摘要：本文以深圳地铁3、7、9号线为例，通过对比不同类型消防管材的优缺点，结合运营以来深圳地铁曾出现的多起消防管漏水事件进行了深入分析，提出了在管道选型的合理化建议，认为采用自锚式球磨铸铁管道应用于地铁隧道区间是比较安全可行的，对于新线消防管选型时能提供一些借鉴意义。
关键词：地铁 区间 消防管 材料 选型
1 概述
为了满足地铁设计防火要求，区间隧道内上下行各设有一条DN150mm 消防管道，水源从相邻两端车站引入区间形成全线闭合环状管网，一旦区间发生火灾可通过两端车站进行消防供水。
区间消防管在隧道内明装敷设，管内输送介质为自来水，水温不高于50℃，工作水压不高于1.0MPa、抗地震烈度为7度，区间隧道内有活塞风效应及地铁车辆振动等客观条件。为了保证管道的使用寿命和地铁列车的运营安全，深圳地铁在材料选型时经过了长时间的探索，3、7、9号线分别采用了内外涂环氧树脂复合钢管及球磨铸铁管两种类型，其中3、9号线采用沟槽式卡箍连接方式，7号线采用N1型承插连接，另3号线塘横区间及塘六区间还采用了花型自锚式球磨铸铁管连接方式（俗称NI型双压兰结构）。自2011年3号线运营以来，区间消防管曾发生多起管道漏水、接头脱扣、螺栓松动、管件腐蚀等一系列影响运营安全的事件，现将不同类型管道对运营安全的影响分析如下。
2 内外涂环氧树脂复合钢管
2.1.涂塑钢管的发展历史
内外涂塑管是将粉末原料通过熔融喷涂技术，在管道内、外壁涂敷聚乙烯(PE)或环氧树脂(EP)塑料的复合钢塑管道。
在我国经历了四次升级换代过程，最早从20世纪80年代开始在钢管内外表面涂聚乙烯，后发现聚乙烯涂层与钢管基体存在结合力不牢固的问题，从而发展到第二代内外涂环氧树脂，环氧树脂与钢管基体结合力非常强，但它属于热固性物质，质脆不耐磕碰。随后发展到第三代内壁环氧+外壁聚乙烯防腐管道，它结合了聚乙烯耐磕碰和环氧附着力强的优势，管道整体性能进一步增强，但是单层聚乙烯直接与钢管结合还是存在附着力问题，且施工过程中难免出现磕碰，最后升级到第四代—内壁环氧2层/外壁聚乙烯3层防腐管道，又称TPEP防腐钢管，深圳地铁3、9号线采用的是第二代内外涂环氧树脂钢管，其内外表面见图一。
图一 内外涂环氧钢管
2.2内外涂环氧树脂钢管特点：
2.2.1力学性能高。具有钢管的高强度、易连接、耐水流冲击等优点，设计寿命可达50 年。
2.2.2良好的化学稳定性和耐热性。涂塑层与钢铁有极强的结合力，涂层材质为环氧树脂（EP），可适用于80℃以下的工作环境，其涂层硬度高，且有较好的耐化学腐蚀性能。
2.2.3优良的电绝缘性。涂层采用的环氧树脂属于热固性树脂，具有良好的抗静电性能。
2.2.4化学稳定性优良。不和大多数物质发生化学反应，防腐性能好。
2.2.5采用柔性卡箍，伸缩补偿性好。管道因温差和震动产生热胀冷缩变形时，柔性卡箍具有轴向和径向补偿能力，轴向最大补偿能力不小于3.2mm，最大允许偏转角度不小于1°6′，可以保证管路系统的稳定性。
2.2.6防脱扣性好。沟槽卡箍连接抗脱扣能力很强，即使管道存在一定位移也能保证其密封性。
2.2.7接头形式简单，便于维修。内外涂环氧钢管在3、9号线广泛应用，管道连接采用沟槽式卡箍连接方式，具有安装简单，操作空间小、维修便利等优点，相对承插式球墨铸铁管，当需要维修或更换管道时，只需松开两片卡箍即可任意更换一段管路，从而减少了维修时间和维修费用，具有良好的经济效益。
2.2.8技术先进，广泛应用。由于内外涂环氧钢管采用沟槽卡箍连接技术，安装优势明显，使复杂管道的连接工序变得简单、快捷，多部国家政策法规给予了肯定和支持，在《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》、《通风与空调工程质量验收规范》及《自动喷水灭水系统施工及验收规范》等诸多法规中都有明确其使用范围。
2.2.9 缺点：外壁磕碰使涂层剥离、脱落，钢管表面失去防腐作用，加速管道腐蚀。
图二 内外涂环氧钢管外壁涂层剥离
