　　(3) 焊縫螺旋形均勻地分布在整個鋼管圓周上，所以鋼管的尺寸精度高，強度也較高；
　　(4) 設備費用便宜，易于變更尺寸，適合于小批量、多品種鋼管的生產。
　　螺旋管的焊縫比直縫管長，如管長為L，則焊縫長度為L/cosα(α為成形角)。而鋼管缺陷的絕大部分集中在焊縫及熱影響區，焊縫長就意味著缺陷出現的概率大，這是長期制約螺旋焊管更加廣泛應用的主要原因，也是長期以來爭論不休的螺旋管與直縫管，特別是與UOE鋼管相比誰更優越的問題。螺旋管制造技術發展到今天，我們應該全面地、正確地進行評價和比較，重新認識螺旋管焊縫較長的問題。首先，由于缺陷與焊縫相平行，故對螺旋管來說，其焊縫的缺陷為“斜缺陷”。在使用過程中，鋼管的主應力方向，即鋼管軸線方向的當量缺陷長度比直縫管小；其次，由于管線鋼均為軋制鋼板，沖擊韌性有較大的各向異性，順軋制方向的CVN值可比垂直于軋制方向的CVN值高3倍。直縫管所受的主應力恰恰垂直于管材抗沖擊能力最低的方向，而螺旋管則錯開了α角。再者，在螺旋管的生產過程中，由于不斷進行工藝和技術改進，檢驗設備和技術不斷進步和完善，使焊縫產生缺陷的機率已相當低，焊接接頭100％的無損檢測，使鋼管出廠合格率真正達到了100％，尤其是水壓試驗后微機控制的全焊縫Ｘ射線實時成像連續檢查，更加提高了螺旋管的可靠性，使螺旋管焊縫長的劣勢轉變成了優勢。
　　2.4 鍍鋅管
　　鋅較鐵有更負的電極電位，當鋅和鐵構成微電池時，鋅為陽極，鐵為陰極，在受到腐蝕時，鋅溶解而鐵不受損害，故鋅鍍在鐵上起到犧牲陽極的作用。
　　(1) 熱鍍鋅管――熱鍍鋅管是使熔融金屬與鐵基體反應而產生合金層，從而使基體和鍍層二者相結合。熱鍍鋅是先將鋼管進行酸洗，為了去除鋼管表面的氧化鐵，酸洗后，通過氯化銨或氯化鋅水溶液或氯化銨和氯化鋅混合水溶液槽中進行清洗，然后送入熱浸鍍槽中。熱鍍鋅具有鍍層均勻，附著力強，使用壽命長等優點。
　　(2) 冷鍍鋅管――冷鍍鋅就是電鍍鋅，鍍鋅量很少，只有10－50g/m²，其本身的耐腐蝕性比熱鍍鋅管相差很多。正規的鍍鋅管生產廠家，為了保證質量，大多不采用電鍍鋅（冷鍍）。只有那些規模小、設備陳舊的小企業采用電鍍鋅，當然他們的價格也相對便宜一些。目前建設部已正式下文，淘汰技術落后的冷鍍鋅管，今后不準用冷鍍鋅管作水、煤氣管。

