摘要：球墨铸铁管具有防腐性能好、延展性能较好、安装简单等特点，因此其可用于输送水资源。本文探析了水利输送管线水力、地质、施工中各种条件与球墨铸铁管各项性能之间的关系，并分析了球墨铸铁管在水利工程中的应用。
关键词：球墨铸铁管；水利工程；应用
引言
目前，球墨铸铁管在市政供水行业中得到了广泛应用。然而球墨铸铁管在水利工程中的应用并不多，本文依据水利输送管材的特征与不同工程对管材的需求，分析了球墨铸铁管的适应性。
1 工程概况
本工程主要为输送管道安装，主要施工内容为：管线土方开挖与土方回填、球墨铸铁管安装、管基处理、阀井、施工期水保环保等。穿越省道、城区主干道采用钢筋混凝土顶管做套管，内安装钢管方式穿越，钢管两端采用焊接法兰与球墨铸铁管相连。
2 水利工程中输水管道的特征
水利工程指的是综合规划、利用水资源的工程，引水工程与调水工程需使用输水管道，水利工程输水管线具有以下特征：
第一，管线较长。大部分水利工程输水项目包含扩地区调水项目，或者科学调配本地区水资源，通常水源与供水地距离较远；
第二，管线口径较大。水利工程建设前需考虑城市长远发展问题，因此为满足城市用水需求，管线口径较大；
第三，地质环境较为复杂。水利工程施工中需涉及较多特殊工程，比如：管线陡坡施工、明装管线施工等。受地质沉降、土壤水含量等因素的影响，水利工程管理运行难度较大；
第四，管线运行寿命较长。随着管线运行时间的增长，管线投资效益奖不断上升；
第五，管线安全等级较高。输水管线工程属于城市的重要工程，因此其安全等级较高。通常输水管线设置为两条，每条输水管线供水量都在全部供水量的70%以上。
第六，管线投资较多。由于水利工程输水管线安全等级较高，因此需选用等级较高的管材，管线总投资额将增高。
在建设水利工程输水管线时，首先需保证管线的安全性，其次水利工程输水管线中主要包含了管道、管件、阀门、各种配件等，需保证这些配件的使用寿命为50年以上，运行寿命指的就是在一定时间内、管线稳定运行情况下，管线未出现渗漏问题；再次，只有保证管线使用寿命较长，才可提升管线收益；最后，若管线出现渗漏问题，不仅需花费资金修复，同时还将造成不良社会影响。
3 管材选择原则
通常情况下，水利输水管线选用的是大口径管材，主要包含：焊接钢管、球墨铸铁管等。不同管材具有各自的优缺点，在选用过程中，需坚持以下原则：首先，需考虑管材在实际工程中的运行情况；其次，需考虑管材本省的优缺点，主要分析是否有方案可解决管材劣势问题；最后，需考虑管材各种性能在施工与运行过程中是否安全。
为分析球墨铸铁管在水利工程中的运用，本文将球墨铸铁管性能分为承压能力、接口性能及使用寿命这三种，并探析其与水力条件、地质条件、施工条件方面的关系，分析球墨铸铁管是否有应对措施。
图二 球墨铸铁管管道安装施工工艺流程
施工工艺：
（1）轴线、高程放样
在安装管道之前，需进行测量放样工作，以确定管道轴线及高程控制桩位置，保证管道安装质量。在放样过程中，需保证高程控制桩放样间距为15米，控制桩精度将影响管道安装质量，因此需保证控制桩位置准确。
（2）吊管、管道就位
在吊装过程中，需使用双点兜身吊或其他起吊设备进行吊装，在施工过程中不能使用穿心起吊方式。需使用尼龙带、宽帆布吊索、加垫吊索等吊装设备，严禁使用钢丝绳直接进行吊装施工。假如使用钢丝绳吊装，未免损坏管件或管件保护层，需使用橡胶或麻布将钢丝绳包裹起来。
在起吊施工过程中，需保证起吊设备具备起吊能力，不能超负荷运转。在安装过程中，需保证管道已运输到适当位置，之后才可将管道对接起来。未免管道承插口损坏，需尽量平稳移动管道，在管道距离已安装完毕管道承口10到20厘米时，需使用木衬块将管道隔开，以免承插口损坏。
（3）橡胶密封圈检查、安装
在选用橡胶密封圈时，需选用符合相关标准要求的密封圈。在安装之前，需严格检查橡胶密封圈外观质量是否存在问题。橡胶密封圈时圆形实心胶圈，因此其表面不能存在气孔、裂缝、重皮、平面扭曲等质量问题，以免影响密封效果。
橡胶密封圈安装前的清扫及检查工作：
第一，详细检查承口内表密封面与插口外表民是否存在砂石、尘土等杂物，若存在需进行清扫；第二，详细检查密封圈上是否粘有杂物，若有需及时清理；第三，详细检查插口倒角是否符合安装要求。
橡胶密封圈安装：第一，把橡胶密封圈弯成“十”字，放入承口槽中；第二，在按压橡胶密封圈一周之后，使用橡皮锤砸实橡胶密封圈，保证橡胶密封圈安装均匀，以免影响密封效果。
