廣州市自來水公司 范次樵 程錫齡 程金煦

　　提　要 供水的發展、管網的改造，合理選擇管材是減少漏耗，節約水的資源，安全供水的需要。本文介紹了擴脹成型承插式柔性接口鋼管的應用特點。
　　關鍵詞 缺水 管材選擇 柔性接口鋼管

0、概述

　　全國自來水日供水量超過100萬m3/d 的城市有十余個，超過日供水量550萬m3/d的城市有一個，超過300萬m3/d的為3-4個城市。八十年代，建設部在規定自來水企業的企業上等級標準中，其供水損失率，對于大型企業來說，不超過8%，這一規定實質上幾乎所有企業都不能達到。目前將改為產銷差率，其標準為≤16.3%。就我們所掌握的資料來看，很多大、中城市都尚難達到，如廣東省的兩座中等城市，其日供水量為50-70萬m3/d，而其產銷差率均超過20%。產銷差率當然包括很多項，然而，漏耗無疑是占有特別重要的份額。
　　以我國南方一座日供水量為370萬m3/d的城市為例，按產銷差率計算，每日的無效供水量為61.29萬m3 ，這一數字是相當驚人的，它超過了很多歐洲國家中等以上城市的日供水量，如平均水價按1.2 元/ m3 計,則無效供水的損失每年達2億多元。當然產銷差率不可能為零，若通過提高管理水平，提高供水管網的供水安全可靠性，減少漏耗3--5%，還是有可能的，這則可以每年減少損失3950-6580萬元。同時，還必須指出，漏耗大，也是白白浪費了寶貴的水資源。
要減少漏耗，首先要從管道的材質施工質量入手。現在，很多城市已經以球墨鑄鐵管代替灰口鑄鐵管，用UPVC管代替DN200以下的灰口鑄鐵管和鍍鋅管，從而提高了管網的供水安全可靠性，同時亦減少了漏耗。但是，對于大口徑管道，如何合理選擇管材，是值得探討的問題。本文就大口徑管材選擇問題進行討論。

1、管材的選擇

1.1管材質量
　　埋地管道長年累月承受輸送液體內壓、泥土及地面荷載的外壓、高溫變化引起的拉伸應力以及地基的不均勻沉降等產生的綜合應力，還要承受水錘沖擊力，因此管材首先應有足夠強度。塑料管代替鍍鋅鋼管，球鐵管替代灰口鑄鐵管，予應力鋼筒混凝土管替代予應力鋼筋混凝土管，成品管替代現澆混凝土渠道，這是提高工程質量的需要，玻璃鋼管、鋼管都是質量好的管材，其中鋼管的強度最高。
1.2　運行安全可靠、維修快捷方便
　　由于管線運行存在上述多種因素影響，管材除強度滿足使用條件外，還應考慮管道一旦損壞，是否能快捷修復的因素，予應力鋼筒混凝土管、予應力混凝土管、球鐵鋼等都缺乏專用搶修配件，轉換管材修復會延長維修時間、增加修理的工作量；鋼管開叉、接駁維修快捷方便而且費用低；玻璃鋼管也可采用粘接修補，但修復粘接時對環境的要求較高，粘接面必需干燥，所以不能帶水修復。
1.3　接口形式
　　剛性接口由于無法消除溫差引起的管道拉伸及地基不均勻沉降的變化，這是過去安裝的灰口鑄鐵管（石棉水泥接口）斷裂、爆漏嚴重根本原因。鋼管雖管材的機械強度很高，但剛性（焊縫）接口處較易形成應力集中，是造成鋼管爆漏最大薄弱環節，同時根據國內外地震對管道造成損壞的統計，剛性接口管的震害率高達50%，而柔性接口管則損害輕微。我國也是地震的高發區，因此除特殊段外應選擇柔性接口管。
1.4　水質、水力條件及防腐蝕性好
　　鋼管、予應力鋼筒鋼筋混凝土管、球鐵管都采用水泥砂漿襯里達到防腐的目的的及提高了水力條件，并解決了鋼管及球鐵管內孔結水垢影響水質的問題。玻璃鋼管是耐腐蝕及水力條件較好的管材，有節約能耗的優點，但該管硬度低，受沉積粒沖刷會否分玻璃纖維而影響水質還需探討。
1.5管材的價格
　　管材的價格占管道綜合工程投資比例50%以上，因此選擇價格合適的管材對整個輸水工程顯得十分重要。玻璃鋼管由于其主要的材料--聚脂樹脂價格較貴，是造成該管的主要原因。大口徑的球鐵管由于管壁較厚，增加管的重量，管價比鋼管貴；傳統鋼管由于管壁厚度的有效利用率低，使鋼材消耗大，管價在球鐵管與予應力鋼筒混凝土管之間；鋼筋混凝土管價格最低。
1.6安裝費用
　　安裝難易，運輸及吊機具的使用，管坑的基礎開挖及回填處理等施工費用占管道工程造價的30%左右，同樣是柔性接口管的予應力鋼筒混凝土管、予應力混凝土由于比球鐵管重所以安裝費高些。鋼管管身雖較輕，但由于手工焊接工效低、耗料多，管坑的抽水及坑道保護樁板工作量的增加，焊縫的質檢、發電機組及焊接機具等費用的發生，使鋼管的安裝費用明顯高于其它柔性接口管。玻璃鋼管管身最輕，但剛度低，對管坑的開挖及回填處理要求高，所以安裝費用會高些。