　　3 管壁涂敷

　　水工程干線管道和城區管網都是埋地敷設，為了延長管道的使用壽命，避免金屬腐蝕，從世界上有供水工程開始，人們就埋地金屬管道的腐蝕機理，防腐方法，涂層結構等進行了不懈地探索與研究，已形成多種防腐體系，對埋地金屬管道進行外壁涂敷，管道的壽命大大提高。飲水是人類賴以生存的最基本要素，現代人對水質的要求越來越高，為滿足高水質要求，其中最重要的環節是輸水過程中，不滋生細菌，不污染水質。
　　3.1 管道外（涂敷）防腐
　　腐蝕是金屬在周圍介質的化學、電化學作用下所引起的一種破壞。
　　金屬腐蝕按其性質可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕是金屬直接和介質接觸起化學作用而引起金屬離子的溶解過程。而電化學腐蝕是金屬和電解質組成原電池所發生的電解過程。金屬在土壤、水或潮氣等電解質溶液中，一般都發生電化學腐蝕。埋地管道外腐蝕的原因比較復雜，一般歸納為以下三種原因：
　　(1) 電化學腐蝕――由于土壤是固態、液態、氣態三種物質所組成的復雜混合物，土壤顆粒間充滿空氣、水和各種鹽類，使土壤具有電解質溶液的特征，埋地管道裸露的金屬（如涂層被機械破壞，微生物破壞等），就和土壤電解質組成了原電池，導致金屬的電化學腐蝕。
　　(2) 雜散電流對管道的腐蝕――由于外界漏電影響，土壤中有雜散電流通過管道，因而發生電解作用，使管道腐蝕。
　　(3) 細菌作用引起的腐蝕――據研究，微生物參與腐蝕的過程中，不同種類細菌的腐蝕行為，條件各不相同，例如在缺氧土壤中存在厭氧的硫酸鹽還原菌，它能將可溶的硫酸鹽轉化為硫化氫，使土壤中H^＋濃度增加，加速了埋地管道的腐蝕作用。
　　對埋地管道腐蝕調查與研究標明，埋地管道外壁絕緣層的損壞是造成管道遭受土壤腐蝕的主要原因，為了保證管線長期安全生產，針對土壤腐蝕的特點，可以從以下幾個途徑來制止腐蝕的發生和降低腐蝕程度：
　　(1) 選用耐腐蝕的管材；
　　(2) 增加管道與土壤之間的過渡電阻，減小腐蝕電流，如采用石油瀝青、煤焦油瓷漆、粘膠帶、環氧粉末、三層PE等絕緣層，使絕緣層電阻較大，絕緣層的致密性很好（無針孔），從而把腐蝕電流減少到最小程度；
　　(3) 采用電法保護（陰極保護和犧牲陽級保護），一般電法保護應與絕緣層保護相結合，以減小保護電流的消耗。
　　國內過去多采用石油瀝青防腐層，近年來，我國陸續研究開發了聚乙烯夾克（兩層結構）、熔結環氧粉末涂層、聚乙烯膠粘帶和煤焦油瓷漆等防腐技術，取得了較好的防腐效果。但在實際應用中，也暴露出這些防腐技術的不足之處，如兩層結構聚乙烯夾克的粘結性較差、熔結環氧粉末層的機械性能較低、煤焦油瓷漆的環境污染問題以及聚乙烯膠粘帶的施工質量難以保證等，因此，歐洲一些國家自80年代以來，研究開發并成功應用了熔結環氧/擠出聚乙烯三層結構防腐涂層技術，這是目前國際上認為最先進的管道外防腐技術。
　　擠出聚乙烯包覆涂層，以其優異的物理機械性能，良好的耐化學腐蝕性能，極低的水、氧滲透性和低環境污染，被公認是當前最有發展前途的防腐材料之一。但是，非極性的聚乙烯涂層與極性的鋼管表面粘接性差，為了解決這一問題，人們采用了多種方法。傳統的方法是在聚乙烯涂層與鋼管之間涂一層“軟基”瑪蹄脂或橡膠粘接劑或“硬基”聚乙烯共聚物底膠，形成兩層涂層結構。而有些國家則采用高溫熔結聚乙烯粉末的方法，但無論是兩層結構涂層還是熔結聚乙烯粉末涂層，都存在兩個缺點：一是陰級剝離強度弱，二是與鋼材的粘接性能低且不穩定，尤其在較高溫度下更為明顯。為了更好地解決聚乙烯涂層與鋼管表面的粘接問題，以德國、意大利為代表的歐洲國家，于80年代廣泛采用了三層聚烯烴管道防腐涂層（以下簡稱三層PE）。這種涂層結構包括：環氧底漆、共聚物中間層、聚乙烯外涂層、三層結構防腐層綜合了熔結環氧粉末涂層和擠壓聚烯烴兩種防腐層的優良性質，將熔結環氧粉末涂層的界面特性和耐化學特性，同擠壓聚烯烴防腐層的機械特性等優點結合起來，從而顯著改善各自的性能。對熔結環氧粉末涂層，抗機械破壞性能弱的缺點得到彌補；對兩層結構的擠壓聚烯烴防腐層，粘結性能差的弱點得到改善，大大提高了防腐層的抗陰極剝離性能和機械強度。
　　3.2 環氧粉末涂敷鋼管
　　為了同時解決鋼管的外壁腐蝕、內壁輸水質量問題，浙江金洲集團會同科研單位、高等院校研制的新一代綠色管材――“金洲”牌環氧類粉末涂敷鋼管，是采用優質高頻焊管、螺旋焊管或無縫鋼管為基體，以先進的流化床涂敷工藝，在鋼管內外壁熔融涂敷無毒食品級環氧粉末涂料，具有國際先進管材的水準，它的開發成功，填補了國內空白，是我國替代進口管材的首選。
　　環氧類粉末涂敷鋼管具有優良的機械性能，涂層附著力好，抗腐蝕性強，可耐酸、堿及其它化學腐蝕，無毒、耐磨，耐沖擊性好，耐滲透性強，管道表面光滑，可以提高輸送效率，解決管道阻塞問題，減少輸送壓力損失，涂層中無溶劑，無可滲出物質，因而不會污染輸送介質，保證介質的純潔度和衛生性。涂層具有優良的絕緣性和耐候性，在－40℃至＋80℃范圍可循環冷熱交替使用，涂層不老化、不龜裂，因而可以在寒冷、酷熱地帶等苛刻的環境下使用。
　　產品現已取得浙江省衛生廳頒發的產品衛生許可證，并通過浙江省省級新產品鑒定，鑒定結論為：本產品采用的流化床涂敷工藝屬國內首創，產品質量居國內領先地位，主要技術性能指標達到國際同類產品先進水平。

