广州市自来水公司 广东广州 510176
摘要：本人在广州市自来水公司辖区范围内负责给水管网、阀门、净水构筑物等施工的工程管理工作。在十多年的工程管理工作中，对管网中管材的选用、施工、维护等工作有较强的深得体会，明白到大口径输水管网的合理选用无论对施工成本、施工安全、施工难度、运营成本都起到举足轻重的作用。本文通过对广州市北部水厂一期及配套管网工程的实例，对工程管理中大口径输水管道的选取进行了必选分析。
引言：北部水厂一期工程包含厂区、原水管、总长度48km的配水管网、新广从路DN1000～DN1800供水管网改造工程以及新建广从加压站工程。管网改造工程总投资约4.59亿元。北部水厂厂区、原水管和总长度约48km的配水管网单独立项，总投资约36.6亿元。配水管网设计规模为60万m3/d，分为南北两条。南线起始于北部水厂的送水泵房，向南至凤鸣路与DN600给水管连通；北线也起始于北部水厂的送水泵房，沿牛路涌向北，沿途经过鸦岗泵站，跨越流溪河，经过大田村，沿茅山引河向北至广清高速西侧，沿广清高速再向北至北二环处分叉，一路向北到达神山，一路沿北二环向东，途径106国道、北太路、太营路至广州大道北。配水管网的管径为DN800、DN1000、DN1200、DN1600、DN2000及DN2200。全长约48km。
图1：广州市北部水厂一期工程及配水管网建设规模示意图
一、长距离输水工程管材的选择
在长距离输水工程中，管材的选择一般要根据工程的规模，管道的工作压力，输水距离的长短，工程的进度与重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地质情况，当地管材的生产状况，应用管材的习惯，特别是工程的资金的落实情况，而后进行技术、经济、安全等方面论证综合比较后确定。
二、比选基本方法
配水主干管管材的比选一般分为经济和技术两部分。由于广州市北部水厂工程配水管网工程管道口径较多，并且沿线的地形、地貌、地质、地下障碍物等情况均由较大差别，因此，管材比选先从经济因素入手，按照管道管径不同，推荐相应的管材，再根据每个标段不同的技术要求特点，推荐不同标段对应的管材，最后将上述两次比较的结果进行对比，最终得出推荐的管材。
1、 备选管材
目前我国在配水工程中使用的大口径管材主要有钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）、给水用PE管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）管等。因此，本管材比选选用钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒砼管、给水用PE管等四种管材作为备选管材。
1.1 、钢管
钢管是一种在各行业广泛应用管材，具有长久的应用历史，丰富的使用经验。城市供水用钢管通常选用Q235-B（中国普通碳素钢标准号）钢板制作，它的强度高，具有良好的韧性，管材及管件易加工。SP 管具有以下特点：① 可设计性强。因钢管环向强度、弹性模量较高，根据承受的内水压力和管顶外荷条件，对钢管的刚度、强度和稳定计算，以确定管径、管型和管壁厚度。② 管道内、外壁需做除锈和防腐处理，必要时还可以辅以电化学保护，以延长其使用寿命。③ 能适应各种地质条件，一般情况下不需做管道基础处理，适用性强。④ 接口采用焊接，焊接质量达到规范要求情况下，不会发生渗漏。⑤ 管道配件可按实际需要进行设计和制作。⑥ 除锈和防腐层的质量好坏，对使用年限有较大影响，因此，必须按国家规范要求作除锈和防腐层。⑦ 当内壁采用水泥砂浆衬里层时，其水力计算粗糙系数n 值一般取0.013～0.012（曼宁公式）。
