邱丁初，楊 鋒

球墨鑄鐵管輸水工程設(shè)計綜述

邱丁初，楊 鋒

(河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050021)

近年來，由于球墨鑄鐵管（DIP）具有多項優(yōu)點(diǎn)，在眾多管材中優(yōu)勢凸顯，因此在市政供水工程以及南水北調(diào)配套工程中得到了廣泛應(yīng)用。本文闡述了球墨鑄鐵管產(chǎn)品特點(diǎn)、管材特性及標(biāo)準(zhǔn)體系，并歸納了球墨鑄鐵管管道輸水工程設(shè)計要點(diǎn)，對此類工程設(shè)計具有一定的參考價值。

球墨鑄鐵管；管道輸水工程；設(shè)計

1 管材概況

球墨鑄鐵管廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)的供水、排水和輸氣工程，與人們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。鑄鐵管按材質(zhì)可分為灰口鑄鐵管和延性鑄鐵管。由于灰口鑄鐵管口徑不大、材質(zhì)不穩(wěn)定，造成事故較多，在輸水工程中基本不采用。延性鑄鐵一般指其鑄鐵內(nèi)部析出的石墨大部或全部呈球形狀態(tài)，因此也稱為球墨鑄鐵管，其強(qiáng)度比鋼管大，DN1000以下管道延伸率高于10%，DN1000以上或K12以上管道延伸率也能達(dá)到7%。另外，當(dāng)廠家生產(chǎn)不進(jìn)行退火處理時，成為鑄態(tài)球墨鑄鐵管，其材質(zhì)的性能除延伸率低于球墨鑄鐵管外，其余性能指標(biāo)均與球墨鑄鐵管相似，價格也低，應(yīng)用較多。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)

球墨鑄鐵管具有強(qiáng)度高、壁薄、耐壓、耐沖擊、耐腐蝕、耐抗震等優(yōu)良性能，管道采用柔性接口，具備一定的延伸率和偏轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)小角度水平和垂直方向偏轉(zhuǎn)，還同時具備生鐵管和鋼材管質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，避免了鐵和鋼的缺點(diǎn)，價格適中，經(jīng)濟(jì)合理?；谝陨咸攸c(diǎn)，球墨鑄鐵管優(yōu)勢凸顯，近年來在市政供水工程以及南水北調(diào)配套工程中得到了廣泛應(yīng)用。

3 管材分類

3.1 按公稱直徑分類

目前，鑄鐵管的常用公稱直徑范圍為DN40～ DN2600。DN150以下管徑以10～25為模數(shù)，DN150～DN500管徑以50為模數(shù)，DN500～DN1100管徑以100為模數(shù)，DN1200管徑以上一般以200為模數(shù)。按照文獻(xiàn)［4］分類規(guī)定，公稱直徑可分為DN40～DN2600共30種，其中DN1600及以下管徑在工程中應(yīng)用較為廣泛。

3.2 按接口型式分類

球墨鑄鐵管按接口型式可分為滑入式柔性接口(T型)、機(jī)械柔性接口(K型、N1型、S型)和法蘭接口等型式。N1型、S型常用于燃?xì)夤艿?，T型接口結(jié)構(gòu)簡單，密封性好、安裝速度快，在供水管道中應(yīng)用較多，但其接口防脫滑性能差，通過在拐角設(shè)鎮(zhèn)(支)墩或局部采用自錨式接口解決。

3.3 按壁厚等級分類

國際上把球墨鑄鐵管按管壁厚度分為12級，各級別標(biāo)準(zhǔn)壁厚根據(jù)公稱直徑DN的函數(shù)來計算：

式中，e—標(biāo)準(zhǔn)壁厚，mm；DN—公稱直徑，mm；K—壁厚級別系數(shù)，取8，9，10，11，12，…，等系列整數(shù)。

離心球墨鑄鐵管的最小標(biāo)準(zhǔn)壁厚為6mm，非離心球墨鑄鐵管的最小標(biāo)準(zhǔn)壁厚為7mm，在輸水工程中，以K8～K10級別標(biāo)準(zhǔn)壁厚管道為應(yīng)用最多。

