鄭建建 芮旻 許大鵬

1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092

2.上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司 200092

引言

在給水領(lǐng)域中，碳鋼鋼管因其良好的力學性能、焊接性能和成本優(yōu)勢而得到廣泛應用。但由于外界環(huán)境的復雜性和腐蝕介質(zhì)的多樣性，現(xiàn)階段碳鋼鋼管采用的涂料處理、電化學處理等防腐防銹技術(shù)依舊無法有效避免管道因涂層破損、長久銹蝕等原因?qū)е碌乃|(zhì)惡化和爆管漏水等問題［1］。此外，隨著國內(nèi)直飲水系統(tǒng)逐漸受到重視和推廣，解決碳鋼鋼管銹（腐）蝕導致的飲用水二次污染問題已成為該項民生工程能否順利推進的技術(shù)關(guān)鍵［2］。

冶金復合，指采用內(nèi)外層金屬分別是兩種不同化學成分的鋼種通過冶金方式，使內(nèi)外層金屬在結(jié)合部位相互熔融的復合方式［3］。不銹鋼冶金復合板既具有覆層材料的耐腐蝕、耐熱、耐磨性等性能，又具有基層材料的強度與剛度性能，且不同金屬結(jié)合層處具有良好的剪切強度［4］。不銹鋼冶金復合鋼管由不銹鋼冶金復合板卷焊而成，可充分發(fā)揮碳鋼基層的力學性能及不銹鋼覆層的防銹（腐）性能，提高給水管道的耐腐蝕性、耐磨性及管道的使用壽命［5］；相對于傳統(tǒng)的碳鋼鋼管，無需在設(shè)計中增加腐蝕裕量；同時可保證水質(zhì)，滿足人們對高品質(zhì)飲用水的需求。相對于常規(guī)的內(nèi)襯復合管，冶金復合鋼管覆層和基層之間通過冶金結(jié)合而形成一體，運行過程中可以整體承受負壓，不會出現(xiàn)內(nèi)襯復合管常見的內(nèi)襯塌管現(xiàn)象，從而沒有使用規(guī)格尺寸的限制，直徑范圍可達到20mm～4500mm。本文就不銹鋼冶金復合鋼管的工程應用現(xiàn)狀、標準規(guī)范現(xiàn)狀及泰和水廠應用情況進行介紹。

1 工程應用現(xiàn)狀

王小勇［6］等對國內(nèi)外市政管網(wǎng)現(xiàn)狀進行了總結(jié)，并結(jié)合不銹鋼復合管的特點對其在市政管網(wǎng)中的應用前景進行了展望。我國住建部在2002年和2003 年調(diào)查過數(shù)百個城市的供水管網(wǎng)情況，發(fā)現(xiàn)不符合國標的灰口鑄鐵管占比達50.80%，普通水泥管占比為13%；煙臺市管網(wǎng)的取樣調(diào)查顯示，凡是沒做內(nèi)襯的管材，使用5 年以上均100%被腐蝕。美國環(huán)保署規(guī)定用于飲用水的金屬管道，只允許采用不銹鋼管和球墨鑄鐵管；日本1980 年開始，在輸水輔助干線到水表之間，直徑50mm 以下的供水管道全部采用不銹鋼管。不銹鋼復合管以不銹鋼層為管道內(nèi)壁，具有耐腐蝕、安全衛(wèi)生、使用壽命長的優(yōu)點，用它來輸送自來水可以杜絕管道對水質(zhì)的二次污染，在低維護成本的同時可確保水質(zhì)安全，價格比純不銹鋼管低30%～40%，在市政管網(wǎng)建設(shè)和改造中有很大的應用前景。

首鋼北京園區(qū)120m 長的綜合管廊內(nèi)敷設(shè)了4 條外徑1020mm 的輸水干管［6］，其中1 條采用了不銹鋼復合管，以對比在城市供水中不銹鋼復合管與常規(guī)碳鋼管的耐腐蝕性及其對水質(zhì)的影響，實踐證明不銹鋼復合管道具有更高的耐腐蝕性、安全性和衛(wèi)生性。

昆鋼設(shè)計院有限公司和昆鋼新型復合材料公司［7］在云南給水管線中采用近1 萬m 的DN300、DN400、DN500 三種直徑的內(nèi)覆不銹鋼管道用于輸送自來水，其屈服強度和抗拉強度均高于Q235 碳鋼和304 不銹鋼強度，輸送水質(zhì)符合生活引用衛(wèi)生標準，避免了自來水在輸送過程中二次污染，取得了良好的社會效益。

在泰和水廠臭氧接觸池出水管工程應用之前，雙面不銹鋼冶金復合鋼管尚無在給水管道領(lǐng)域中的應用案例，但在煤氣管道領(lǐng)域已有工程應用。寶鋼工業(yè)園內(nèi)一期高爐煤氣管道原采用碳鋼+內(nèi)外防腐的措施，經(jīng)過長時間運行，出現(xiàn)了多處腐蝕穿孔現(xiàn)象。前期采用托補的方式進行修補，雖然花費了高額的維修成本，但還是難以長時間保持管道完好，消除泄漏風險。另外，碳鋼管外表面需要定期進行防腐油漆作業(yè)，一方面消耗巨大的維修費用，另一方面也存在維護操作的安全風險。經(jīng)綜合評估，選用316L+Q345B +316L雙面冶金復合板制管，進行整體更換，管徑為3220mm～4500mm。

