合理选择管材减少漏耗

广州市自来水公司 范次樵 程锡龄 程金煦

　　提　要 供水的发展、管网的改造，合理选择管材是减少漏耗，节约水的资源，安全供水的需要。本文介绍了扩胀成型承插式柔性接口钢管的应用特点。
　　关键词 缺水 管材选择 柔性接口钢管

0、概述

　　全国自来水日供水量超过100万m3/d 的城市有十余个，超过日供水量550万m3/d的城市有一个，超过300万m3/d的为3-4个城市。八十年代，建设部在规定自来水企业的企业上等级标准中，其供水损失率，对于大型企业来说，不超过8%，这一规定实质上几乎所有企业都不能达到。目前将改为产销差率，其标准为≤16.3%。就我们所掌握的资料来看，很多大、中城市都尚难达到，如广东省的两座中等城市，其日供水量为50-70万m3/d，而其产销差率均超过20%。产销差率当然包括很多项，然而，漏耗无疑是占有特别重要的份额。
　　以我国南方一座日供水量为370万m3/d的城市为例，按产销差率计算，每日的无效供水量为61.29万m3 ，这一数字是相当惊人的，它超过了很多欧洲国家中等以上城市的日供水量，如平均水价按1.2 元/ m3 计,则无效供水的损失每年达2亿多元。当然产销差率不可能为零，若通过提高管理水平，提高供水管网的供水安全可靠性，减少漏耗3--5%，还是有可能的，这则可以每年减少损失3950-6580万元。同时，还必须指出，漏耗大，也是白白浪费了宝贵的水资源。
要减少漏耗，首先要从管道的材质施工质量入手。现在，很多城市已经以球墨铸铁管代替灰口铸铁管，用UPVC管代替DN200以下的灰口铸铁管和镀锌管，从而提高了管网的供水安全可靠性，同时亦减少了漏耗。但是，对于大口径管道，如何合理选择管材，是值得探讨的问题。本文就大口径管材选择问题进行讨论。

1、管材的选择

1.1管材质量
　　埋地管道长年累月承受输送液体内压、泥土及地面荷载的外压、高温变化引起的拉伸应力以及地基的不均匀沉降等产生的综合应力，还要承受水锤冲击力，因此管材首先应有足够强度。塑料管代替镀锌钢管，球铁管替代灰口铸铁管，予应力钢筒混凝土管替代予应力钢筋混凝土管，成品管替代现浇混凝土渠道，这是提高工程质量的需要，玻璃钢管、钢管都是质量好的管材，其中钢管的强度最高。
1.2　运行安全可靠、维修快捷方便
　　由于管线运行存在上述多种因素影响，管材除强度满足使用条件外，还应考虑管道一旦损坏，是否能快捷修复的因素，予应力钢筒混凝土管、予应力混凝土管、球铁钢等都缺乏专用抢修配件，转换管材修复会延长维修时间、增加修理的工作量；钢管开叉、接驳维修快捷方便而且费用低；玻璃钢管也可采用粘接修补，但修复粘接时对环境的要求较高，粘接面必需干燥，所以不能带水修复。
1.3　接口形式
　　刚性接口由于无法消除温差引起的管道拉伸及地基不均匀沉降的变化，这是过去安装的灰口铸铁管（石棉水泥接口）断裂、爆漏严重根本原因。钢管虽管材的机械强度很高，但刚性（焊缝）接口处较易形成应力集中，是造成钢管爆漏最大薄弱环节，同时根据国内外地震对管道造成损坏的统计，刚性接口管的震害率高达50%，而柔性接口管则损害轻微。我国也是地震的高发区，因此除特殊段外应选择柔性接口管。
1.4　水质、水力条件及防腐蚀性好
　　钢管、予应力钢筒钢筋混凝土管、球铁管都采用水泥砂浆衬里达到防腐的目的的及提高了水力条件，并解决了钢管及球铁管内孔结水垢影响水质的问题。玻璃钢管是耐腐蚀及水力条件较好的管材，有节约能耗的优点，但该管硬度低，受沉积粒冲刷会否分玻璃纤维而影响水质还需探讨。
1.5管材的价格
　　管材的价格占管道综合工程投资比例50%以上，因此选择价格合适的管材对整个输水工程显得十分重要。玻璃钢管由于其主要的材料--聚脂树脂价格较贵，是造成该管的主要原因。大口径的球铁管由于管壁较厚，增加管的重量，管价比钢管贵；传统钢管由于管壁厚度的有效利用率低，使钢材消耗大，管价在球铁管与予应力钢筒混凝土管之间；钢筋混凝土管价格最低。
1.6安装费用
　　安装难易，运输及吊机具的使用，管坑的基础开挖及回填处理等施工费用占管道工程造价的30%左右，同样是柔性接口管的予应力钢筒混凝土管、予应力混凝土由于比球铁管重所以安装费高些。钢管管身虽较轻，但由于手工焊接工效低、耗料多，管坑的抽水及坑道保护桩板工作量的增加，焊缝的质检、发电机组及焊接机具等费用的发生，使钢管的安装费用明显高于其它柔性接口管。玻璃钢管管身最轻，但刚度低，对管坑的开挖及回填处理要求高，所以安装费用会高些。