2、各種管材存在的弱點

　　大口徑管道的輸引水管線一般較長，安裝環境較惡劣，地形復雜，土質變化大，運離公路。管身太重，排運管材及吊裝費用較大，這成為使用予應力鋼筋混凝土管、予應力鋼筒混凝土管要考慮的因素；剛度低、管坑回填要求高、運送回填砂石困難、費用大，以及管質硬度低，表面易破損，這是應用玻璃鋼管要注意的問題；大口徑的球鐵管由于管價較貴，影響了他的普遍使用；鋼管的管材質量、環境的適應性最好，但它剛性（焊接）接口引起的弊端需加以消除才能更顯優勢。
　　綜上所述 ，現階段我國大口徑管道使用的管材各有優缺點，每種管材都需要進一步提高性能，消除弱點，進一步提高管線的安全可靠性，降低管道的工程造價才是理想的使用管材。

3、鋼管的發展

　　鋼管的由于具有生產工藝簡單，產品原料質量穩定可靠，成品質量易控制等制造優勢；及具有強度高，韌性好，能承受高的內外壓等的材質優勢；還具有管材的可焊性，易于修理及制造管件，對復雜的地形及要求較高的管線適應性強的應用優勢而被廣泛使用。鋼管內外防護處理得當，使用年限也很長，如上海楊樹浦水廠一根1m直徑的出廠管已使用60多年，至今仍然很好。內襯水泥砂漿，外敷玻璃布環氧煤瀝青的防腐措施，只要嚴格執行工藝要求，使用50年以上沒有問題。但在安裝上，由于接口是現場人工焊接，所以存在工藝落后、焊接工人勞動強度大，施工效率低，焊縫質量受環境、天氣及工人的操作質量直接影響以及接口的焊縫無法消除殘余應力。當地形、溫度或者載荷發生變化，有缺陷的接口焊縫就會出現應力集中，這是鋼管通常出現爆裂事故的主要原因。同時水道鋼管的加工一般采用三輥卷板機卷制，管筒圓度較差，使現場安裝相鄰兩根管的管壁錯邊量一般都會超過20%以上，因此不但降低了管壁厚度的有效利用率、浪費了鋼材，而且還會使管道產生附加的應力。因此鋼管的剛性接口是造成降低管線質量和安裝費用大的直接原因。
3.1 承插式焊接接口鋼管
　　承插式焊接接口鋼管，目前在同外已普遍使用，是傳統大口徑鋼管的第二代產品。該管的兩端分別具有承口和插口，安裝時將插口插進承口內，并通過對承插口的相互搭接面進行角焊接，它把安裝傳統鋼管的對接焊縫接口改為搭接焊縫接口，接口的強度得到一定的提高。1999年廣州市的劉屋洲120m3/d洲的輸水工程在國內首次安裝了DN2000~DN2400的該種承插式焊接接口鋼管近10km，其中有近3km是過河管段，使用情況較好。但該種管的安裝卻增加近50%的焊接的工作量，使施工成來明顯增加、工效更低。此外，由于這同樣是一種剛性連接，當濕度變化或地基不均勻沉降時，管道接口焊縫仍然存在應力集中，因此亦未能徹底解決鋼管安裝的質量問題。
3.2 承插式柔性接口鋼管
　　最近已獲得中國專利的"擴脹成型承插式柔性接口鋼管"已在廣州市自來水公司首先應用，它是繼"承插式焊接鋼管"發展的第三代新型鋼管，該管的兩端分別具有承口和插口，安裝時只震在插口上套上膠圈，并把插口拉進已裝管的承口內，通過膠圈受壓反彈密封接口，實現鋼管安裝的柔性接口連接。因此該種管既保留鋼管強度高、韌性大、能承受大壓力等優點，又具有柔性接口管的安裝快捷方便，施工費用低等優點，而且還解決鋼管由剛性接口所產生影響管線質量的問題，提高了鋼管的質量檔次。
　　"擴脹成型承插式柔性接口鋼管"的承插口加工是采用先進的冷擴成型技術，該技術填補了低成本生產鋼制柔性接口管的國內空白，可用較低的生產成本獲行成型尺寸精度高、質量好的承插式柔性接口的新型鋼管，同時該擴脹設備先進、技術可靠，任何規模的鋼管廠只需添置該種設備，都可直接將傳統的鋼管升級為這種新的管型，所以該技術實用性強，易推廣應用。同時該種柔性接口管的安裝，施工單位只需具有安裝柔性管的經驗說可進行安裝，且由于該種接口構造科學，安裝十分方便快捷，工程質量容易保證。
　　今年四月間由中國工程建設標準化協會組織，由該會的管道結構委員會主持，有中國城鎮供水科技委員會及國內幾大市政工程設計研究院等共12位專家組成的鑒定委員會對"擴脹成型承插式柔性接口鋼管"進行了技術鑒定，確認該管與目前廣泛應用的整體焊接鋼管相比具有很多優點："減少溫度應力，改善管道的受力狀態；提高管道適應地基不均勻沉降和抗震的結構性能，并免除現場焊接，方便施工，縮短工期確保了接口的質量。同時該技術拓展了鋼管的工程應用功能，具有較好的經濟效益和社會效益，屬國內首創，達到國際水平。