4 標(biāo)準(zhǔn)體系

(1)管材、管件類。文獻(xiàn)［4］，對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO2531：2009；《水泥內(nèi)襯離心球墨鑄鐵管及管件》(CJ/T161-2002)。

(2)設(shè)計類?！督o水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(CECS 142：2002)；《球墨鑄鐵管設(shè)計方法》(ISO10803：1999)。

(3)施工類。《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB50268-2008)。

(4)涂層、防腐處理類?！肚蚰T鐵管水泥砂漿離心法襯層一般要求》(GB/T17457-1998)，對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO4179：1985，MOD；《球墨鑄鐵管水泥砂漿離心法襯層新拌砂漿的成分檢驗》(GB/T17458-1998)，對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO6600：1980；《球墨鑄鐵管瀝青涂層》(GB/T17459-1998)；《球墨鑄鐵管外表面鋅涂層》(GB/T17456.1-2009)，對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO8179-1：2004。

5設(shè)計要點(diǎn)

球墨鑄鐵管管道工程設(shè)計應(yīng)符合國家有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程要求。選擇管材、管件應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，避免選用異形管徑和管件，給工程招投標(biāo)、施工帶來方便。

(1)路線選擇。管道工程路線選擇主要按照盡量縮短管線長度、節(jié)省投資的原則，避開不良地質(zhì)構(gòu)造段，避開現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)和規(guī)劃產(chǎn)業(yè)園區(qū)，避開已有建筑，減少拆遷；管線穿越鐵路、公路、河流時盡量正交布置。值得注意的是，在多個行政區(qū)域交界部位布置管線時，應(yīng)考慮將管線布置在受水目標(biāo)行政區(qū)域，盡量避免線路在行政區(qū)劃界線兩側(cè)來回穿越，減少征遷協(xié)調(diào)工作，便于工程運(yùn)行管理。

(2)線路方案比較。線路的方案比較是按照經(jīng)濟(jì)合理、投資最低的原則，結(jié)合管道工程輸水方式、地形條件、地質(zhì)條件、交通運(yùn)輸條件、地表附著物等因素進(jìn)行多方案線路布置后，從工程投資、征遷投資、協(xié)調(diào)難度、施工難度、運(yùn)行管理等多方面進(jìn)行綜合論證，選擇綜合最優(yōu)線路走向。球墨鑄鐵管內(nèi)壓等級高、防腐性能好、施工運(yùn)輸方便，同時由于具有不同的壁厚等級，因此可以適應(yīng)不同的埋深變化和外壓荷載，為管線布置提供了便利條件，因此，管材確定后，線路方案的優(yōu)劣一定程度上取決于工程的線路長度和地表附著物的征遷投資。

(3)主要計算。球墨鑄鐵管管道工程主要計算包括：確定管材管徑的水力計算，進(jìn)行瞬態(tài)分析的水錘計算，確定管壁厚度管材等級的強(qiáng)度和變形計算以及確定支墩尺寸的抗滑穩(wěn)定計算，管道設(shè)在地下水位以下時，要進(jìn)行抗浮計算，抗震區(qū)管道還需進(jìn)行地震剪切波作用下的變位(應(yīng)變)計算。這些計算可參考相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，需要注意的是，部分計算有多種計算方法，計算過程中應(yīng)進(jìn)行綜合分析或成果比較，選取合適的計算公式和計算成果，保證計算成果的科學(xué)合理性。

