发电厂用大口径循环水管道材料比选研究

2020-11-02戚霁

装备维修技术 2020年38期

摘要：电厂循环冷却水进排水管在整个电厂系统中占有相当重要的地位，由于循环水管直径大、距离长、重要性高、投资大等原因，其管线布置及材质选用将直接影响工程投资造价及电厂长期运行的安全性、经济性。为此对管材选择需进行必要的技术、经济比较，以求得工程造价最低，施工敷设速度快，确保电厂长期处于安全、经济运行状态下的一种合理管材。本文对钢管、玻璃钢管、现浇钢筋砼管沟、预应力钢筒砼管（PCCP管）从多个维度进行技术经济比较。

1大口径循环水管道材质比选原则

循环水管道材质的选择要综合抗渗性、承载力、耐腐蚀性、造价、自重、加工及施工工艺、施工工期、管道布置等方面的比较。本文所讨论的大口径循环水管，指常用于600MW级以上机组的循环水管，母管管径通常在DN3000以上。

（1）抗渗性：不言而喻，厂区循环水管道为压力管道，没有好的抗渗性显然是不合要求的。

（2）承载力：厂区循环水管道埋深较深，且都布置在主厂房周围，大件设备运输和安装的地面荷载较大。对管材的刚度、强度以及稳定性的要求都较高。

（3）耐腐蚀性：如果是以海水作为循环冷却水，管道内壁与海水、外壁与土壤直接接触，一般火电厂设计年限较长，管壁的耐腐蚀性对循环水系统的正常运行也至关重要。

（4）加工及施工工艺：例如，循环水管道特别是钢管，对加工及施工工艺，特别是回填土的质量有严格的要求，其是保证钢管结构能达到设计要求的关键所在。回填土的级配和压实系数未达到设计要求，会导致循环水钢管失稳。

（5）管道布置：综合地质条件，考虑地基处理、支墩布置等。

（6）运输：预制管材的运输成本和一些运输限制需要考虑在内。

（7）经济比较。

2大口径循环水管常见材质及使用情况简介

2.1 大口径循环水管常见材质

目前大口径循环水管道可选用的材质有钢管、玻璃钢管、现浇钢筋砼管沟、预应力钢筒砼管（PCCP管）等类型，除碳钢管以外的其它管材防腐性能均较好，一般适用于滨海电厂海水介质。

除南方滨海地区部分600MW和1000MW机组工程采用PCCP管（或预应力钢筋砼管），部分核电工程采用玻璃钢管外，国内大部分已建或在建的600MW～1000MW机组循环水管道均采用碳钢管。下面就对各种管材的主要性能以及优缺点进行简要的介紹。

2.2常见循环水管材使用情况简介

2.2.1 钢管

钢管是最常用的一种输水管道，因其方便施工、便于加工、技术应用相对成熟而得到广泛的应用。目前国内火电厂中最常用作循环水管的管材为Q235材质焊接钢管。

焊接钢管也称焊管，是用钢板或带钢经过卷曲成型后焊接制成的钢管。焊接钢管生产工艺简单，生产效率高，品种规格多，设备投资少，但一般强度低于无缝钢管。近年来，随着优质带钢连轧生产的迅速发展以及焊接和检验技术的进步，焊缝质量不断提高，焊接钢管的品种规格日益增多，并在越来越多的领域代替了无缝钢管。焊接钢管按焊缝的形式分为直缝焊管和螺旋焊管。随着我国建设施工水平的飞速发展，国内施工单位已具备了现场制作40mm厚度以下钢管的能力。

2.2.1.1焊接钢管的优点

1）耐压强度及抗渗性能高，优于钢筋混凝土管道。

2）自重轻：与钢筋混凝土管道相比，同样管径，同样长度条件下，钢管自重仅为钢筋混凝土管道的30%左右，运输、安装均较为方便。

3）加工周期短：无论在现场自行加工，还是由生产厂制造，钢管制作速度均快于钢筋混凝土管道，且无需养护期。

4）施工工艺简单：由于钢管自重轻，无需特殊施工机具，现场仅需配置合适的汽车吊以及一定的工作平台（半径范围小于钢筋混凝土管道），一般采用常规施工方法即可。

5）总工期短：由于钢管加工周期短，施工方法简单，基础暴露问题及对周边建筑物的影响小，因而提高了施工总进度。

6）管道布置方便：埋地钢管无需在转弯处设置支墩，特别在进出主厂房的区域，各种管沟布置纵横交叉，布置十分拥挤，其优越性更为突出。此外钢管刚性连接对地基不均匀沉降的适应性强于钢筋混凝土管道，在焊接质量保证的前提下，接口不易漏水，运行安全可靠。