1.2 球墨铸铁管（DIP）
球墨铸铁是一种铁、碳、硅的合金，其中碳以球状游离石墨存在。球墨铸铁本身的机械性能得到了较好的改善，具有铁的本质、钢的性能。退火后的球墨铸铁管，其金相组织为铁素体加少量珠光体，机械性能良好，防腐性能优异、延展性能好，密封效果好，安装简易、主要用于市政、工矿企业给水、输气，输油等。在市政给水应用中，球墨铸铁管的主要特点有：① 具有较高的承压能力；② 具有良好的防腐性能；球墨铸铁管一般内防腐采用水泥砂浆，外防腐采用喷锌和煤沥青防腐漆。③ 密封性好；④ 接口为柔性接口，抗震性能高；⑤ 价格较高；⑥我国已具备大批量生产能力，因而使用广泛。
1.3 给水用PE管
PE 是聚乙烯塑料，最基础的一种塑料。塑料袋、保鲜膜等都是PE；HDPE 是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。原态HDPE 的外表呈乳白色，在微薄截面呈一定程度的半透明状。PE 具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性。PE基本分为两类：低密度聚乙烯LDPE（强度较低）和高密度聚乙烯HDPE。PE 材料按照国际上统一的标准划分为五个等 级：PE32 级、PE40 级、PE63 级、PE80级和PE100 级。用于给水管道PE 管的生产为高密度聚乙烯HDPE，其等级是PE80、PE100 两种。给水用PE 管材是传统的钢铁管材、聚氯乙烯饮用水管的换代产品。必须承受一定的压力，因此通常要选用分子量大、机械性能较好的PE 树脂，如HDPE 树脂。其主要特点有：① 连接可靠：聚乙烯管道系统之间采用电热熔方式连接，接头的强度高于管道本体强度。② 低温抗冲击性好：聚乙烯的低温脆化温度极低，可在-60-60℃温度范围内安全使用。冬季施工时，因材料抗冲击性好，不会发生管子脆裂。③ 抗应力开裂性好：HDPE 具有低的缺口敏感性、高的剪切强度和优异的抗刮痕能力，耐环境应力开裂性能也非常突出。④ 耐化学腐蚀性好：HDPE 管道可耐多种化学介质的腐蚀，土壤中存在的化学物质不会对管道造成任何降解作用。聚乙烯是电的绝缘体，因此不会发生腐烂、生锈或电化学腐蚀现象；此外它也不会促进藻类、细菌或真菌生长。⑤ 耐老化，使用寿命长：含有2-2.5%的均匀分布的炭黑的聚乙烯管道能够在室外露天存放或使用50 年，不会因遭受紫外线辐射而损害。⑥ 耐磨性好：HDPE 管道与钢管的耐磨性对比试验表明，HDPE 管道的耐磨性为钢管的4 倍。在泥浆输送领域，同钢管相比，HDPE 管道具有更好的耐磨性，这意味着HDPE 管道具有更长的使用寿命和更好的经济性。⑦ 可挠性好：HDPE管道的柔性使得它容易弯曲，工程上可通过改变管道走向的方式绕过障碍物，在许多场合，管道的柔性能够减少管件用量并降低安装费用。⑧ 水流阻力小：HDPE 管道具有光滑的内表面，其曼宁系数为0.009。光滑的表现和非粘附特性保证HDPE 管道具有较传统管材更高的输送能力，同时也降低了管路的压力损失和输水能耗。⑨ 搬运方便：HDPE 管道比混凝土管道、镀锌管和钢管更轻，它容易搬运和安装，更低的人力和设备需求，意味着工程的安装费用的大大降低。⑩ 多种全新的施工方式：HDPE 管道具有多种施工技术，除了可以采用传统的开挖方式进行施工外，还可以采用多种全新的非开挖技术如顶管、定向钻孔、衬管、裂管等方式进行施工。⑪ 良好的卫生性能：PE 管加工时不添加重金属盐稳定剂，材质无毒性，无结垢层，不滋生细菌，很好地解决了城市饮用水的二次污染。⑫ 可靠的连接性能：PE 管热熔或电熔接口的强度高于管材本体，接缝不会由于土壤移动或活载荷的作用断开。⑬ 良好的施工性能：管道质轻，焊接工艺简单，施工方便，工程综合造价低目前，目前国内最大的给水PE管，口径为DN1600。
