杨辉琴,李 江,马 军,徐 燕

(新疆水利水电规划设计管理局,新疆 乌鲁木齐 830000)

长输管道工程因其距离长，所处地形和地质条件复杂、检修不便等特点，所以对管材的承压能力(内压和外压)、良好的施工性和耐久性有更高的要求。同时，管材投资占到工程总投资的40%以上，管材的选择对工程安全和造价的影响较大。

目前，供水工程中常用的管材分为金属和非金属类管材。金属类管材主要有钢管和球墨铸铁管，非金属类管材主要有预应力钢筒混凝土管、钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管，玻璃纤维增强塑料夹砂管、聚氯乙烯管PVC管、高密度聚乙烯管等。受制造工艺、耐压等级、接头漏水和材料卫生安全及工程造价影响，预应力钢筋混凝土管和聚氯乙烯管在长输管道工程中应用较少，本文仅就长输管道工程中常用的几种管材，结合工程实例探讨在选择中需关注的问题，供广大设计施工人员借鉴。

1 长输管道工程中常用的管材

1.1 钢管(SP管)

钢管具有材质轻、可加工性好、密闭性高、抢修方便、对地基不均匀沉降适应能力强等特点，特别是由于钢材的抗拉强度高，具有极好的力学性能，作为给水管道可以承受极高的内压(>10MPa)和较高外压，所以在长输管道中应用较广。长输管道工程中的钢管直径一般在DN600～DN3000mm，最大直径可达DN4000mm以上。

1.2 球墨铸铁管(DIP)管

球墨铸铁管是近30年在灰铸铁管基础上发展起来的新型管材，具有良好的抗外压能力，承受内水压力超过2.0MPa，耐腐蚀、抗震性好、安装使用方便等特点。一般情况下，DN1000mm及以下规格采用水冷金属型离心浇铸工艺生产，DN1100mm及以上规格采用热模法离心浇铸工艺生产。管径从DN40～DN2600mm，管节长度一般为6～8m。

1.3 预应力钢筒混凝土管(PCCP管)

PCCP管是带有钢筒的混凝土管芯外侧缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子，自20世纪80年代引入我国后，目前在长输管道工程中占据着重要地位。PCCP管具有钢材和混凝土各自的特性，抗外压能力较强、接头密封性好、抗震能力强等优点。管径范围在DN800～DN4000mm之间，管节长度6m，内压可达到2.0MPa。

1.4 玻璃纤维增强塑料夹砂管(FRPM管)

玻璃纤维增强塑料夹砂管简称玻璃钢管，20世纪90年代开始在我国大范围使用，是一种新型柔性非金属(树脂、纤维、砂等)复合材料管道，其特性是摩阻系数小、重量轻、抗腐蚀、耐热抗冻、防污抗蛀。管道直径为DN600～DN3600mm，内压在0.6～2.4MPa，管节长度12m，也可根据使用要求确定单节长度。

1.5 高密度聚乙烯管(HDPE管)

HDPE是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。HDPE管道具有耐腐蚀、内壁光滑、流动阻力小、强度高、韧性好、重量轻等特点，管外壁有光面及双壁波纹。口径从DN32mm～DN1000mm，共分26个级别。压力等级在0.6～1.6MPa之间，共5个等级。管节长度6、9、12m。

1.6 钢丝网骨架塑料复合管(SRTP管)

钢丝网骨架塑料复合管是经过改良的新型的钢骨架PE复合管，该管道以钢丝缠绕网作为聚乙烯塑料管的骨架增强体，以高密度聚乙烯(HDPE)为基体，采用高性能的HDPE改性粘结树脂将钢丝骨架与内、外层高密度聚乙烯紧密地连接在一起，克服了塑料管的快速应力开裂现象，由于钢、塑这两种材料的结构是复合而成的，所以不会发生塑料管难以克服的快速应力，具有超过普通纯塑料管的强度、刚性、抗冲击性，类似于钢管的低线膨胀系数和抗蠕变性等特点。管道直径DN50～DN2200mm，内压0.8～3.5MPa，管节长度同HDPE管。

