楊建中

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

引言

我國水資源極為稀缺，而且分布不均，長距離輸水管道是實現(xiàn)水資源調(diào)補的一種經(jīng)濟、可靠的方式。尤其是在城市地下水過度開采、大型企業(yè)用水急速增加的現(xiàn)狀下，長距離輸水里程增長迅速，長距離輸水技術(shù)逐漸成熟[1]。目前用于長距離輸水管道的管材有預應(yīng)力鋼筒混凝土管、預應(yīng)力鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、鋼管以及化學建材管，然而鋼管柔性好，承壓能力強，焊接方式連接的整體性好，對地形的適應(yīng)性強，對地基承載力要求低，非常適用于長距離輸送[2～3]。但鋼管的鋼級、制管形式很多，鋼管的防腐形式也存在較大差異，在鋼管選材和鋼管防腐方面，應(yīng)結(jié)合我國油氣長輸管道的設(shè)計理念，進一步開展長距離鋼質(zhì)輸水管道的管材和防腐設(shè)計研究，以推進長距離鋼質(zhì)輸水管道的技術(shù)發(fā)展。

1.基管選擇

鋼質(zhì)輸水管道首先應(yīng)考慮基管的選擇，基管選擇主要需確定制管用鋼級和制管形式。

1.1 鋼級選擇

鋼級的選擇應(yīng)根據(jù)壓力等級、管徑、選取壁厚及經(jīng)濟性等方面進行比選論證。通常選用鋼級越高，鋼管壁厚越小， 耗鋼量越少，也更經(jīng)濟，然而選用壁厚必須滿足鋼管的剛度校核和穩(wěn)定性校核[4]。

由于輸水管道的壓力一般不會超過4MPa，一般情況下Q235B和Q355B鋼級即可滿足鋼管的強度校核計算。輸水管道管材強度等級不應(yīng)低于 Q235。 Q235B管材性能應(yīng)滿足GB/T 700的要求，Q355B管材性能應(yīng)滿足GB/T 1591的要求。對于重要等級特別高的長距離輸水管道，可以選擇更高的鋼級，也可以參照《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》（GB/T 9711）中PSL1或PSL2鋼管來進行鋼級選擇，油氣管道用管線鋼在屈服強度、化學成分、管材韌性等方面更具優(yōu)勢，然而其經(jīng)濟性較差。

1.2 管型選擇

輸水管道常選用的制管型式主要有無縫鋼管（SMLS）、高頻焊鋼管（HFW）和螺旋縫埋弧焊鋼管（SAWH）。管型選擇應(yīng)根據(jù)管道直徑、設(shè)計壓力、沿線自然條件、經(jīng)濟投資、鋼管生產(chǎn)加工、供貨周期等因素綜合考慮[5]。不同管型優(yōu)缺點見表1。

表1 不同管型有缺點對比表

管型選擇一般可按照下述原則進行：

對于直徑DN大于或等于500mm的管道，宜選用螺旋縫埋弧焊鋼管；對于直徑DN大于或等于250mm、小于500mm的管道，宜選用螺旋縫埋弧焊鋼管，也可采用高頻焊鋼管；對于直徑DN大于或等于150mm、小于250mm的管道，宜選用無縫鋼管或高頻焊鋼管。

基管為直縫焊接鋼管的應(yīng)符合GB/T 3091對基管的要求；基管為螺旋縫埋弧焊鋼管的應(yīng)符合SY/T 5037對基管的要求；基管為無縫鋼管的應(yīng)符合GB/T 8163對基管的要求；基管為其他鋼管的應(yīng)符合國家、行業(yè)標準對基管的要求。

2.彎管/彎頭選用

2.1 彎管/彎頭形式選用

基于鋼管的可變形能力，長距離鋼質(zhì)輸水管道對于小角度轉(zhuǎn)向可以采用彈性敷設(shè)和冷彎彎管，彈性敷設(shè)曲率半徑應(yīng)根據(jù)管徑大小，可選1000D～1500D，但不應(yīng)小于1000D。冷彎彎管采用直管進行現(xiàn)場彎制，冷彎彎管曲率半徑根據(jù)管徑大小可選擇40D～50D，但不應(yīng)小于40D。