1.4 预应力钢筒混凝土管（PCCP）
PCCP内部嵌置一层1.5mm左右的薄钢筒，在管芯上缠绕环向预应力，采用机械张拉缠绕高强钢丝，并在其外部喷水泥砂浆保护层。该管的特点是由于钢套筒的作用，抗渗能力好。管径范围：DN1400～4000，具有SP和PCP双重优点。
其主要特点有：
①高强度，由于复合结构的特点，国内应用的工作压力达2.0MPa，覆土达12m；②高抗渗性，最优化地利用钢材和混凝土，薄钢板起到高抗渗的作用；③高密封性，采用钢制套环和滑动胶圈接口，密封性得到了保护；④耐久性强，管体表面不需防腐涂料，而钢筒由水泥混凝土包裹，受到碱性游离石灰的保护，寿命得到了延长；⑤ 接口尺寸精确，可使用限制接口（Restrained joint），可免去支墩，安装方便，加快了施工进度；⑥平素不需养护，可以带压打孔，安装支线。⑦ 工程造价和维护费用低。⑧重量大，为几种管材中最重，需做管道基础和修筑较高等级的施工运输临时便道，运输成本较高。⑨管件（弯头、排水三通、排气三通）采用通常的钢制配件再在内外壁喷涂水泥砂浆，起到防腐作用。⑩对软土地基，需做管道基础。
由于广州市处于软土地基地区，而PCCP 管自重比较大，因此在管道敷设时，需要对地基进行大量的处理，这无形中增加了工程投资和施工难度。因此，北部水厂一期及配水管网工程不建议采用PCCP管作为本工程的备选管材。因此，以下仅针对钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）和给水PE管等三种管材进行经济技术比较。
2、 经济比选
根据广东省最近的材料价格、管材价格、初步设计和初步施工方案，钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）和给水PE管等三种管材的单位长度管材价格、施工费用及综合工程造价详见下表：
表3：单位长度管材综合工程价格比较表（单位 元/米）
比选结果：
1 DN800～DN1600 球墨铸铁管＞钢管＞给水PE管
2 DN2000～DN2200 钢管＞球墨铸铁管
根据上述表格可以看出，尽管目前国内给水PE管最大管径为DN1600，但是管道直径在DN800～DN1600 区间范围内，DIP管具有最佳的经济性，其次是钢管，给水PE管最不经济。当管道直径在DN2000～DN2200区间范围内，钢管具有最佳的经济性，其次是球墨铸铁管。
3、管材市场供应情况
管材的市场供应能力是管材选用必须考虑的问题之一。经调研，上述三种管材的市场供应情况如下。
3.1 钢管（SP）
钢管是一种在各行业广泛应用的管材，属市场常见管材。钢管生产厂众多，国内各大城市均有成规模的生产厂，技术成熟可靠，市场成熟，市场供应充足，价格可以形成有效竞争。在广州地区，广州钢管厂(广钢集团下属)、珠江钢管厂、宏达钢管有限公司、荣钢钢管有限公司、南粤钢管有限公司等，都具备大型钢管生产能力和业绩，能够满足本工程的钢管需要。
3.2 球墨铸铁管（DIP）
我国球墨铸铁管生产企业众多，主要集中在辽宁、山东、河北、华东等地区，而华南、西南、西北地区的球管生产企业相对较少。目前，较具竞争力的企业主要是新兴铸管、北台球管、山东龙口铸管厂、山东球墨铸铁管有限公司、江苏永益铸管股份有限公司、徐州光大、大连企荣铸管厂等。国内规模最大、规格及品种最全的球管生产企业是河北新兴铸管有限公司，是世界最大的离心球墨铸铁管企业，目前球墨管产能300万吨。上述国内主要球墨铸铁生产厂均具有多年管道研发和生产经验，已经形成良好的市场竞争环境，产品质量和售后服务均比较完善，因此，在中小口径的管道中可以考虑选用。