2.2.1.2焊接钢管的缺点

1）钢管单位造价较高，通常每米长钢管的价格要高出钢筋混凝土管道。

2）耐腐蚀性差，钢管与钢筋混凝土管道如同样不经防腐，钢管的耐腐蚀性要低于钢筋混凝土管，所以钢管还需进行额外的防腐处理（如管壁涂层、阴极保护等）。

3）钢管属于柔性管道，其自身的刚度及抵抗外荷载的能力较弱，在国内设计中需要考虑与管体四周土体共同作用抵抗外荷载。因此，钢管不太适合管径超大或埋地较深的使用环境。由于钢管自身的结构强度、刚度以及稳定性的要求，通常在电厂中的循环水压力钢管均需要采用加筋肋加固。

2.2.2 玻璃钢管

玻璃钢管是将浸有树脂基体的纤维增强材料，按照特定的工艺条件逐步缠到芯模上并进行适当固化而形成的，其管壁是一种层状结构，可以通过改变树脂系统或采用不同的增强材料来调整玻璃钢管的各项物理和化学性能，以适应不同介质和工作条件制成不同压力等级或具有某种特殊性能的玻璃钢管。改型周期短，则是纤维缠绕复合材料的显著特点，各向同性的金属管材无法与之相比。

2.2.2.1玻璃钢管优点

1）耐腐蚀性能好

玻璃钢管道结构上分内衬层、结构层及外保护层三部分。其中，内衬层树脂含量高，一般在70%以上，其内表面富树脂层树脂含量高达95%左右。通过对内衬所用树脂的选择，可使玻璃钢管道在输送液体时具有不同的耐腐蚀性能，从而满足不同的工程需要;对需外防腐的场合，只需对外保护层树脂进行选择，便也可达到不同外防腐的使用目的。对于电厂循环水管道使用环境，玻璃钢管的耐腐蚀性完全可以达到要求。

2）水力學性能优良

玻璃钢管道内表面光滑，内壁绝对粗糙度仅为0.01mm，远小于钢管及混凝土管的内壁粗糙度，属水力学光滑管。不同管材内壁绝对粗糙度可参考下表2.2-1。

3）重量轻，安装、运输方便

玻璃钢管道密度约为1.6kg/cm3左右，仅是钢管的1/4～1/5，实际应用表明，在承受同样内压的前提下，同口径、同长度的玻璃钢管道，其重量约为钢管的30%左右。正因如此，玻璃钢管道在运输时可套装运输，节省油耗及其它费用，安装时，中小口径的玻璃钢管道一般不需用重型机械，有的甚至可通过人工搬运，提高了安装速度。

4）比强度高、力学性能合理

玻璃钢管道轴向拉伸强度为160～320MPa，接近于钢管，比强度（材料的抗拉强度与材料比重之比）更高，在结构设计时，管材自重可大幅度减轻，安装相对比较容易。对比情况见表2.2-2。

5）接头少、连接方式多样灵活

钢管一般2m左右一段，玻璃钢管道单管长度6～12m，甚至更长，在长距离管线安装时，所需接头少，既能使流动水阻降低，也减少了施工费用，同时，管线因接头多而发生渗漏的可能性也较钢管大为降低。另外，玻璃钢管道的接头方式有多种，主要包括：承插胶接、平端对接、（活套）法兰连接、（带锁紧装置）“O”形圈连接、螺纹连接等，可根据具体施工条件，灵活选择接头方式。

6）电绝缘性能好

钢管、铸铁管均为电的良导体。玻璃钢管道却是绝缘体，击穿电压：12～16kV/mm，体积电阻率：～1014Ω，表面电阻率：～1011Ω，绝缘性能优良，可安全地应用于输电、电信线路密集区和多雷区。

7）不生锈

钢管、铸铁管在储存、使用过程中，会因化学、电化学的作用产生局部电池反应，表面极易生锈，对输送介质往往会产生污染，因而，常需对其表面进行特殊防锈、除锈处理;纤维玻璃钢管道由于是由非金属材料制成，电极电位高，表面不会发生氧化锈蚀，无需处理，不会污染水质。