2 標準規(guī)范現(xiàn)狀

現(xiàn)行不銹鋼冶金復合鋼管規(guī)范類別、適用范圍、外徑、復合類型等見表1。由表1 可知，現(xiàn)行復合鋼管產(chǎn)品標準外徑最大2540mm，且尚無規(guī)范對內(nèi)外均覆不銹鋼的冶金復合鋼管做出具體規(guī)定。由上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司和寶山鋼鐵股份有限公司作為主編單位申請編制的中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《給水用不銹鋼冶金復合鋼管》［12］于2020 年11月立項，目前正在編制中。該標準中最大外徑范圍在3000mm 以上，且復合類型包含內(nèi)覆不銹鋼、外覆不銹鋼以及內(nèi)外均覆不銹鋼的雙面不銹鋼冶金復合鋼管。該標準對給水工程領(lǐng)域中不銹鋼冶金復合鋼管進行系統(tǒng)性規(guī)定，明確該類管道材質(zhì)分類、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等，為后續(xù)管材在給水領(lǐng)域的大規(guī)模推廣應用提供依據(jù)。

表1 現(xiàn)行冶金復合鋼管規(guī)范概況Tab.1 Overview of current metallurgical composite steel pipe specifications

3 泰和水廠工程應用

3.1 工程背景

泰和水廠位于上海市西北部，現(xiàn)狀總生產(chǎn)規(guī)模100 萬m3／d，2021 年完成深度處理改造施工。因生產(chǎn)工藝需求，臭氧接觸池出水中含有一定濃度的余臭氧，對鋼管具有腐蝕性。為防止鋼管被臭氧腐蝕，常規(guī)做法為在管道內(nèi)壁粉刷抗臭氧氟碳涂料，涂層厚度不小于200μm。但隨著長久運行使用，管道仍舊不可避免地出現(xiàn)銹蝕問題。為解決臭氧腐蝕困擾，在泰和水廠改造工程中將雙面不銹鋼冶金復合鋼管應用于臭氧接觸池出水管中，該管道于2020年底施工完成，是世界范圍內(nèi)雙面不銹鋼冶金復合鋼管在給水領(lǐng)域中的首次應用。

臭氧接觸池出水管直徑DN1600，管頂覆土厚度1.6m，地下水位在地面以下0.5m。原設(shè)計采用Q235B碳鋼管，壁厚14mm；為提高管道抗腐蝕性能，實際施工中替換為了壁厚14mm（2mm S31608 +10mm Q235B+2mm S31608）的雙面不銹鋼冶金復合鋼管。

管道基礎(chǔ)落于②層粉質(zhì)黏土，未經(jīng)修正的地基承載力特征值為90kPa。管道采用250mm厚中粗砂基礎(chǔ)，設(shè)計支撐角150°（計算支撐角取120°）。管道溝槽采用放坡開挖施工，溝槽回填材料：管頂以下采用中粗砂，管頂以上采用原土。原狀土和回填土的變形模量均為4MPa。各區(qū)域壓實度按照《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268—2008）4.6.3 條執(zhí)行。

3.2 管道強度計算

1.管道荷載計算

管道結(jié)構(gòu)主要承受外部水土壓力、地面附加荷載、自重、內(nèi)水壓力等。本工程為重力出水，內(nèi)水壓力較小，只需對管道承受外部荷載工況進行計算分析。根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50332—2002）［13］計算，作用在管道上的豎向土壓力為20kPa，地面附加荷載30kPa，側(cè)向土壓力為19.3kPa，管道計算荷載如圖1所示。

圖1 管道計算荷載Fig.1 Load of pipeline

2.參數(shù)取值及規(guī)范計算結(jié)果

根據(jù)《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 141：2002）［14］，鋼管應考慮2mm的腐蝕構(gòu)造厚度，碳鋼管按照壁厚12mm進行計算分析；雙面不銹鋼冶金復合鋼管由于兩側(cè)均覆有不銹鋼，可不考慮腐蝕構(gòu)造厚度，碳鋼基層部分考慮0.3mm的制造誤差。

碳鋼、不銹鋼的材料參數(shù)按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017—2017）［15］和《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 410：2015）［16］選取，計算參數(shù)見表2。

表2 鋼材計算參數(shù)Tab.2 Parameters of steels

根據(jù)（CECS 141：2002）［14］計算，碳鋼管管壁截面的最大組合折算應力為75.2MPa，管道最大豎向變形為16.76mm。復合鋼管彈性模量在1.93 ×105N／mm2～2.06 ×105N／mm2之間，按照兩種彈性模量分別計算，復合鋼管管壁截面的最大組合折算應力在75.8MPa～79.4MPa 之間，最大豎向變形為15.33mm～15.06mm。根據(jù)規(guī)范［14］計算結(jié)果，兩種管材應力及變形數(shù)值上均較為較近，復合鋼管折算應力比碳鋼管略大，碳鋼管最大豎向變形比復合鋼管略大。