3.3 给水PE管
国内的给水PE管生产厂众多，生产规模和产品质量参差不齐。国内生产的给水PE 管基本规格为DN100～DN1600，工作压力为0.4～1.25MPa，无法覆盖本工程所涉及的所有管道直径范围。因此，从市场供应情况看，备选管材的推荐顺序为：钢管＞球墨铸铁＞给水PE 管。
4、管材施工技术分析
本工程管线口径大，安全性要求高，是否具备成熟可靠的施工技术，也是管材选择必须考虑的重点之一。上述三种管材的施工技术分析如下。
4.1 钢管（SP）
钢管是一种在各行业广泛应用的管材，具有长久的应用历史，丰富的使用经验。钢管施工技术成熟，重量适中，由于管材特性可方便的切割和连接，管道配件可以按需要进行制作，对复杂现场条件和各种地质条件适应性强，一般不需要做管道基础。钢管施工一般采用现场焊接形式，在现场焊接技术得到有效控制的情况下，可以确保不会发生渗漏。钢管敷设时，管材会受到土壤、地下水和管道内水的腐蚀，还会受到地下杂散电流的影响，因此必须采取适当的钢管内外壁防腐措施，必要时还要辅助以电化学保护，这是确保管线使用寿命的关键环节。管道施工过程中，要注意不能对防腐层造成破坏，必要时需要给予修补。钢管自身强度高、重量轻、采用刚性焊接接口的形式。
4.2 球墨铸铁管（DIP）
球墨铸铁管由于价格和性能方面的优势，也是一种在供水行业广泛应用的管材，尤其对于中小口径输配水管道，具有丰富的使用经验。球墨铸铁管一般采用承插接口，施工技术成熟，重量适中，对地质条件适应性较强，一般需要做简单的管道基础。球墨铸铁管一般采用橡胶圈密封的形式，密封性好，可以确保不会发生渗漏。虽然球墨铸铁管具有很好的抗腐蚀能力，为确保球墨铸铁管寿命，通常仍需要进行适当的防腐处理，一般内防腐采用水泥砂浆衬里，外防腐采用喷锌和煤沥青防腐漆。球墨铸铁管由于防腐层不受接口的影响，因此施工速度较快。目前球墨铸铁管采用的施工方式主要是开挖埋管。开挖埋管方式，不同土质对施工工艺有较大影响，如沟槽开挖边坡和支撑设置等。如土质较好，可以采用大开挖方式，辅助以降水措施，便于施工和降低工程造价；如土质较差，可能需要采取钢板桩围护的开挖方式。球墨铸铁管对基础有一定要求，主要是防止管道发生不均匀沉降或侧向位移导致接口拉开，造成漏损或故障。因此针对不同土质，需要对管道的基础进行适当处理。施工机械也是决定施工工艺的主要因素之一，目前常采用履带吊等机械，吊车设置在沟槽外侧，通过吊车将管道下至沟槽，并通过吊车进行稳管、承插口连接，连接后对管道进行回填夯实，完成敷管工作。
4.3 给水PE管
给水PE管由于水力条件、抗腐蚀和重量方面的优势，近年来在供水行业得到广泛应用，具有丰富的使用经验。其管道连接采用粘接或焊接，施工技术较成熟，重量很轻，对地质条件适应性较强。给水PE 管具出色的抗腐蚀能力，在无外力破坏的情况下，使用寿命一般可以达到50年。
给水PE 管的连接采用粘接或者焊接，焊接时先将电熔管件套在管材上，然后用专用焊机按规定的参数（时间、电压等）给电熔管件通电，使内嵌电热丝的电熔管件的内表面及管子插入端的外表面熔化，冷却 后管材和管件即熔合在一起。其特点是连接方便迅速、接头质量好、外界因素干扰小、但电熔管件的价格是普通管件的几倍至几十倍。给水PE 管采用的施工方式主要是开挖埋管。不同土质对施工工艺有较大影响，如沟槽开挖边坡和支撑设置等。如土质较好，可以采用大开挖方式，辅助以降水措施，便于施工和降低工程造价；如土质较差，可能需要采取钢板桩围护的开挖方式。给水PE 管对基础有一定要求，主要是防止管道发生不均匀沉降或侧向位移导致管道拉裂，造成漏损或故障。因此针对不同土质，需要对管道的基础进行适当处理。施工机械也是决定施工工艺的主要因素之一，由于给水PE 管重量最轻，目前常采用较小的起吊机械如普通吊车等，吊车设置在沟槽外侧，通过吊车将管道下至沟槽，并通过吊车进行稳管、接口连接，连接后对管道进行回填夯实，完成敷管工作。