用于長距離輸水管道大角度轉(zhuǎn)向的彎管/彎頭有拼接式彎頭、對焊彎頭和整體式熱煨彎管。拼接式彎頭應(yīng)滿足《鋼制管件》（GB 02S403-2002）的技術(shù)要求，不同角度彎頭包含2～4道環(huán)焊縫，彎頭長度小，焊縫處應(yīng)力集中顯著，泄露風險較高。對焊彎頭應(yīng)滿足《鋼制對焊管件技術(shù)規(guī)范》（GB/T 13401-2017）的技術(shù)要求，是通過對鋼板的擠壓、推制、拉拔或鍛制等工藝制作而成。每個彎頭有一道或兩道縱向焊縫，應(yīng)力集中較小。拼接式彎頭和對焊彎頭的曲率半徑為1.5D或3D，曲率半徑的選擇應(yīng)考慮彎頭角度、成品彎頭的長度，以便于安裝，同時保證相鄰環(huán)焊縫的距離滿足規(guī)范要求。熱煨彎管應(yīng)滿足《工業(yè)金屬管道施工驗收規(guī)范》（GB 50235-2010）或《油氣輸送用感應(yīng)加熱彎管》（SY/T 5257-2012）的技術(shù)要求，彎管曲率半徑通常取5D～6D，該類型彎管生產(chǎn)成本高，母管宜采用直縫埋弧焊鋼管，母管壁厚要求也較高，但是彎管的整體性最好。

以DN800*10管道彎頭、彎管成本來說，熱煨彎管的成本最高，拼接式彎頭和對焊彎頭價格相當，對焊彎頭的價格略低于拼接式彎頭。通過近期向管廠對不同型式的彎頭、彎管詢價，各種彎頭、彎管的單價比較詳見表2。

表2 常用角度不同形式彎管/彎頭經(jīng)濟對比表

2.2 彎管/彎頭受力分析

按照《室外給水設(shè)計標準》GB 50013的要求，非整體連接管道在管道的垂直和水平方向轉(zhuǎn)彎點處， 以及管徑截面變化處都會產(chǎn)生軸向力，埋地管道一般設(shè)置支墩支撐[6]。采用焊接方式進行連接的鋼質(zhì)輸水管道屬于整體連接管道，需要對選用彎管/彎頭進行應(yīng)力分析，以確定設(shè)置支墩的必要性。以DN800*10管道為例，設(shè)計參數(shù)和土壤參數(shù)分別見表3和表4，采用Ansys軟件進行應(yīng)力分析。

表3 設(shè)計參數(shù)取值表

表4 土壤參數(shù)取值表

25°以上彎頭曲率半徑取1.5D，取水平方向、豎直方向、水平和豎直疊加三種工況進行計算，計算結(jié)果如表5所示：

表5 計算結(jié)果表

對不同角度彎頭計算結(jié)果進行整理，軸向應(yīng)力和當量應(yīng)力變化趨勢見圖1所示。從圖中可以看出，該案例中水平彎頭、縱向彎頭、疊加彎頭的軸向應(yīng)力和當量應(yīng)力均低于0.9s3，無需增設(shè)支墩。

圖1 彎頭應(yīng)力變化趨勢圖

3.管材防腐

3.1 管材外防腐的選擇

輸水鋼管最重要的是解決防腐問題，鋼管本身容易生銹、抗侵蝕性能較差，為提高管道的防腐性能，推薦選用工廠預制的鋼塑復合管或涂塑復合鋼管[7～8]。

管材外防腐層可選用熱塑性聚乙烯粉末涂層或PE防腐層。PE防腐層執(zhí)行《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》GB/T 23257中的相關(guān)技術(shù)要求，具有良好的穩(wěn)定性、電絕緣性及機械強度，是首選的外防腐形式。PE外防腐層可以根據(jù)輸水管道的重要程度、敷設(shè)區(qū)域及土壤和水對鋼材的腐蝕程度來選擇單層PE防腐層或3層PE防腐層。3層PE外防腐層的涂層黏結(jié)力、整體防腐性能等均遠高于單層PE，已應(yīng)用于引黃濟臨項目、圖克水線、天水引洮、檳長礦區(qū)輸水管道等工程[9]。

3.2 管材內(nèi)防腐的選擇

管材內(nèi)壁可采用常溫型環(huán)氧涂料或熱固性環(huán)氧樹脂。

內(nèi)壁熱固性環(huán)氧樹脂粉末由環(huán)氧樹脂、顏填料、固化劑、流平劑組成，采用熱涂工藝，先將鋼管預熱至230℃，再將環(huán)氧粉末噴灑至鋼管表面，鋼管旋轉(zhuǎn)使涂膜均勻，涂層一次成膜厚度大，效率高，不含揮發(fā)性介質(zhì)，涂層無毒，滿足行業(yè)標準《給水涂塑復合鋼管》（CJ/T120-2016）及《鋼塑復合管》（GB/T 28897-2012）的相關(guān)要求，具有較好的抗化學、防腐耐水性能。涂層一次成膜，堅韌耐磨，抗沖擊性較好，具有極佳的附著力，能有效防止施工中機械損壞，內(nèi)壁光滑不易結(jié)垢。熱固性環(huán)氧樹脂粉末的厚度應(yīng)滿足《鋼塑復合管》（GB/T 28897-2012）和《給水涂塑復合鋼管》（CJ/T 120-2016）的規(guī)定，內(nèi)壁環(huán)氧樹脂厚度為≥0.45mm。