3.有限元分析計算

為了進一步分析管道環(huán)向各個區(qū)域的應力分布以及變形情況，采用有限元軟件建立數(shù)值模擬模型進行計算分析，兩種管道均采用實體模型建模，將前文根據(jù)規(guī)范計算的各個方向的荷載施加在管道有限元模型上，同時考慮管道自重，管道應力計算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 管道應力云圖（單位：MPa）Fig.2 Contour map of pipe stress（unit：MPa）

由圖2 可知，兩種管道應力分布情況較為接近，均為左右兩側(cè)較大，頂部及底部較小，應力最大值均出現(xiàn)在管道左右兩側(cè)內(nèi)壁上，其中碳鋼管應力最大值為50.94MPa，復合鋼管應力最大值為58.54MPa。兩種管材應力數(shù)值較為接近，復合鋼管稍大，均可滿足強度要求。相比于規(guī)范計算結(jié)果，有限元計算結(jié)果較小，說明按照規(guī)范計算比有限元計算偏于安全。查看管道左右兩側(cè)截面的應力分布，兩種管材均表現(xiàn)為由外表面到內(nèi)表面應力逐漸增大，最大值均出現(xiàn)在內(nèi)表面上。復合管道內(nèi)外覆層與基層交界面上應力均連續(xù)分布，沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，說明覆層與基層協(xié)同受力，沒有在外力作用下發(fā)生界面分離。

兩種管材管道變形計算結(jié)果如圖3 所示，碳鋼管橫向變形最大值為1.07mm，豎向變形最大值為0.71mm；復合鋼管橫向變形最大值為1.32mm，豎向變形最大值為0.88mm。兩種管材變形數(shù)值較為接近。相比于規(guī)范計算結(jié)果，有限元計算變形值較小。規(guī)范［14］規(guī)定埋地鋼管最大豎向變形應不大于0.03D0＝48mm（D0為管道計算直徑，按管壁中心計算），兩種管道均滿足管道豎向變形要求。

圖3 管道變形云圖（單位：mm）Fig.3 Contour map of pipe deformation（unit：mm）

3.3 管道加工及現(xiàn)場施工

不銹鋼冶金復合鋼管焊接符合《不銹鋼復合鋼板焊接技術(shù)要求》（GB／T 13148—2008）［17］，坡口采用機械加工方法制成，焊接前采用有機溶劑清除焊絲表面和焊接坡口兩側(cè)的銹跡和氧化膜，露出金屬光澤。焊縫采用分層焊接，覆層與覆層焊接，基層與基層焊接，內(nèi)外覆層及過渡層的焊接采用焊條電弧焊，基層的焊接采用二氧化碳保護焊。首先對管道進行四點剛性固定，采用機械夾具調(diào)整坡口間隙。焊接采用雙面焊，順序為：先填充焊接基層，再蓋面焊接內(nèi)不銹鋼覆層，最后蓋面焊接外不銹鋼覆層，如圖4 所示。在內(nèi)焊結(jié)束后，外焊蓋面開始前，采用不銹鋼刷或角向砂輪機將外側(cè)坡口焊縫表面的氧化層清理干凈，直至露出金屬光澤。

圖4 雙面焊接順序Fig.4 Double sided welding sequence

為保證焊接質(zhì)量及工程進度，焊接工作盡可能多的在工廠內(nèi)完成，管道整體運輸至安裝現(xiàn)場。為防止管道在加工、運輸、覆土壓實過程中發(fā)生變形、塌管現(xiàn)象，管道內(nèi)設(shè)置臨時支撐，待管道埋設(shè)完成后拆除。工廠加工及現(xiàn)場施工情況見圖5。該管道已施工完成并運行兩年，狀態(tài)良好。

圖5 管道加工及現(xiàn)場施工情況Fig.5 Pipeline processing and construction

4 結(jié)論及展望

1.根據(jù)對比分析，本工程所采用的雙面不銹鋼冶金復合鋼管和原設(shè)計碳鋼鋼管，在相同的荷載、埋深及工作條件下管道應力、變形等均比較接近，均可滿足規(guī)范要求。

2.相比于碳鋼管，不銹鋼冶金復合鋼管具有良好的耐腐蝕性，覆層不需要額外的防腐涂層，可避免碳鋼防腐涂層脫落的問題，在強腐蝕環(huán)境下或直飲水系統(tǒng)中不銹鋼冶金復合鋼管具有較好的應用前景。

3.非開挖敷設(shè)管道，如采用頂管和水平定向鉆施工的鋼管，外防腐涂層在施工過程中均存在磨損的可能，且管道敷設(shè)完成后無法對外防腐涂層進行檢測、修復，可考慮在非開挖管道敷設(shè)中采用不銹鋼冶金復合鋼管，保證其施工完成后的外防腐性能。