4、"擴脹成型承插式柔性接口鋼管"的特點

4.1 鋼管的焊縫工廠化生產、管道質量好
　　 傳統鋼管（中大型）的加工，一般是將鋼板經轆輥滾壓卷制成圓筒，再經焊接為鋼管，安裝時亦需經焊接連為管道，因此稱為整體焊接的鋼管。對大口徑的鋼管線來說，由于三分之一以上的焊接工作量是在安裝的現場用人工焊接完成，現場施工環境的惡劣、工作條件之差、勞動強度之大，要確保全部焊縫都達到質量標準難度很大，因此現場的焊接是決定和影響整體焊接鋼管質量的主要因素。
　　柔性接口鋼管的安裝是通過膠圈密封實現鋼管接口的連接，所以免除了現場的焊接，實現了鋼管全部焊縫工廠化生產，使焊接質量容易保證，同時安裝的管道也避免接口因焊縫質量差或對接口的錯邊現象而降低管道的安全性，有效保證了管道的質量。
4.2 接口結構性能好
　　該種柔性接口的鋼管接口構造科學（見圖1），管道之間的徑向力直接由管道相互支承，使膠圈密封性能更可靠，同時該管的接口有一定的借轉角，能適應地基變動，管道伸縮、彎折，不均勻沉降等，抗震性能良好，解決了整體焊接鋼管接口焊縫應力集中易發生爆裂的薄弱環節，有效提高管線的質量。
4.3 減少溫度應力、鋼管的安全性好
　　由于管道輸送的水其水溫度變化是不可避免，如冬夏溫差25℃時，溫度變化引起鋼管的軸向應力達63MPa。而柔性接口的鋼管由于每個接口都起到溫度補償器的作用，可使由溫度產生的軸向應力降低近8/9，因此改善了管道的受力狀態，有效提高鋼管的安全性。
4.4 作業的安全性好
　　該種柔性的接口鋼管由于安裝快捷、施工人員在坑道內作業時間很短，以及開挖的管坑擱置的時間很短，可有效減少管坑塌方的危險，同時由于安裝時不需焊接，從而避免了坑內帶電作業的危險性和免除使用氧氣、乙炔等易燃易爆器具，有效提高管道施工的安全性。
4.5 安裝簡便，改善工人的勞動條件和降低工人的勞動強度
　　該種柔性的接口鋼管安裝時只需配備拉力器，在吊機的配合下其安裝的工效很高，如DN1200該種柔性管的安裝，直接操作只需4人，平均20分鐘裝好一條，比焊接管提高工效6倍以上，同時工人施工時還可免受因焊接所產生的高溫及有害氣體對人體的影響，極大改善工人的勞動條件和有效降低工人的勞動強度。
4.6 兼柔（膠圈）剛（焊接）兩用接口連接，使用方便、性能好
該種柔性接口鋼管在架空或過河等需剛性連接的特殊管段，可通過對承插口相互套入的搭接面進行角焊焊接（即亦具有第二代鋼管的功能），就可以得到質量比傳統鋼管好的剛性接口，同時該管開叉、接駁、制造管件及焊接加固環等靈活方便，在有推力發生的管段亦可通過對管段之間的焊接連長管段，增加管道與泥土之間的磨擦來承受管道的推力，因此該種管型使用十分方便。
4.7 降低工程成本效果好
該種柔性接口鋼管與整體焊接鋼管相比安裝時既可節省焊接的工料費、發電機組臺班及焊接機具等使用費用，同時還可相應降低管坑的抽水和打撥樁板等費用，又可使吊機、挖土機等機械提高設備的利用效率。以安裝DN1200管計算，鋼管的安裝由剛性（焊接）接口，改為柔性（膠圈）接口的形式，可減少直接安裝費183.5元/m（見表1），降低直接安裝費近35%（見表2）。因此采用這種柔性接口的鋼管不但有效提高了管線的質量，而且還可相應降低管道的工程造價，是十分實用的理想新管材。