內(nèi)壁無溶劑液態(tài)環(huán)氧涂料由A、B組分組成，A組分由低粘度環(huán)氧樹脂、顏填料和助劑組成，B組分為低粘度改性胺固化劑。A、B組分按一定比例混合后采用高壓無氣噴涂工藝進行自動噴涂。一次成膜厚度大，噴涂效率高，不含揮發(fā)性介質(zhì)，安全環(huán)保。涂層無毒，滿足行業(yè)標準《給水涂塑復合鋼管》（CJ/T120-2016）的相關(guān)要求，涂層一次成膜，無孔隙、無裂紋、內(nèi)應(yīng)力小，耐磨性優(yōu)、抗劃傷性好、耐化學腐蝕性能好、涂膜致密、防腐耐水性能好。

上述兩種內(nèi)防腐形式，在地形適應(yīng)性、施工便捷性、安全環(huán)保性等方面均具有優(yōu)勢，都可以達到良好的防腐效果。

3.3 陰極保護

為抑制土壤對埋地鋼質(zhì)管道外壁的電化學腐蝕，可采用外防腐涂層和陰極保護的聯(lián)合保護措施[10]。管線的陰極保護方法通常有強制電流法和犧牲陽極法，犧牲陽極法不需要外部電源、對鄰近金屬構(gòu)筑物無干擾或干擾很小、保護電流分布均勻、工程規(guī)模越小越經(jīng)濟，但是其保護年限短，不宜在高電阻率環(huán)境下使用，保護電流的大小不易調(diào)節(jié)。因此，犧牲陽極法常用于管線較短管徑較小密集敷設(shè)的城市管網(wǎng)保護中。強制電流法的輸出電流連續(xù)可調(diào)，保護范圍大，不受環(huán)境電阻率的限制，保護裝置壽命長，工程規(guī)模越大越經(jīng)濟，但是其需要外部電源、維護管理工作量較大，而且可能會對鄰近金屬構(gòu)筑物造成干擾。強制電流法常用于長輸管線的保護。根據(jù)工程規(guī)模、投資等方面可以對陰極保護方式進行比選，也可采用兩種方式相結(jié)合的方案。

3.4 管道補口

管道現(xiàn)場補口是對管道防腐層的完善，補口質(zhì)量的好壞直接影響整條管線的使用壽命，是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。因此補口應(yīng)采用性能可靠、現(xiàn)場環(huán)境條件適應(yīng)性強、施工操作方便和技術(shù)經(jīng)濟性好的材料。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗和焊口防腐與管體防腐質(zhì)量等級相匹配的原則，推薦內(nèi)補口采用工廠配套的無溶劑液體環(huán)氧樹脂涂料進行噴涂，根據(jù)管徑的大小，可選用人工進入管道刷涂或者機器人噴涂的作業(yè)工藝，現(xiàn)場機器人噴涂工藝能保證施工人員安全并解決人工補口效率低下的問題，為首選方案。

對于PE層外防腐管道而言，目前國內(nèi)外應(yīng)用為廣泛的補口材料是熱熔膠型輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶體系，熱收縮帶可采用濕膜法安裝，人工火焰加熱施工工藝，或采用干膜施工中頻加熱的機械化施工工藝，底漆的漆膜厚度不小于200μm。

4.結(jié)論

基管選擇要考慮選用鋼級和制管形式，輸水管道管材強度等級不應(yīng)低于 Q235B，常用鋼級為Q235B和Q355B；管型應(yīng)結(jié)合國內(nèi)廠家生產(chǎn)能力及經(jīng)濟性，按照管徑規(guī)格進行合理匹配。

小角度轉(zhuǎn)向可以采用彈性敷設(shè)和冷彎彎管，大角度轉(zhuǎn)向用彎管/彎頭可選擇拼接式彎頭、對焊彎頭和整體式熱煨彎管，水平或縱向轉(zhuǎn)角處支墩的設(shè)置應(yīng)根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果來確定。

管材外防腐首選PE層，PE外防腐層可以根據(jù)輸水管道的重要程度、敷設(shè)區(qū)域及土壤和水對鋼材的腐蝕程度來選擇單層PE防腐層或3層PE防腐層；內(nèi)防腐層可采用常溫型環(huán)氧涂料或熱固性環(huán)氧樹脂。

犧牲陽極法陰極保護方案常用于管線較短、管徑較小密集敷設(shè)的城市管網(wǎng)保護中，強制電流法陰極保護方案常用于長輸管線的保護。

內(nèi)補口材料采用工廠配套的無溶劑液體環(huán)氧樹脂涂料，外補口材料采用熱熔膠型輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶體系。