2、各种管材存在的弱点

　　大口径管道的输引水管线一般较长，安装环境较恶劣，地形复杂，土质变化大，运离公路。管身太重，排运管材及吊装费用较大，这成为使用予应力钢筋混凝土管、予应力钢筒混凝土管要考虑的因素；刚度低、管坑回填要求高、运送回填砂石困难、费用大，以及管质硬度低，表面易破损，这是应用玻璃钢管要注意的问题；大口径的球铁管由于管价较贵，影响了他的普遍使用；钢管的管材质量、环境的适应性最好，但它刚性（焊接）接口引起的弊端需加以消除才能更显优势。
　　综上所述 ，现阶段我国大口径管道使用的管材各有优缺点，每种管材都需要进一步提高性能，消除弱点，进一步提高管线的安全可靠性，降低管道的工程造价才是理想的使用管材。

3、钢管的发展

　　钢管的由于具有生产工艺简单，产品原料质量稳定可靠，成品质量易控制等制造优势；及具有强度高，韧性好，能承受高的内外压等的材质优势；还具有管材的可焊性，易于修理及制造管件，对复杂的地形及要求较高的管线适应性强的应用优势而被广泛使用。钢管内外防护处理得当，使用年限也很长，如上海杨树浦水厂一根1m直径的出厂管已使用60多年，至今仍然很好。内衬水泥砂浆，外敷玻璃布环氧煤沥青的防腐措施，只要严格执行工艺要求，使用50年以上没有问题。但在安装上，由于接口是现场人工焊接，所以存在工艺落后、焊接工人劳动强度大，施工效率低，焊缝质量受环境、天气及工人的操作质量直接影响以及接口的焊缝无法消除残余应力。当地形、温度或者载荷发生变化，有缺陷的接口焊缝就会出现应力集中，这是钢管通常出现爆裂事故的主要原因。同时水道钢管的加工一般采用三辊卷板机卷制，管筒圆度较差，使现场安装相邻两根管的管壁错边量一般都会超过20%以上，因此不但降低了管壁厚度的有效利用率、浪费了钢材，而且还会使管道产生附加的应力。因此钢管的刚性接口是造成降低管线质量和安装费用大的直接原因。
3.1 承插式焊接接口钢管
　　承插式焊接接口钢管，目前在同外已普遍使用，是传统大口径钢管的第二代产品。该管的两端分别具有承口和插口，安装时将插口插进承口内，并通过对承插口的相互搭接面进行角焊接，它把安装传统钢管的对接焊缝接口改为搭接焊缝接口，接口的强度得到一定的提高。1999年广州市的刘屋洲120m3/d洲的输水工程在国内首次安装了DN2000~DN2400的该种承插式焊接接口钢管近10km，其中有近3km是过河管段，使用情况较好。但该种管的安装却增加近50%的焊接的工作量，使施工成来明显增加、工效更低。此外，由于这同样是一种刚性连接，当湿度变化或地基不均匀沉降时，管道接口焊缝仍然存在应力集中，因此亦未能彻底解决钢管安装的质量问题。
3.2 承插式柔性接口钢管
　　最近已获得中国专利的"扩胀成型承插式柔性接口钢管"已在广州市自来水公司首先应用，它是继"承插式焊接钢管"发展的第三代新型钢管，该管的两端分别具有承口和插口，安装时只震在插口上套上胶圈，并把插口拉进已装管的承口内，通过胶圈受压反弹密封接口，实现钢管安装的柔性接口连接。因此该种管既保留钢管强度高、韧性大、能承受大压力等优点，又具有柔性接口管的安装快捷方便，施工费用低等优点，而且还解决钢管由刚性接口所产生影响管线质量的问题，提高了钢管的质量档次。
　　"扩胀成型承插式柔性接口钢管"的承插口加工是采用先进的冷扩成型技术，该技术填补了低成本生产钢制柔性接口管的国内空白，可用较低的生产成本获行成型尺寸精度高、质量好的承插式柔性接口的新型钢管，同时该扩胀设备先进、技术可靠，任何规模的钢管厂只需添置该种设备，都可直接将传统的钢管升级为这种新的管型，所以该技术实用性强，易推广应用。同时该种柔性接口管的安装，施工单位只需具有安装柔性管的经验说可进行安装，且由于该种接口构造科学，安装十分方便快捷，工程质量容易保证。
　　今年四月间由中国工程建设标准化协会组织，由该会的管道结构委员会主持，有中国城镇供水科技委员会及国内几大市政工程设计研究院等共12位专家组成的鉴定委员会对"扩胀成型承插式柔性接口钢管"进行了技术鉴定，确认该管与目前广泛应用的整体焊接钢管相比具有很多优点："减少温度应力，改善管道的受力状态；提高管道适应地基不均匀沉降和抗震的结构性能，并免除现场焊接，方便施工，缩短工期确保了接口的质量。同时该技术拓展了钢管的工程应用功能，具有较好的经济效益和社会效益，属国内首创，达到国际水平。