表（1）安裝DN 1200剛性（焊接）接口鋼管與柔性（膠圈）接口鋼管直接安裝費對比表

管型

內容

焊接接口鋼管（元）

柔性接口鋼管（元）

相差（元）

挖管坑

84.277工*24.50元/工*1.18=2436.46

84.297工*24.50元/工*1.11=2291.93

114.53

管坑回填士

77.52m³*0.383工/m³*24.5元/工=727.41

77.52m³*0.383工/m³*24.5元/工=727.41

0.00

發電機

2.2臺班*122.98/臺班*1.7=459.95

0

459.95

電焊機

2.2臺班*89.92元/臺班*1.7=336.30

0

336.30

電焊條

17.52kg*3.34元/kg*1.69=98.89

0

98.89

氧氣

2.39m³*4.62元/m³*1.69=18.66

0

18.66

電石

4.07kg*1.54元/kg*1.69=10.59

0

10.59

其它材料費

4.81元*1.69=8.13

0

8.13

起重機

0.27臺班*208.44元/臺班*1.7=95.67

0.07臺班*208.44元/臺班*1.7=24.08

70.87

其它機械費

11.33元*1.7=22.66

3.33元*1.7=5.66

17.00

抽水泵

2.2臺班*61.64元/臺班*1.7=230.53

0.55臺班*61.64元/臺班*1.7=57.63

172.90

柴油價差

116.23kg*1.34元/kg=155.75

4.28kg*1.34元/kg=5.74

150.01

鋼管安裝人工費

16.06工*24.5元/工=393.47

4.02工*24.5元/工=98.49

294.98

焊口內外防腐費

1.13m²*67.04元/ m²=75.76

0.38m²*67.04元/ m²=25.48

50.28

焊接工作位檔土板

14.69m²*7.11元/ m²=104.45

0

104.45

膠圈

0

1.7個*60元/個=102

-102.00

載重汽車

0.09臺班*139.27元/臺班*1.7=21.31

0.09臺班*139.27元/臺班*1.7=21.31

0.00

合計

5195.99

3360.45

1835.54

　　注：1、計算單位10m；
　　　　2、按93年廣東省市政工程單位估價表，穗建定[1998]216號文"市政計算標準"計算；
　　　　3、剛性（焊接）接口鋼管直接安裝費套用93年"廣東省政工程估價表定額編號（5-83）；
　　　　4、柔性接口鋼管由于安裝工效比剛性鋼管提高6倍以上，所以減少安裝費用效果明顯。