2 管材选择及关注的问题

2.1 管材选择中安全性问题

保证管道运行安全是管材选择的前提，所以管道耐压范围、工作环境、环境侵蚀性、地形条件、施工管理水平都是管材选择中需关注问题。

2.1.1 承压能力与管材的选择

长输管道供水工程中首先关注管道承受的内压，其标准代表着管材工作性的高低。根据目前常用管材的承压能力，我们可分为高压管材和中高压管材。由于钢材的极限抗拉强度较高，国内用于矿山、发电、蒸汽输送的钢制管道压力达到20MPa以上。新疆哈密洛钼矿业供水工程中，单级泵站的最大扬程达到463m，采用的是涂塑钢管，管径400mm，在电站工程中压力前池或调压井下游段高压管道基本选择钢管，所以管道承压大于2.5～3.0MPa以上建议采用钢管。中高压管材的选择范围较大，前面介绍的管材的承压能力理论值均可以达到，但实际上承压能力与管道的直径有密切的关系，以SRTP管为例，DN630mm以上管道使用压力在1.0MPa以下，而DN200mm以下管道的耐压可达到3.5MPa，但DN200mm管道的壁厚已达到12.5mm以上；以T型K9级球墨铸铁管为例，DN80mm管道的允许工作压力为6.4MPa，而DN2400mm、DN2600mm仅为2.5MPa。所以设计中应关注可使用的压力范围，而不是泛泛根据某种管材最大的承压等级就主观确定管材，最好与管材常用、可靠的压力段来选择管材，如乌鲁木齐大西沟水库供水工程在管材选择中根据管材常用压力等级，将工作压力1.6MPa以下的管道采用了PCCP管，2.0MPa以下管道采用了DIP管。

管道承受的外压包括管顶覆土、回填料冲击、交通荷载、负压等。管道抗外压能力大小也关系到管道运行的安全，是我们关注的另一个主要方面。PCCP管和球墨铸铁管为代表的刚性管，抗外压能力相对较强，管道变形相对较小，并可承受一定的负压，但覆土深度较薄时，不能形成联合受力体系对管道的运行安全也是不利的，特别是管道上有交通要求时，对管道应进行荷载分析计算，否则应采取其他防护措施。对于HDPE管和SRTP管来说，因其材料特性对外荷的适应性更强一些，但对其的变形量也是有一定要求的，根据GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》，化学建材管道变形率应小于3%，变形率超过5%应考虑更换管材，所以在设计中应注意其适应变形能力。对于FRPM管来说，其管材性能介于刚性管和柔性管之间，其中间夹层采用掺石英砂树脂纤维丝布作为骨架，提高了其刚度，但FRP的弹性模量比钢材(E0=210GPa)小10倍，刚度明显小于钢管，所以根据外荷情况对其有刚度设计要求，同时回填的变形量也小于HDPE管和SRTP管；同时其抗冲击性要小于HDPE管和SRTP管，在管材的选择中要注意与当地土层的适应性，否则管周回填要采用特定料回填保护。

2.1.2 工作环境与管材的选择

工作环境与管材的适应性问题也是设计中需要关注的一个问题。工作环境是指管道工作运行当中长期处于的一种状态，它包括外部环境和内部环境。外部环境主要指气候、区域构造、水位变动区、盐碱、地下水、洪水、交通影响等，内部环境主要指运行工况的影响。

(1)内部环境影响

长输管道设计工况一般都是按压力流满流来考虑，但新疆许多供水工程受水源工程制约或下游运行方式要求，管道会有很长一段时间不输水，处于空管状态，这就会造成管道长期处于压力流和空管状态交替发生。下面就某工程PCCP管断丝检测中发现的问题为例，报告指出“PCCP管道变形与断丝的对应关系明确，无断丝的管道，变形量绝对值接近零；大量断丝的管道，均表现出变形量绝对值较大的现象。”“部分大面积断丝管道的变形绝对值是相邻管道的5～10倍”，管道在内水压力作用下会向外膨胀变形，内水压力越大、管内径越大，膨胀变形量越大，但对于完好的PCCP管道受预应力钢丝作用，管道内径有缩小的趋势；预应力钢丝断丝使得PCCP管道的预应力钢丝的预应力释放，在管道放空状态时，管道直径有增大的趋势。这就说明特殊的运行工况可加剧管道变形，这种变形产生的另一个问题是管壁脱空，PCCP管道在内水压力作用下膨胀，放空后管道收缩，造成管壁与周边回填土之间出现脱空，在侵蚀性地下水环境下，PCCP管壁脱空会强化毛吸作用，造成回填土盐碱浓度远远高于管周边，对管道外壁有侵蚀性威胁。所以在设计中应充分考虑特殊工况影响，采取必要的防护措施。