4、"扩胀成型承插式柔性接口钢管"的特点

4.1 钢管的焊缝工厂化生产、管道质量好
　　 传统钢管（中大型）的加工，一般是将钢板经辘辊滚压卷制成圆筒，再经焊接为钢管，安装时亦需经焊接连为管道，因此称为整体焊接的钢管。对大口径的钢管线来说，由于三分之一以上的焊接工作量是在安装的现场用人工焊接完成，现场施工环境的恶劣、工作条件之差、劳动强度之大，要确保全部焊缝都达到质量标准难度很大，因此现场的焊接是决定和影响整体焊接钢管质量的主要因素。
　　柔性接口钢管的安装是通过胶圈密封实现钢管接口的连接，所以免除了现场的焊接，实现了钢管全部焊缝工厂化生产，使焊接质量容易保证，同时安装的管道也避免接口因焊缝质量差或对接口的错边现象而降低管道的安全性，有效保证了管道的质量。
4.2 接口结构性能好
　　该种柔性接口的钢管接口构造科学（见图1），管道之间的径向力直接由管道相互支承，使胶圈密封性能更可靠，同时该管的接口有一定的借转角，能适应地基变动，管道伸缩、弯折，不均匀沉降等，抗震性能良好，解决了整体焊接钢管接口焊缝应力集中易发生爆裂的薄弱环节，有效提高管线的质量。
4.3 减少温度应力、钢管的安全性好
　　由于管道输送的水其水温度变化是不可避免，如冬夏温差25℃时，温度变化引起钢管的轴向应力达63MPa。而柔性接口的钢管由于每个接口都起到温度补偿器的作用，可使由温度产生的轴向应力降低近8/9，因此改善了管道的受力状态，有效提高钢管的安全性。
4.4 作业的安全性好
　　该种柔性的接口钢管由于安装快捷、施工人员在坑道内作业时间很短，以及开挖的管坑搁置的时间很短，可有效减少管坑塌方的危险，同时由于安装时不需焊接，从而避免了坑内带电作业的危险性和免除使用氧气、乙炔等易燃易爆器具，有效提高管道施工的安全性。
4.5 安装简便，改善工人的劳动条件和降低工人的劳动强度
　　该种柔性的接口钢管安装时只需配备拉力器，在吊机的配合下其安装的工效很高，如DN1200该种柔性管的安装，直接操作只需4人，平均20分钟装好一条，比焊接管提高工效6倍以上，同时工人施工时还可免受因焊接所产生的高温及有害气体对人体的影响，极大改善工人的劳动条件和有效降低工人的劳动强度。
4.6 兼柔（胶圈）刚（焊接）两用接口连接，使用方便、性能好
该种柔性接口钢管在架空或过河等需刚性连接的特殊管段，可通过对承插口相互套入的搭接面进行角焊焊接（即亦具有第二代钢管的功能），就可以得到质量比传统钢管好的刚性接口，同时该管开叉、接驳、制造管件及焊接加固环等灵活方便，在有推力发生的管段亦可通过对管段之间的焊接连长管段，增加管道与泥土之间的磨擦来承受管道的推力，因此该种管型使用十分方便。
4.7 降低工程成本效果好