8）防污抗蛀

玻璃钢管内壁洁净光滑，难以被海水或污水中的甲贝、菌类等微生物玷污蛀附。而钢管、铸铁管或钢筋混凝土管内表面却很容易被甲贝、牡蛎等附蛀寄生，且极难清除，增大粗糙率，使有效管径缩小，同时增大流动阻力，减少过水断面积。

9）可设计性强

根据具体使用情况，可对管道的具体性能及形状进行设计：①可对缠绕时的缠绕角进行设计，以使管道具有不同的纵/环向强度分配;②可对管道壁厚进行设计，以使管道可以承受不同的内外压;③可对材料进行设计，以达到不同的耐腐蚀目的、阻燃目的、介电目的等;④可对接头方式进行设计，适用不同的安装条件，以提高工程安装速度;⑤可对产品形状进行设计，以满足具体的形状需要。

2.2.2.2玻璃钢管的缺点

a）连接可靠性差

每一段玻璃钢管段均靠连接头连接，而接头易漏水，对连接头的加工安装要求较高，对下垫面地基处理的要求也较高。

b）卫生性差

其内衬层破裂后，玻璃纤维会进入水中污染水质;管材在锯断时，断面没有内衬层保护也会污染水质。

c）难符合环保要求

玻璃钢废料难于处理，容易污染环境。在我国大力倡导“绿色经济”的今天，其生产加工及废料处理的环保问题较为严峻。

d）采购及制造质量难控制

目前市场上玻璃钢管生产厂家很多，质量良莠不齐，在采购中难以控制管道质量。

另外，在管径较大、管线较长的情况下，需考虑运输情况的限制（如限高）及运输成本。

2.2.3 PCCP管

PCCP是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材，是预应力钢筒混凝土管（Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe）的英文缩写。这种管材是在带钢筒的混凝土管芯上，环向缠绕预应力钢丝，最后在管外部施喷水泥砂浆保护层而制成的。

PCCP管由以下结构构成：

1）高强度混凝土管芯：它是管道的主要结构部分，可提供光滑的内表面以利水流。该管芯内的钢筒起防渗作用和提供纵向抗拉强度，并可增加环向强度。在PCCP-E型管道中，钢筒嵌在混凝土管芯中，在PCCP-L型管道中，钢筒包在混凝土管芯的外部。钢筒两端连接钢制承、插口环和弹性○型橡胶环，它可为管与管间的连接提供止水并可使相邻两管道中心对齐。PCCP-E型管混凝土在钢模内立式浇筑，多用于大管径PCCP。PCCP-L型管的混凝土靠离心浇筑或在钢筒内径向压实浇筑，多用于小管径PCCP。

2）冷拉预应力钢丝：以一定的拉应力螺旋式缠绕在管芯上，在管芯上产生均匀的预压应力以抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。可根据具体运行条件设计钢丝直径、预压应力和缠丝密度，以提供所需的最佳预应力。

3）一个密实的水泥砂浆保护层：保护高强度钢丝和管芯，使之免受物理损坏和外界腐蚀。

4）钢制承、插口接头：焊在钢筒的两端，是PCCP的联接件和密封件。

PCCP管在国外已有50余年的应用历史，二十世纪八十年代末，随着我国城市供水、工业用水、农田水利建设的迅猛发展，对于输水管材提出更高的要求，国内引进国外公司的制管技术及设备。1996年我国建材行业颁布了《预应力钢筒砼管（JC 625-1996）》行业标准，并于2005年发布了《预应力钢筒混凝土管（GB/T 19685-2005）》国家标准。目前PCCP管已完全实现工业化生产，产品规格Ф600mm～Ф4800mm，近年来已在水利、市政给排水、大中型电厂的大口径管道工程中大量应用。

2.2.3.1PCCP管的优点

1）能承受较高的内压和外荷载

因为PCCP使用了经过水压检验的钢筒，解决了一般混凝土管存在的渗水问题，所以它可以承受很高的工作压力，我国产品的标准工作压力指标为0.4～2.0MPa，国外应用的PCCP工作压力有的高达3.0MPa以上。由于PCCP在设计上考虑充分运用混凝土的抗压强度，所以它较其它管材可承受更大的外荷载。