(4)管道轉(zhuǎn)角。球墨鑄鐵管管道接口一般采用承插連接，為柔性接頭，需在水平及垂直拐點(diǎn)處設(shè)置鎮(zhèn)(支)墩，其結(jié)構(gòu)尺寸可參考國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《柔性接口給水管道支墩》(10S505)，根據(jù)管道設(shè)計內(nèi)水壓力(0.8～1.1M pa)及土壤等效內(nèi)摩擦角(20°～35°)直接選用或進(jìn)行復(fù)核計算。當(dāng)實(shí)際內(nèi)水壓力與圖集壓力不一致時，應(yīng)按高一級壓力選用，實(shí)際土壤等效摩擦角與圖集摩擦角不一致時，應(yīng)按土壤等效內(nèi)摩擦角較小值選用。

實(shí)際工程設(shè)計中，管道轉(zhuǎn)角角度數(shù)值可能較為零散，應(yīng)在管線線路布置時適當(dāng)調(diào)整拐點(diǎn)轉(zhuǎn)角或通過管道接口上下游的接轉(zhuǎn)，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)彎頭完成轉(zhuǎn)角銜接。

(5)管道附件。管道附件是為保障管道輸水運(yùn)行的各類專用設(shè)備和部件，主要包括檢修閥、排氣閥、泄水閥、調(diào)流閥、減壓閥等10余類，這些閥件均安裝在井室內(nèi)。檢修閥根據(jù)管道檢修情況，一般在管道首端、末端、分水口和穿越建筑物等部位設(shè)置；排氣閥布置主要考慮管道縱斷面高程情況結(jié)合水錘防護(hù)計算確定，一般布置在分段管道最高點(diǎn)；泄水閥分干井和濕井2部分，布置在線路最低點(diǎn)，用于檢修時排空管道存水，間距主要考慮泄水閥排水和檢修時間；調(diào)流閥用于調(diào)節(jié)管道分水流量，平衡水頭壓力，在分水支管首端布置。綜上，管道附件功能各異，設(shè)計時應(yīng)結(jié)合具體情況合理選擇和布置，有效保障管道輸水安全運(yùn)行。

(6)防腐設(shè)計。球墨鑄鐵管自身電阻值較大，同時接口所用橡膠密封圈具有絕緣作用，因此不易產(chǎn)生電腐蝕。球墨鑄鐵管具有良好的防腐性能，外防腐涂層種類包括瀝青涂層、環(huán)氧煤瀝青涂層、噴鋅加噴涂瀝青漆、環(huán)氧粉末涂層、聚氨酯涂層和聚乙烯套等，其防腐應(yīng)根據(jù)對管道周邊土壤進(jìn)行性能測試確定土壤腐蝕等級后合理選擇；球墨鑄鐵管的內(nèi)襯涂層一般為水泥砂漿襯層，采用離心法涂覆，既能提高管道耐腐蝕性能，又能保護(hù)輸水水質(zhì)。

(7)其他。管道設(shè)計壓力、試驗壓力、水壓試驗要求、施工及驗收標(biāo)準(zhǔn)等可參考現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268-2008)的有關(guān)規(guī)定要求，這里不再贅述。

6 結(jié)語

在管道工程設(shè)計中，管材投資占工程總投資的比重很大，尤其是平原地區(qū)。而管材選用條件與當(dāng)?shù)氐匦螚l件、地質(zhì)狀況、工程規(guī)模、管道壓力等因素息息相關(guān)，科學(xué)合理的管材方案，對節(jié)省工程投資、方便工程施工、保障工程安全運(yùn)行意義重大。球墨鑄鐵管所具有的強(qiáng)度高、壁薄、耐壓、耐沖擊、耐腐蝕、耐抗震等性能將與更多具體工程要求吻合，并在輸水工程領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院.衡水市南水北調(diào)工程水廠以上輸水管道工程初步設(shè)計報告［R］.2014.

［2］范英俊.球墨鑄鐵管及管件技術(shù)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］陳湧城.長距離輸水工程的管材選用［J］.中國給水排水，1999，15(08).

［4］GBT13295-2008.水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件［S］.［5］GB50013-2006.室外給水設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］CECS193：2005.城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程［S］.

TV672+.2

B

1672-2469(2017)03-0080-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.029

2017-01-17

邱丁初(1982年—)，男，高級工程師。