该种柔性接口钢管与整体焊接钢管相比安装时既可节省焊接的工料费、发电机组台班及焊接机具等使用费用，同时还可相应降低管坑的抽水和打拨桩板等费用，又可使吊机、挖土机等机械提高设备的利用效率。以安装DN1200管计算，钢管的安装由刚性（焊接）接口，改为柔性（胶圈）接口的形式，可减少直接安装费183.5元/m（见表1），降低直接安装费近35%（见表2）。因此采用这种柔性接口的钢管不但有效提高了管线的质量，而且还可相应降低管道的工程造价，是十分实用的理想新管材。

表（1）安装DN 1200刚性（焊接）接口钢管与柔性（胶圈）接口钢管直接安装费对比表

管型

内容

焊接接口钢管（元）

柔性接口钢管（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

发电机

2.2台班*122.98/台班*1.7=459.95

0

459.95

电焊机

2.2台班*89.92元/台班*1.7=336.30

0

336.30

电焊条

17.52kg*3.34元/kg*1.69=98.89

0

98.89

氧气

2.39m³*4.62元/m³*1.69=18.66

0

18.66

电石

4.07kg*1.54元/kg*1.69=10.59

0

10.59

其它材料费

4.81元*1.69=8.13

0

8.13

起重机

0.27台班*208.44元/台班*1.7=95.67

0.07台班*208.44元/台班*1.7=24.08

70.87

其它机械费

11.33元*1.7=22.66

3.33元*1.7=5.66

17.00

抽水泵

2.2台班*61.64元/台班*1.7=230.53

0.55台班*61.64元/台班*1.7=57.63

172.90

柴油价差

116.23kg*1.34元/kg=155.75

4.28kg*1.34元/kg=5.74

150.01

钢管安装人工费

16.06工*24.5元/工=393.47

4.02工*24.5元/工=98.49

294.98

焊口内外防腐费

1.13m²*67.04元/ m²=75.76

0.38m²*67.04元/ m²=25.48

50.28

焊接工作位档土板

14.69m²*7.11元/ m²=104.45

0

104.45

胶圈

0

1.7个*60元/个=102

-102.00

载重汽车

0.09台班*139.27元/台班*1.7=21.31

0.09台班*139.27元/台班*1.7=21.31

0.00

合计

5195.99

3360.45

1835.54

　　注：1、计算单位10m；
　　　　2、按93年广东省市政工程单位估价表，穗建定[1998]216号文"市政计算标准"计算；
　　　　3、刚性（焊接）接口钢管直接安装费套用93年"广东省政工程估价表定额编号（5-83）；
　　　　4、柔性接口钢管由于安装工效比刚性钢管提高6倍以上，所以减少安装费用效果明显。