4.4 施工进度
本段工程工期紧，要求高，管道工程的施工进度将是影响整个工程进度。钢管的连接采用焊接方式，根据以往工程经验，管径在DN2200以上的管道每道焊口焊接时间一般不少于12 小时，即使多道焊口同时焊接，施工时间也较长。给水PE管一般采用粘接或焊接。安装方便、密封性、耐腐性好。球墨铸铁管采用承插连接，根据以往类似工程经验，用这种连接方式，每个施工作业面每天可安装球墨铸铁管道12根以上，施工速度较快。通过上述管道连接安装方式的比较可以看出，球墨铸铁管和给水PE管的安装施工较为方便。钢管的焊接方式耗时长。综上所述，从备选管给水材的施工技术分析：
推荐的管材顺序为：
给水PE 管＞球墨铸铁管＞钢管。
三、 综合比较
表4、管材综合排序比较表
上文从备选管材的经济性、安全性、市场供应情况、施工技术等方面因素，对备选管材进行了分层次、分阶段的比较。以上各方面因素对于管材选择的重要性，由重至轻依次排序为：安全性＞经济性＞施工技术＞市场供应情况。
四、 结论
综上所述，广州市北部水厂一期工程配水管网工程的各标段推荐管材及其长度分别为：
表5、管材综合比较结论表（单位：m）
据此将上述各种因素进行综合对比，可以得出以下结论：
1、在安全性方面，简单路段（平直段）直径在 DN800～DN2000 的管道，球墨铸铁管最优；复杂路段以及DN2200 管道，钢管最优。在经济性方面，DN2000 及以上口径的管道，钢管最优；DN1600 及以下口径的管道，球墨铸铁管最优。在施工技术方面，给水PE 管和球墨铸铁管最优。在市场供应情况方面，钢管最优，球墨铸铁管次之。
2、第一、三标段DN800管道，在安全性和经济性方面，球墨铸铁管为最优，因此DN800 管道推荐优先采用球墨铸铁管。
3、五标段 DN2000（平直）和六标段DN1200（平直）管道，在安全性方面，球墨铸铁管最优；在经济性方面，球墨铸铁管也强于钢管；在施工技术方面，球墨铸铁管和给水PE管由于采用承插口连接或电热熔连接，可以大幅增加施工速度，进而可以减少对经过道路施工影响的时长，因此对于五标段DN2000（平直）和六标段DN1200（平直）来说，更适合采用球墨铸铁管或者给水PE管。考虑球墨铸铁管在经济性中领先于给水PE 管，因此五标段DN2000（平直）和六标段DN1200（平直）管道推荐优先采用球墨铸铁管
4、对于所有复杂路段的配水主干管，钢管都体现了其优势，因此对于这部分管线推荐优先选用钢管。
5、其它各种管道口径中，虽然在施工技术方面，钢管均排在球墨铸铁管和给水PE 管之后，但是由于现场施工时，管材之间的施工技术因素差距并不是很大，且可以通过施工的现场管理来弥补。故综合考虑各方面因素，均推荐优先选用钢管
参考文献：
1、陈震宇;市政给水管道施工中选材的合理选择[J];中国新技术新产品;2011年13期
2、吴凡;建筑给排水设计中常见问题及解决办法[J];技术与市场;2011年07期
论文作者:梁远锦
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/9
标签：管材论文; 管道论文; 钢管论文; 球墨铸铁管论文; 工程论文; 标段论文; 水管论文; 《防护工程》2019年第7期论文;