2）良好的抗渗性及耐久性

PCCP利用埋藏在混凝土中的经过水压试验的钢筒抗渗，利用水泥砂浆对预应力钢丝进行保护使其不受外界腐蚀，从而保证PCCP的抗渗性、耐久性。

3）耐腐蚀性能好

由于构成PCCP的所有钢材都被密实的混凝土或水泥砂浆所包裹，高强钢丝在喷涂水泥净浆后被砂浆覆盖，经防腐处理的承口钢圈和插口钢圈安装后其外露部位又都用水泥砂浆灌注封口，混凝土或砂浆提供的高碱性环境使得包裹在PCCP内部的钢材纯化而不会发生腐蚀，因而使PCCP具有良好的防腐蚀性能，一般能达到60年以上。

4）造价低于钢管

PCCP管制作采用钢筒，配以钢丝、混凝土等材料，每米含钢量低于纯钢材管道，因此造价略低。

2.2.3.2PCCP管的缺点

1）加工复杂，制作速度慢

首先，工作压力是管体结构设计和承插口钢圈、硬质胶圈的重要设计指标，采用的工作内压为0.6～1.0MPa。PCCP靠承插口钢圈和硬质圆形胶圈连接，对钢圈的刚度和圆度以及胶圈的质量要求都很高。

其次，由带橡胶垫圈接头连接的PCCP，允许的最大渗漏量为：每毫米内径管道、每24小时、每公里范围内渗水量1升。PCCP管体为刚性管，接头采用承插式，要求具有可挠性，这此要求对接头加工要求较高。

最后，与钢管比较，如同样在现场加工，钢筋混凝土管制作比较复杂，且需要有一定的养护期;如在生产厂制作，钢管加工速度亦比PCCP管快。

2）自重大

以Φ3800mm管道为例，PCCP管自重约42吨，而钢管自重（包括加固环）重约26吨。（长度以5m计）

3）施工工艺复杂

由于PCCP管自重大，安装需采取特殊的施工方法，除所需吊车吨位、工作半径均大于钢管之外，安装接口时尚需设置龙门吊，且工作环境较差，接口施工困难，管件容易损坏。

4）总工期长

由于PCCP管施工复杂，造成施工速度较慢，导致基础暴露时间相对较长，且对其周边建筑物需特殊处理，降低了施工总进度。

5）管道布置困难

PCCP管道转弯处需做混凝土支墩予以加固，与阀门连接、变径及三通处仍需用钢制特殊零件连接，支墩布置造成厂区特别是进出主厂房的区域布置困难，加上如地基处理不当，刚性管道柔性连接，接口处易漏水。

鉴于以上缺点，PCCP管在安全稳定性要求较高的工程中使用经验较少。

2.2.4 钢筋混凝土管

钢筋混凝土管即为根据现场实际荷载等资料设计的由钢筋加固的混凝土管。预应力钢筋砼管和现浇钢筋砼管沟强度高、防腐性能好、使用寿命长，可在现场加工，运输方便，每米单价约为碳钢管的80%，与PCCP管相近。但现场施工周期长要求高、质量难保证、转弯及三通承插连接处需设固定支墩、支管弯头等配件连接结构复杂、基础处理要求高、不均匀沉降严重时较易漏水、混凝土抗渗性较差。

2.2.4.1钢筋混凝土管的优点

1）承载力大

现浇钢筋混凝土管最突出的一个优点就是可以通过钢筋混凝土来承受较大的外荷载，这样就比较适合在埋深较大的使用环境。

2）由于主要荷载由钢筋混凝土结构承担，钢材用量大为减少，一般价格较为便宜。

3）处理好后耐腐蚀性较好。

2.2.4.2钢筋混凝土管的缺点

1）自重较大

2）抗渗性能不佳（可以通过内衬钢管或玻璃钢管来加强抗渗性）

由于热胀冷缩的影响，一般每隔20～25m左右就要设一道伸缩缝，施工分缝较多，设计和施工现浇钢筋混凝土管时一定要注意伸缩缝的抗渗问题。

3）施工周期长、施工难度大

由于为现场浇筑，所以管道的钢筋绑扎、立模、混凝土浇筑、养护等施工周期比较长，大范围长时间的施工占地，影响施工总进度;而且管道变径及三通处施工立模较困难，特别在进出主厂房的区域排外，各种管沟布置纵横交叉，布置十分拥挤，钢筋混凝土现浇管施工有一定难度。

4）粗糙率较大，增大流动阻力（可以通过内衬钢管来减小）。