(2)外部环境

外部环境对管材选择的影响在设计中大家或多或少都有所了解，比如侵蚀环境下首先采用抗侵蚀能力强的管材，高地震区采用抗震性较好的柔性管或接头，地下水位较高区域选用管重较大的管材抗浮等，但需注意以下问题：①钢管及PCCP管的阴极保护问题②管道的外防水保护问题。阴极保护针对土壤中存在腐蚀性介质导致电阻率较低，造成金属管道及PCCP管中的金属结构发生电腐蚀，一般设计中都不会忽视，但管道外防水保护问题却容易忽视。如PCCP管外层一般喷涂200～600μm的沥青环氧煤涂层作为隔水层，但其下的砂浆受环境变化影响发生裂缝后，沥青环氧煤涂层破坏，处于有侵蚀介质的地下水环境下就造成预应力钢丝断裂。国内外这种事例比较多，比如美国加州的中央亚利桑那工程、利比亚大人工河工程都因为外防腐问题导致爆管，新疆几个供水工程也都发生了类似的问题。因此，在侵蚀性地下水位高的区域，非抗侵蚀管材的外防腐需选择强度高、密闭性好的型式。新疆准东供水工程中对高侵蚀地下水区域的PCCP管外采用包裹三油两布方案，运行近10年对管道进行破管检测，发现PCCP管的预应力钢丝几乎完好，但受当时认识的限制管线未作阴极保护，也存在空管和有压流交替问题，今后还需对运行情况做进一步跟踪。

管道的内外环境还直接影响到管道寿命。根据文献资料统计，铸铁管和钢管的使用历史已经达到百年以上，而PCCP管的应用历史也有70年。新兴的玻璃钢管材、PE管材的使用寿命根据其材料性能也不少于50年。但实际运用中各种材料的管道都会发生运行数年或刚运行就发生爆管现象，除去生产原料和过程不合格外，最主要的原因是内外环境影响。像PE类材质的管材应注意的问题是老化及强度衰减，这些管材在施工过程中长期暴露在阳光下或环境气温过高都会造成以上问题，国标里面管材寿命50年是在温度23°情况下计算的，温度的变化对PE管材寿命是有一定比例的折减的。据资料统计，普通PE管温度每提高10℃其强度约降低10%以上。由于钢丝网骨架聚乙烯复合管强度约2/3是由钢丝网状骨架所承担，所以其强度随使用温度的提高而降低的程度低于任何一种纯塑料管，实验结果表明每提高10℃，钢丝网骨架聚乙烯复合管强度降低在5%以下。PE类管材虽然是防腐管，但是遇上特别恶劣的环境也是会对使用寿命造成很大影响的，比如强酸强碱，被长期冰冻或者施工过程中的摩擦破坏都会对管材造成一定的影响，使管材受损，降低管材的使用寿命。因此，使用环境问题是我们管材选择设计中应该引起高度重视的问题。

2.2 管材选择中施工及工艺问题

管材选择中，制造工艺、施工水平、工期也有着重要的影响。首先说原材料，国内顶级的PE原料基本上都能够达到抗老化50年，但是如果原料指标不达标，那么对抗老化就有一定的影响；其次是生产工艺，有些厂家为了谋求高利润在生产上偷工减料，在壁厚相差超出范围，有些小厂的机械设备状况不稳定，导致管材内部杂质较多等，这就影响了PE管本身的承压能力。玻璃钢管对内防渗层树脂有明确的要求，要无毒、防渗、耐磨，厚度宜2mm，防渗层应采用价格较贵的间苯性不饱和聚酯树脂，但有的厂家采用价格较低的邻苯性不饱和聚酯树脂，厚度也相当薄，倘若此层出现裂纹，纤维容易浸入水中。