　　表（2）安装DN800-DN3000刚性（焊接）接口钢管与柔性（胶圈）接口钢管直接安装费对比表

规格mm
管型

DN800

DN1000

DN1200

DN1400

DN1600

DN800

DN2000

DN2400

DN2600

DN3000

焊接接口钢管

（元）

3644.82

4443.84

5195.99

6170.25

8040.14

9278.76

11525.93

13502.56

15305.19

18719.53

柔性接口钢管

（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

直接安装费

降低（%）

34

35

35

37

40

39

44

42

42

44

　　注: 1、计算单位：10m；
　　　　2、本表按1993年广东省市政工程单位估价表、穗建定[1998]216号文"市政计算标准"计算；
　　　　3、刚性（焊接）接口钢管直接安装费套用93年"广东省市政工程单位估价表"，定额编号（5-80至90）；
　　　　4、柔性接口钢管由于"减少温度应力，改善管道的受力状态；提高管道适应地基不均匀沉降和抗震结构性能，并免除现场焊接，施工快捷方便、工效高、减少安装费用效果明显。因此是具有较好的经济效益和社会效益的理想管型；
　　　　5、钢管厂只需要引进扩胀的技术和设备，对传统钢管进行扩胀承插口的深加工，便可使产品升级换代。

5 结语

　　据"十五"计划我国要新增加供水能力400亿立方米及随着"南水北调"大规模的工程建设的开展，一个输引水管道的建设高峰期即将到来，因此生产和使用符合我国国情的管材，对促进我国国民经济的发展意义十分巨大。
　　具有我国自主知识产权的"扩胀成型承插式柔性接口钢管"（简称SJSP）与目前美国使用量较大的"预应力钢筒混疑士管"（PCCP）相比优势各异。其一，两者同样是钢制的承插口，也是通过压缩胶圈实现接口的柔性连接，但PCCP管的承插口是分别加工后再经焊接与管筒相连，而SJSP管的承插口是由管筒直接扩胀成型，生产工效更高，精度更好，管价更低；其二，两者同样是水泥砂浆衬里，水力条件相当，但SJSP管的外防腐是采用环氧煤沥青的涂层，使钢管既能达到使用五十年以上的防腐目的，却又比混凝士外涂层的PCCP管更轻，更适合我国施工机械设施较差的国情，可减少运输及吊装的费用，有效降低工程的造价；其三，SJSP管具有可焊性，易于修理及制造管件，具柔（胶圈）刚（焊接）两用接口，可通过采用焊接连长管段的方法来解决大口径柔性接口管道存在较难处理的捣制支墩问题，对复杂的地形及要求较高的管线适应性强及全环境适用等优点是PCCP管及其他管材都无法比拟的。
同时SJSP还有双胶圈管型，可通过对每个接口独立试验水压，检查每个接口水密性，这不但有效保证管道的安装质量，而且还解决大管径的柔性接口管较难处理因试压出现的推力问题，使之应用更方便。
因此SJSP管是一种既先进、又很适合我国国情的理想新管型。钢管生产厂可引进扩胀技术，通过对传统钢管进行扩胀承插口的深加工，达到产品的升级换代和增加产品利润的目的；管道的安装施工企业又可通过对钢管的安装形式的改进，达到有效改善工人的劳动条件、降低劳动强度、提高施工的安全性和降低工程的施工成本的目的；管道的建设投资方可通过使用该管来提高管线的质量水平及缩短施工工期，达到保证安全供水和提高工程投资效益的目的。因此应用SJSP管的社会效益和经济经效益都十分理想。同时随着我国加入WTO，掌握优质管型的生产厂或施工企业对开拓国内外市场也是一个很好的契机。

参考文献

　　1、宋仁元"输配水管网管材及接口的合理选择"《城镇供水》。1997（2）12~14。
　　2、赵乱成"给水管道损坏的主要原因和对策"《给水排水》。1997（12）55~58。

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