　　4 溝槽式管接頭

　　管道傳統的連接方式有螺紋連接、法蘭連接、焊接連接、承插連接。
　　螺紋連接只適用于小口徑管道的連接，當管道直徑DN>100時，現場加工螺紋困難，安裝極不方便。
　　法蘭連接對孔對鎖操作復雜，安裝速度慢，法蘭成本高。
　　焊接連接安裝速度慢，焊接操作需要專業焊工，電焊高溫燒損涂敷層后，管道內涂層修補非常困難。
　　承插連接適合于鑄鐵管道，應用已有很長歷史。但長期以來承插連接的的泄漏問題一直未能解決。
　　針對傳統連接方法的弊端，現已開發出溝槽式管接頭及配件。溝槽式管接頭安全可靠、簡單經濟、不損壞涂層，是當今帶涂層管道的最佳連接方式，特別適用于壓力≤2.5MPa，管徑Φ108～Φ630鍍鋅管、鋼塑復合管、環氧粉末涂敷鋼管的連接。
　　根據需要（輸送介質種類、壓力、溫度等參數），可先將鋼管滾槽，再進行鍍鋅或噴涂環氧粉末，并配置合適的溝槽式管接頭配件，同時供貨，以方便現場安裝。溝槽式管接頭和管件之間不需要焊接，不需要二次涂敷，不存在二次安裝。安裝速度比法蘭連接快3倍以上。溝槽式管接頭比法蘭輕，螺栓數量少，舍棄了法蘭接頭的對孔對鎖等復雜程序，作業時無需特殊技術，作業人員只需一把扳手單側操作即可。科學合理的設計為管道提供可靠耐久的三重保障：①選用高品質的橡膠圈密封，獨特的Ｃ型結構，使得管內壓力越大，密封性能越好；②溝槽式管接頭的凸緣與管端溝槽全圓周嚙合，二只高強度螺栓緊緊鎖定接頭；③產品的材料選用高強度、耐腐蝕的QT450－10牌號球墨鑄鐵，壽命超過管材本身。溝槽式管接頭配管工程無需動火，只需機械組裝，可確保工地安全，特別適合禁火工地。溝槽式管接頭與傳統的法蘭相比，施工的總費用可節約10％－20％。管道未端可阻斷噪音并防止震動的傳播，Ｃ型橡膠圈充分發揮吸音和減振作用。撓性接頭更能解決管道熱脹冷縮，整個系統不需另加軟接頭。溝槽式管接頭除可以與各種無縫鋼管，鍍鋅鋼管，焊接鋼管、不銹鋼管、銅管等連接外，特別能對防腐管道的連接，是目前國內外最先進的連接方法，是管道新材料的最佳搭檔。根據要求和管道內部介質的不同選用不同的橡膠圈，可以提供－34℃～400℃的超寬工作溫度。溝槽式管接頭配管系統只需拆下兩顆螺栓即可進行管件的清洗，維修或更換，可根據需要進行任意改造延伸，定期轉動鋼管還可使管子內部磨損均勻。

　　5 建議

　　給水工程關系千家萬戶，供給人們清潔衛生的自來水，是決策者和專業設計人員的職責。工程決策、設計過程中鋼管選用，應以較小的投入獲得較大滿意度。筆者根據深入的理論研究和長期實踐經驗，提出以下建議，僅供參考。
　　(1) 城市供水干線管道（DN500－DN1000），宜選用螺旋縫埋弧焊鋼管，內壁用無毒型環氧粉末涂敷，外壁用三層PE防腐或環氧粉末防腐；
　　(2) 城市供水支線（DN300－DN500）宜選用螺旋縫埋弧焊鋼管，內外壁均采用環氧粉末防腐；
　　(3) 庭院管網（DN100－DN300），宜選用ERW鋼管或螺旋縫埋弧焊鋼管，內外壁均采用環氧粉末涂敷防腐；
　　(4) 進戶立管（DN20－DN50），宜選用鋼塑復合管，鋼管基體，內外壁鍍鋅，內壁環氧粉末涂敷防腐；
　　(5) 戶內管道（DN15－DN20），宜選用鋼塑復合管、鋁塑復合管、PPR全塑管等，外形美觀，安裝方便，價格適中。

二000年九月