例如新疆某供水工程采用FRPM管，在运行过程中经常发生爆管事故，最终被其他管材逐步替换。按其工作环境具有强腐蚀性又处于沙漠戈壁地带，FRPM管本是具有良好适应性的优选管材，出现这种情况的原因，就是管材制造工艺上出现问题，FRPM管树脂材料的价格可相差10倍以上，同时定长缠绕设备门槛较低，小型企业过多，良莠不齐，给管材生产留下隐患，对行业的发展起到了负面影响。另一个工程实例是乌鲁木齐某市政供水工程，采用的浸塑钢管，由于内防腐层大面积脱落，经常造成闸阀堵塞，影响工程使用，对涂塑钢管的使用造成不良影响，所以相同的管材不同的生产工艺产生的结果是不同的。设计人员在设计过程中对材料的行能、工艺及适用的范围要有一定了解，才能发挥其优势，保证工程的安全运行。因此，管材选择中要求设计人员对原料、生产工艺具备一定常识，在招标文件提出具体指标，防止不良企业钻空子，给工程留下安全隐患。

在应急、抢修工程中，对管材的要求就是材料到位迅速、安装方便，钢管、HDPE管和SRTP管定型产品较多，备货量大。同时施工期施工队伍的管理水平也影响管材效果，新疆某供水工程采用的FRPM管，建成后并未运行就发现管道出现裂缝、白斑等问题，最终通过检测分析，造成这些缺陷的主要原因就是施工过程不按设计要求，回填料粒径偏大，一次性回填、回填高度大，对管道冲击破坏严重，所以施工质量也直接影响管道的安全，在管材选择时也要考虑。

某些工程受工期制约，采用单一管材时需综合考虑管材的生产能力和运输条件能否满足工期要求。如采用焊接型式的钢管，长度较长时，现场的焊接、补口、检测工作量较大，施工速度相对较慢，因此，设计过程中可考虑两种管材组合方案，但也不建议管材太杂，造成施工和运行管理不便。

2.3 管材选择中的经济性问题

除去管材安全性问题，管材比选的最终落脚点还是在管材造价上。没有外界环境条件制约情况下，相同直径的不同管材的输水能力是不同的，换而言之，在过相同设计流量的情况下，不同管材的直径是不同的。详见表1。

在过相同流量相同管径情况下，玻璃钢管、PE型管材较水泥砂浆内衬的PCCP管、SP管和DIP管的水损要小30%左右，对于扬水工程来说，其扬水的运行费用减少近20%左右；对过相同流量不同管径情况下，玻璃钢管、PE型管材较水泥砂浆内衬的PCCP管、SP管和DIP管的管径要小一个等级(在大于DN1200大管径的管材比选中比较明显)，管径减小使管材的投资相对减少。

对管材造价的影响除了管道直径及原材料影响之外，还要受到运输成本、安装成本、防护成本还有时间成本等多重制约。当地若没有建厂条件，管径越大、重量较重的管材其运输成本越高，相应管材投资就高了。下面就几种常用管材的不同压力等级、管径的价格进行对比。详见表2、3。

表1 不同管材过流能力对比表

表2 各种管材造价对比表 压力等级1.0MPa，管径DN1600

表3 各种管材造价对比表 压力等级1.0MPa，管径DN1000

从表2、表3可以看出，DN1600管道，FRPM管价格较优，PCCP和SP管价格接近，DIP管略贵，DN1000的管道，FRPM管优势明显，其余管材价格接近。根据统计，在大于DN2400管材中，PCCP管价格较优，小于DN300的管材中PE类管材价格优势明显。同时，从上表还反映出运费和其他费用在管材造价中的比重在6%～20%左右，其中需要防腐保护管材的费用应该是以上比重值的高值。

3 结语

本文对长输管道设计中管材选择应注意的管道承压、工作环境、生产工艺、施工条件及经济性等问题提出注意事项及建议，供设计人员参考。每种管材均有其优点和缺点，也都有其适用的范围，管材的选择要因地制宜、因材施用，根据每个工程实际的设计公压、环境条件、地质特征、运行条件及工程造价综合选择。对设计人员来说没有最好的管材，只有最优的选择。