　　表（2）安裝DN800-DN3000剛性（焊接）接口鋼管與柔性（膠圈）接口鋼管直接安裝費對比表

規格mm
管型

DN800

DN1000

DN1200

DN1400

DN1600

DN800

DN2000

DN2400

DN2600

DN3000

焊接接口鋼管

（元）

3644.82

4443.84

5195.99

6170.25

8040.14

9278.76

11525.93

13502.56

15305.19

18719.53

柔性接口鋼管

（元）

2399.75

2883.68

3360.45

3889.68

4795.17

5653.32

6478.52

7897.35

8822.32

10513.83

相差

（元）

1245.07

1560.16

1835.54

2280.57

3244.97

3625.44

5047.41

5605.21

6482.87

8205.7

直接安裝費

降低（%）

34

35

35

37

40

39

44

42

42

44

　　注: 1、計算單位：10m；
　　　　2、本表按1993年廣東省市政工程單位估價表、穗建定[1998]216號文"市政計算標準"計算；
　　　　3、剛性（焊接）接口鋼管直接安裝費套用93年"廣東省市政工程單位估價表"，定額編號（5-80至90）；
　　　　4、柔性接口鋼管由于"減少溫度應力，改善管道的受力狀態；提高管道適應地基不均勻沉降和抗震結構性能，并免除現場焊接，施工快捷方便、工效高、減少安裝費用效果明顯。因此是具有較好的經濟效益和社會效益的理想管型；
　　　　5、鋼管廠只需要引進擴脹的技術和設備，對傳統鋼管進行擴脹承插口的深加工，便可使產品升級換代。

5 結語

　　據"十五"計劃我國要新增加供水能力400億立方米及隨著"南水北調"大規模的工程建設的開展，一個輸引水管道的建設高峰期即將到來，因此生產和使用符合我國國情的管材，對促進我國國民經濟的發展意義十分巨大。
　　具有我國自主知識產權的"擴脹成型承插式柔性接口鋼管"（簡稱SJSP）與目前美國使用量較大的"預應力鋼筒混疑士管"（PCCP）相比優勢各異。其一，兩者同樣是鋼制的承插口，也是通過壓縮膠圈實現接口的柔性連接，但PCCP管的承插口是分別加工后再經焊接與管筒相連，而SJSP管的承插口是由管筒直接擴脹成型，生產工效更高，精度更好，管價更低；其二，兩者同樣是水泥砂漿襯里，水力條件相當，但SJSP管的外防腐是采用環氧煤瀝青的涂層，使鋼管既能達到使用五十年以上的防腐目的，卻又比混凝士外涂層的PCCP管更輕，更適合我國施工機械設施較差的國情，可減少運輸及吊裝的費用，有效降低工程的造價；其三，SJSP管具有可焊性，易于修理及制造管件，具柔（膠圈）剛（焊接）兩用接口，可通過采用焊接連長管段的方法來解決大口徑柔性接口管道存在較難處理的搗制支墩問題，對復雜的地形及要求較高的管線適應性強及全環境適用等優點是PCCP管及其他管材都無法比擬的。
同時SJSP還有雙膠圈管型，可通過對每個接口獨立試驗水壓，檢查每個接口水密性，這不但有效保證管道的安裝質量，而且還解決大管徑的柔性接口管較難處理因試壓出現的推力問題，使之應用更方便。
因此SJSP管是一種既先進、又很適合我國國情的理想新管型。鋼管生產廠可引進擴脹技術，通過對傳統鋼管進行擴脹承插口的深加工，達到產品的升級換代和增加產品利潤的目的；管道的安裝施工企業又可通過對鋼管的安裝形式的改進，達到有效改善工人的勞動條件、降低勞動強度、提高施工的安全性和降低工程的施工成本的目的；管道的建設投資方可通過使用該管來提高管線的質量水平及縮短施工工期，達到保證安全供水和提高工程投資效益的目的。因此應用SJSP管的社會效益和經濟經效益都十分理想。同時隨著我國加入WTO，掌握優質管型的生產廠或施工企業對開拓國內外市場也是一個很好的契機。

參考文獻

　　1、宋仁元"輸配水管網管材及接口的合理選擇"《城鎮供水》。1997（2）12~14。
　　2、趙亂成"給水管道損壞的主要原因和對策"《給水排水》。1997（12）55~58。

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