（4）刷油
在安装前，需在管道插口与承口内橡胶密封圈面上涂抹一层润滑油，以保证安装操作可顺利进行。在选择润滑油时，需选择不含有有毒成分、润滑性质较好、不会影响橡胶密封圈使用寿命的润滑油。
（5）管道对接、安装
在吊装过程中，施工人员需正确进行指挥，保证吊装管道插口端与承口端在同一水平线，同时需保证四周间隙相同，之后由施工人员把管道推入承口中。
在管道对接完毕之后，需使用安装导链把管道插口拉到承口中，同时需保证插口安装线与上一节承口齐平。在安装完毕之后，需使用探尺插入承插口中，在顶到橡胶密封圈时停止，需保证检查插入深度相同，同时还需保证安装间隙符合相关标准。
（6）安装检查
在每安装完毕一节管道之后，均需使用全站仪、水准仪测量检测安装轴线位置、高程是否与设计图纸相符。若其不能符合设计要求需及时进行处理，并重新进行测量，适当调整管道位置，在检查合格之后才可安装下一节管道。
每班安装施工之前，需检测之前安装好的管道，若发现其存在位移问题，需恢复其位置，在检查合格之后才可进行安装施工。在施工过程中，需使用专用切割设备切割铸管，并且在切割之后需修磨铸管插口，为之后的安装操作奠定基础。
（7）安装验收
在管道安装完毕之后，每200米管道设置为一个单位进行验收，以便及时进行沟槽回填施工，减少管道暴晒时间。其他施工操作与上述几点相同。
5 球墨铸铁管的应用
5.1管道承压
5.1.1内部承压
球墨铸铁管内部承压计算公式为：
公式中，PFA指的是管道允许正常工作压力，单位为兆帕；e指的是公称壁厚，单位为毫米；emin指的是最小壁厚，单位为毫米；D指的是平均直径，单位为毫米；Rm指的是最小抗拉强度，单位为兆帕；SF指的是安全系数，取3。
在球墨铸铁管内部承压计算公式中，管道壁厚在生产过程中可能存在偏差，但是需保证最小值一定，因此在计算过程中可选择最小值。在生产过程中，每批管道均需进行拉棒试验，主要检测项目就是管道的抗拉强度；通常球墨铸铁管采用离心技术一次性整体浇注形成，如此可确保整个管道的生产质量。
由于水泵工况点波动，管道输水压力将改变，在水泵停泵或阀门关闭时，将形成水锤效应，从而形成较大冲击压力，因此在建设水利管道时不仅需尽量消除水锤效应，还需保证输水管道可承受水锤冲击。研究发现，水锤效应及冲击压时影响输水管道运行情况的重要因素。因而，设计人员在设计过程中，需重视冲击波对输水管道的影响。若安全系数取3，则表示管道正常工作压力高于2.5兆帕，其爆破值为7.5兆帕，其对抵抗水锤冲击波对管道的影响具有重要作用。
为保证球墨铸铁管质量，可在其运输到施工现场后，由插口处切割下一个圆环（并不会影响球墨铸铁管的性能），使用此圆环进行拉棒试验，并送至第三方检测单位进行检测，以确定球墨铸铁管质量是否符合要求。
5.1.2外部承压
土壤、交通荷载、管道与水资源重量，将形成作用于管道的外部压力；管道外部承压能力主要表现为管道与土壤弹性模量的综合抵抗。在弹性变形允许情况下，管道接口密封较为完整。根据《球墨铸铁管设计方法》规定，球墨铸铁管弹性模量为170000兆帕，设有水泥内衬的球墨铸铁管最大允许变形值为4%。由此可见，球墨铸铁管外部承压能力较强，即便施工人员并未严格依据施工规范施工，也可确保管道密封性能。
5.2接口性能
球墨铸铁管的接口形式较多，T型接口使用较为广泛。
图三 球墨铸铁管T型接口示意图
相较于传统柔性接口，球墨铸铁管在设计、工程试点等方面进行了优化，球墨铸铁管接口密封性能较好。球墨铸铁管T型接口有以下几点特征：
（1）T型接口可保持传统柔性接口的特征
在环境温度改变时，球墨铸铁管将出现热胀冷缩情况，T型接口可吸收管道变化情况，保证其密封效果；在管道长期运行过程中，必然将出现地基沉降问题，使用T型接口在地基沉降问题较轻时，可保证其密封效果。
（2）在角度偏转较大时，T型接口可保证密封效果
T型接口中，安装橡胶密封圈的承口壁厚较厚，其承压能力较高。此外，管道在运输、存储、暗黄、埋设过程中均不会出现变形问题，可保证管道密封效果；独特的T型密封设计，水压在逐渐升高时，密封效果也将不断提升。
（3）T型接口具有自己的特征