3 N1型接口离心铸造球墨铸铁管（GB/T13295-1991）
球墨铸铁管具有高强度、高延伸、耐腐蚀、寿命长、密封好、无渗漏、输水可靠的性能。球墨铸铁管、管件、附件、胶圈在正常使用条件下使用周期为50年，N1型和法兰垫橡胶材质为采用三元乙丙橡胶，T型接口采用丁腈橡胶。
3.1N1型接口形式及特点
离心铸造球墨铸铁管均采用柔性接口，按接口型式可分为滑入式和机械式两种，滑入式接口型式为，机械式接口又分为N1型、X型和S型三种，T型接口因抗脱扣能力差一般用于室外埋地管，深圳地铁车站与市政给水连接管中有所应用。而在区间等重要部位多采用机械式接口，7号线区间和3号线塘横区间、塘六区间均采用的是N1型接口，其结构原理见图二。
图二 N1型接口结构原理图
N1型接口球墨铸铁管特点：
3.1.1密封性好。由于橡胶圈受到压兰挤压，与铸管承口内表面和插口外表面紧密结合，因而可获得充分的气密性和水密封性。
3.1.2具有可挠行。由于橡胶圈具有弹性，铸管承口和压兰内表面呈圆锥形，因而获得了可挠性，使管道能较好的适应局部弯曲或震动。沿隧道曲线安装时，橡胶圈柔性接口允许轴向偏转角度为5°。
3.1.3具有良好的伸缩性。由温度变化产生的伸缩容易被橡胶圈的弹性所吸收。
3.1.4施工简单迅速。相比沟槽式管道，球墨管不需要二次加工，使用简单工具即可进行迅速安全的完成接装工作。
3.1.5橡胶圈不易老化。橡胶圈几乎完全被嵌入承口内槽中，露出部分很少，与氧气接触少，因而老化危险性小。
3.1.6能防止电化学腐蚀的影响。接口的橡胶圈使每根铸管之间相互绝缘，因而电化学腐蚀影响较小，并且铸铁组织物理特性决定其导电阻值较大，不易产生电腐蚀，钢的电阻值为（10-20）欧姆，而球磨铸铁的电阻值为（50-70）欧姆。
3.1.7力学性能好。具有高强度，高延伸率，且硬度较低，方便机械加工，球墨铸铁管力学性能如表一所示。
表一 球墨铸铁管力学性能
3.1.8耐腐蚀性好。耐蚀性能优于钢管，管道进行内外涂层处理，内涂层为普通硅酸盐水泥砂浆衬里，厚度不小于3mm；外涂层喷涂含量不小于99％的金属锌，锌层平均重量不小于130g/ m2，锌保护层表面再喷涂环氧沥青漆防腐保护层，平均厚度不小于70μm。
3.1.9缺点：接口容易脱离。由于N1型柔性接口构造上的特点，承口和插口主要是依靠橡胶圈的摩擦力防止松脱，其脱离摩擦系数不大，在水锤的冲击载荷作用下容易使接头发生脱扣。因此，在拉伸作用的管末端和弯头，三通、变径部分等处必须采取适当的防滑措施。根据建设部建筑设计图集03SS505(柔性接口给水管道支墩)的规范要求，间隔一定距离必须设置止退支墩来限制位移防止管节脱扣，或者采用限制性接口（铸铁管的自锚接口）进行管道连接。
7号线N1型球墨铸铁管因自身不具备自锚防脱扣功能，在接头结构上进行了改进，增加了一个卡箍法兰用来增大摩插系数防止脱扣，其结构形式见图三。
图三 内外涂环氧钢管外壁涂层剥离
4 N1型自锚式球磨铸铁管（俗称双压兰球墨铸铁管）
3号线塘横区间和塘六区间采用的N1型自锚式球磨铸铁管与7号线NI型球墨铸铁管在材料性能上基本相同，区别是自锚式接口在管道外壁有止退焊环，另配备一个花型法兰，安装时花型法兰的内凹处与管道焊环重叠，进入后旋转一定角度，即可使法兰内径锁住焊环，通过紧固螺栓从而实现刚性防脱扣功能，其结构原理见图四。
图四 N1型自锚式接口结构原理图
N1型自锚式接口缺点是对铸铁件的精度要求比较高，铸铁件因未经过机械加工尺寸精度存在偏差较大，主要有：管道直径外尺寸偏差、同心度偏差、外圆不圆、焊环高度偏差、止退法兰内圆偏差等问题，尺精度的偏差可造成自锚止退功能失效。地铁机电维保人员在塘横区间巡检时发现止退法兰内径已经越过焊环顶部，存在脱扣的风险，后经过多次试验通过加装卡环增加焊环高度的方法继续保持自锚止退功能。
5 三种类型管道特点对比
地铁区间消防管选型主要应考虑以下几个方面：
5.1 管道的力学性能满足要求。
消防管在应用过程中需承受自来水官网的压力，材料必须有良好的强度、塑性和韧性指标，所以区间一般不采用价格更廉价灰口铸铁，但球墨铸铁管强度高于涂塑钢管其实存在一个误区，普遍认为球墨铸管的强度比钢管高，原因是球墨铸铁管相对Q235普通碳素钢（屈服强度等级235 Mpa是最低一级的钢材）而言的。因消防管水压规定不超过1.0Mpa（根据消防规定超过后需采取减压措施），Q235普通碳素钢强度已足够满足使用需求，若工程需要可选用高强度等级钢材，例如：X80钢管屈服强度大555 Mpa（用于西气东输管道压力10MPa），因此，不论是球墨铸铁管还是涂塑钢管在力学性能方面对于区间消防管选型来说基本不用考虑。
5.2管道的耐腐蚀性能决定了管道的使用周期。
地铁作为城市最重要的公共交通，具有客流量大、线路长、可检修时间短的特点，大批量更换区间管道将对运营造成很大的安全压力，在区间消防管选型时最重要考虑的莫过于使用周期，能达到50年使用寿命甚至更长至关重要，而管道得耐腐蚀性能决定其使用寿命。球墨铸铁管和内外涂环氧钢管在同等条件下，其实黑色金属的腐蚀速率是一样的，设计使用寿命不是靠裸金属管道来实现，所以球墨铸铁管并不能比钢管耐腐蚀，而是通过增加金属防腐层好坏来决定的。
内外涂环氧钢管和球磨铸铁管经防腐处理后是能够满足设计使用年限的，但在运输和安装等环节不可避免出现磕碰、刮花而造成防腐层失效的问题，特别是内外涂环氧钢管的安装工艺需要滚槽，安装人员的技术水平和质量控制都可能损坏其环氧涂层。相比之下，球墨铸铁管的安装工艺在耐腐蚀方面比内外涂环氧钢管具有可比优势。
5.3 管道安装成本。
球墨铸铁管因制造工艺复杂，壁厚较厚，按管道单价比较球墨铸铁管200元/米，内外涂环氧钢管180元/米，固定采购成本相对较高。除此之外，球墨铸铁管因重量原因造成运输成本、安装成本、人员需求成本也相对较高，球墨铸铁管工程总体造价虽然相对于内外涂环氧钢管高出10%-15%左右，但对于地铁建设成本来说在消防管选型时可以不予考虑。
5.4 运营安全性比较。
5.4.1 区间消防管安全运行的可靠度是仅次于使用寿命的重要因素，对于选型具有重要意义。自2011年运营以来，3、7、9号线区间多次发生消防管爆管、漏水事件，其故障统计及原因分析如表二、表三所示。
表二 运营以来发生的重要爆管事件统计
表三 区间消防管漏水及爆管的原因分析
5.5 区间发生爆管漏水的典型事例
福邻站台爆管 福民-皇岗口岸区间爆管
西丽5/7联络线爆管
皇岗口岸站台板下球墨铸铁管爆管
通过以上分析可以看出，不论是沟槽式内外涂环氧树脂复合钢管还是球墨铸铁管，未见有管道因本身质量问题发生破裂或爆管的现象，其根本原因是管道支吊架安装不足或安装形式不合理造成，经查询地铁七号线BT合同，对支吊架的技术要求如下：1）管道支吊架可以采购成品，也可以现场制作。2）支吊架的材料、做法应满足设计要求和《GBT17116.1-1997管道支吊架》《03S402室内管道支架及吊架》等规范。3）所有给排水管应保证每根管至少有两个支架，两个支吊架间距不超过3米；管道连接处、转弯处及设有阀件处（尤其是弯头处以及波纹伸缩节两端）增加支架或吊架数量。4）管道接头两侧支、吊架应对成安装，支、吊架与接头的距离不超过50cm为宜。
从技术要求可以看出，合同内只是针对管道支架的距离和部位加装有所要求，但没有制定统一可行的支架安装标准图例，因区间拐弯处结构形式的多样性，以及安装工人的技术水平不一样，造成现场支架安装形式五花八门，出现支架结构设计不一样，采用的材料不一样，安装的部位不一样等诸多问题。
通过以上分析，可以肯定球墨铸铁管应用于区间隧道是可行的，且耐蚀性及使用周期总体优于内外涂环氧树脂钢管。虽然内外涂环氧树脂钢管尚未出现过爆管事件，但钢管在压槽过程中不可避免的存在防腐层失效情况，由于沟槽内部腐蚀发生在管道内部不可能通过检修发现，随着时间延长腐蚀层达到一定深度，在卡箍收缩作用力的情况下沟槽突然断裂则发生爆管事件，此问题具有隐蔽性特点且危害性更大。而球墨铸铁管只要在拐弯处增加合理的刚性固定的支架，就可避免保管时间的发生，7号线在2016年多次发生球墨铸铁管接头脱落事件，经合理加装支架后从未再次发生类似事件。，