橡胶密封圈可分为软橡胶密封圈与硬橡胶密封圈。硬橡胶密封圈的主要作用是固定，而软橡胶密封圈的主要作用是密封；橡胶密封圈安装在承口位置，橡胶密封圈使用的是卡槽式设计，在安装过程中，橡胶密封圈不会出现移动情况，可有效保证橡胶密封圈的压缩比；相较于其他种类橡胶密封圈，T型橡胶密封圈封面更宽也更厚，即便管道出现偏转情况也不会影响其密封效果。
（4）球墨铸铁管接口最独特的是型式试验
虽然PCCP管也有型式试验，但其主要目的是检查其产品质量。而球墨铸铁管型式试验则是设计验证试验，为确保结构密封性能较好，每个接口设计均需进行型式试验。其主要目的是在严格条件下分析接口密封效果，此试验过程需由第三方部门进行监督。
整个型式试验主要包含以下几方面：首先，正内压试验。主要检查管道与接口在高内压、外界荷载、接口尺寸偏差大等情况下，管道密封情况，在整个试验过程中需保证保压时间在2小时以上；其次，负内压试验。其主要目的是检查管道在真空情况下的密封效果；最后，正外压试验。在管道内部气压正常的情况下，检测管道密封效果。
5.3特殊工程解决方案
为保证球墨铸铁管可满足施工要求，厂家研发了自锚式接口形式，其可用于部分特殊工程中。自锚式接口属于柔性连接范围，依然需保证轴向及径向的位移，接口在后移过程中，将被锁住，从而实现防脱的目标。
图四 球墨铸铁管TF自锚式接口示意图
5.3.1免支墩设计
在管线中水力方向变化时，将形成水力推理，若球墨铸铁管使用柔性接口，则需通过配置混凝土支墩消除这部分力对管道的不良影响。若未建设混凝土支墩，则需在柔性接口处设置防滑脱设备，也就是自锚接口，以保证其密封效果。管道埋设在地下，在管道与土壤摩擦过程中，将抵消水利推力，这个距离则是自锚长度，简言之自锚长度之内需配置自锚接口，自锚长度之外需使用普通柔性接口。
图五 球墨铸铁管免支墩设计示意图
5.3.2非开挖施工
若输水管道需穿过河流、池塘、公路等区域，必须采用非开挖施工方法。球墨铸铁管可采用以下方式进行非开挖施工，同时可确保施工质量。
（1）顶管施工
球墨铸铁管施工方法与钢管、混凝土管施工方式相同，但是其定推力较大，若使用中继间技术，可实现长距离顶管施工。若使用T型接口，可在保证其偏转性的同时，使用定位系统检验施工位置，科学调整顶管前进方向，从而保证施工质量。
图六 球墨铸铁管顶管示意图
（2）水平定向钻施工
若采用水平定向钻施工方式，则球墨铸铁管在牵引过程中将承受较大牵引力，接口可灵活偏转降低管道弯曲力矩。球墨铸铁管接口可使用内自锚形式，需在其外部包覆热缩膜，以免管道在运输过程中被损坏。
5.4运行寿命
虽然球墨铸铁管的抗腐蚀性能较好，但是依然需使用内外防腐措施保证输水管线可稳定运行。
5.4.1管道内防腐措施
水利管线运输的是水资源，水质较好，通常可使用硅酸盐水泥砂浆内衬或者抗硫酸盐水泥砂浆内衬。其防腐原理为：首先，使用钝化原理保证球墨铸铁管不被腐蚀；其次，球墨铸铁管与水泥的膨胀系数相近；再次，采用离心喷涂方式将水泥喷涂在球墨铸铁管中，其表面较为光滑，阻力系数较小；最后，在生产球墨铸铁管时，需保证其内部较为粗糙，以保证水泥可与球墨铸铁管紧密结合在一起。
5.4.2管道外防腐措施
由于水利工程项目地质环境较为复杂，可利用地质勘查方式明确土壤腐蚀情况。在施工过程中，可依据施工现场土壤情况选择最合适的外部防腐方案，以延长输水管线使用寿命。若施工现场为一般土壤，可采用金属锌、终饰层对球墨铸铁管进行外部防腐。其主要原理为：锌在发生化学反应之后，将在管道外部形成不能溶解的锌盐层。即便局部出现破损情况，锌离子将转变为锌化物，使破损处逐渐愈合。
若土壤腐蚀能力较强，可采用金属锌、终饰层、PE膜防腐方案，或者利用锌铝稀土合金与环氧树脂在管道外部形成防腐层。
若将管道埋设在腐蚀性强的土壤中，则需使用聚氨酯防腐方案进行防腐施工。
6 结语
总之，球墨铸铁管的适应性较好，可用于复杂地质环境施工。在我国南水北调工程中，球磨铸铁管使用量在1800多千米以上，各水利专家也认为球磨铸铁管的性能较好、适用性较高。可以预见未来球磨铸铁管将在水利工程中得到广泛应用。
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论文作者:薛占云
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/18
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