6 选型建议
6.1 采用TF型自锚式球墨铸铁管
6.1.1 TF型自锚式球墨铸铁管的必要性：
管线在安装时，经常会遇到低级的不均匀沉陷、转弯处无法那幢支墩等的现实情况。所以，解决接口的防拔脱问题就显得非常重要。TF型自锚式接口就是在这样的条件下开发出来的。
6.1.2 TF行自锚式接扣的结构：
由焊接在管子插口端的焊环、外形带曲率的锁紧环和特殊的压兰及狗头螺栓组成。自锚式接口图片如下：
6.1.3球墨铸铁管自锚式接口防拔脱原理：
球墨铸铁管自锚式接口是一种有效防止管道滑脱的接口。通过压兰的内锥、挡环的外锥箱配合，靠狗头螺栓紧固实现自锚。
铸管自锚式接口，属于一种用TF铸管连接成管道的接口结构，在铸管承口的内凹槽中嵌装有用来密封的胶圈，另一根铸管的插口插在所述铸管的承口内，将胶圈紧紧挤压在铸管的承口和插口之间，所述铸管的承口和插口连接处外套有压兰，紧靠插口外圆柱面的压兰的内孔为圆锥孔，圆锥孔靠近承口的一端直径较大，此端的压兰上有一内端面，内端面靠在承口的端面上，圆锥孔内装有挡环，挡环卡在压兰和插口之间，防止向外滑脱，压兰的外凸台上均布螺栓孔，螺栓孔内装有钩头螺栓，钩头螺栓的钩头钩住承口的外沿，旋紧螺母，可将压兰固定在承口上。它具有结构简单、易加工制造、可实现多根管道整体吊装、施工方便、不会出现滑脱泄漏的优点。
6.1.4自锚式球墨铸铁管特点：
（1）较好的结合了柔性接口的密封性和防滑脱性，安装方便；
（2）可以实现一段管道的整体安装施工，具有良好的可拆卸性。
（3）TF型自锚式接口钩头螺栓是盲帽，丝扣密封可以增强防腐效果。缺点是安装间隙要求较高。
（4）能够有效防止接口脱落：自锚式连接既是柔性连接，同时有具备刚性连接的特点。该管的接口连接处能够将轴向力相互传递，通过该段管线与周围土壤所产生的摩擦力，有效的用来抵消轴向和径向产生的应力，克服了普通铸铁管容易脱落的缺点。
（5）自锚式连接由于有压兰螺栓的紧固使管道能够承受较高的压力，扩大了管道的在压力方面的使用范围。
（6）在地质较软地段可以考虑使用TF型自锚式球墨铸铁管，尤其是在转弯和分支处，以增强接口的防拔脱性能。
6.2 制定统一标准的支吊架图例。根据区间现场的结构特点设计几种类型的刚性固定支架，明确材料使用要求，加装部位等等技术要求，在新线建设时一次安装完成，可有效杜绝爆管而发生水淹的安全隐患。
6.3 拐弯处管道设计为不锈钢管。从以往的经验来看，区间隧道的直管段如果采用球墨铸铁管不可能发生接口脱落的情况，内外涂环氧复合管相对概率也非常小，主要问题集中在拐弯处位置，除了加装设计足够和合理的刚性支架外，还可以拐弯此处用304不锈钢焊接管进行替代，这样就彻底解决了管道接头脱扣的问题，以下是皇岗口岸站站台板下球墨铸铁“Z”消防管更换后的效果。
皇岗口岸站站台板下球墨铸铁“Z”消防管更换为304不锈钢管
7 结论
通过对比分析内外涂环氧复合钢管和球磨铸铁管的各项性能及特点，采用自锚式球磨铸铁管道是比较安全可行的，既可以满足管道设计使用寿命，又不存在直管段接口脱扣的风险，只需设计出几种刚性固定支架用于消防管拐弯处进行安装，并做好刚性固定即可完全杜绝爆管影响行车的安全隐患。
参考文献:
[1] 韦春杰,管道沟槽连接技术的工程应用探讨[J]．广西城镇建设,2015.5
[2] 陆健辉．镀锌钢管沟槽卡箍式连接技术[J]．中国高新技术企业，2008.12
[3] 王建德,浅谈球墨铸铁管的性能及施工要求[J]．中华民居,2014.2
论文作者:周强,胡立新
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：管道论文; 区间论文; 钢管论文; 接口论文; 球墨铸铁管论文; 环氧论文; 吊架论文; 《电力设备》2018年第19期论文;