長管設(shè)計(jì)問題

梅花 2009-08-16

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長距離輸水管道設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題探討

3/15/2009

1長距離輸水管道管材的選擇
隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市及工業(yè)用水量迅速增加，長距離輸水工程是解決用水量迅速增加的主要措施之一。輸水管道在新材料、新技術(shù)應(yīng)用方面有了較大進(jìn)步。管道投資占整個(gè)輸水工程的絕大比重，因此管材的選擇應(yīng)從工程的規(guī)模、重要性、管徑、工作壓力、地形地質(zhì)、工期、資金等方面綜合分析確定，以達(dá)到性價(jià)比最優(yōu)。
常用的輸水管道有鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼管、聚乙烯塑料管（PVC-U）、超高分子量聚乙烯管等，就上述管材選擇說明比較如下。
1.1鋼管
鋼管應(yīng)用歷史較長，范圍廣，是一種傳統(tǒng)的輸水管材。鋼管一般選用螺旋焊接與直縫焊接管，具有強(qiáng)度高、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但耐腐蝕性差，使用壽命一般不超過25年。為延長鋼管壽命，需對其進(jìn)行防腐處理和保護(hù)，其方法可采用涂料加犧牲陽極的復(fù)合防腐措施。鋼管內(nèi)、外防腐采用國家衛(wèi)生部許可的GZ-2新型高分子防腐涂料，內(nèi)壁防腐級別為普通級，采用二底二面，漆膜干膜厚80~100μm；外壁防腐級別為重加強(qiáng)級，采用二布四油，漆膜干膜厚280~300μm；犧牲陽極保護(hù)塊間隔一定距離通過電纜與鋼管連接，加強(qiáng)鋼管的抗腐蝕能力。通過涂料加犧牲陽極的復(fù)合防腐措施，可使鋼管壽命達(dá)50年，但施工復(fù)雜，工期長，造價(jià)較高。
1.2球墨鑄鐵管
球墨鑄鐵管是上世紀(jì)九十年代廣泛應(yīng)用的輸水管材，具有強(qiáng)度高、韌性好、延伸率大、耐腐蝕等特點(diǎn)，內(nèi)壁襯水泥磨光防腐，外壁采用噴鋅后涂瀝青防腐，采用柔性T型接口，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，止水效果好，是一種較理想的輸水管材。
1.3預(yù)應(yīng)力混凝土管
預(yù)應(yīng)力混凝土管按其生產(chǎn)工藝分兩種，一種是一階段管即一次成型；一種是三階段管。預(yù)應(yīng)力混凝土管因加工工藝簡單，造價(jià)最低，但管材生產(chǎn)過程中存在弊病，如三階段噴漿質(zhì)量不穩(wěn)定，易脫落和起鼓；一階段管在施加予應(yīng)力時(shí)不易控制，造成質(zhì)量不穩(wěn)定、不均一，且因重量大造成運(yùn)輸安裝不方便，使其應(yīng)用受到了限制，該管道為最經(jīng)濟(jì)的管材，可根據(jù)供水重要性適當(dāng)選用。
1.4預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）
預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是一種鋼筒與混凝土制作的復(fù)合管。管芯為混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5mm鋼筒，在管芯上纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，并在其外部**泥漿保護(hù)層。該管抗?jié)B性能較好，接口采用鋼制承插口，尺寸較準(zhǔn)確，設(shè)橡膠止水圈，止水效果較好。1000mm以上管徑具有明顯價(jià)格優(yōu)勢。
1.5玻璃鋼管
玻璃鋼管全稱纏繞玻璃纖維增強(qiáng)熱固樹脂加砂管，該工藝是以樹脂為基本材料，玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以石英砂為填充材料而制成的新型復(fù)合管材。玻璃鋼管采用承插式連接，橡膠圈止水，具有耐腐蝕、重量輕、強(qiáng)度高、不結(jié)垢，尤其內(nèi)壁光滑，水力學(xué)性能好，造率系數(shù)僅為0.009，是鋼管的70%，被稱為“水力學(xué)光滑管”，在長距離輸水管道中具有廣闊發(fā)展前景。
1.6聚乙烯塑料管（PVC-U）
聚乙烯塑料管是一種傳統(tǒng)輸水管材，具有耐腐蝕、重量輕、運(yùn)輸安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，管徑一般小于等于800 mm。400mm以下管徑較為經(jīng)濟(jì)。
1.7超高分子量聚乙烯管
超高分子量聚乙烯管是一種新型工程塑料管道，具備了聚乙烯管優(yōu)點(diǎn)外，還具有高抗沖擊性，其沖擊強(qiáng)度是聚乙烯管的4倍，高耐磨性，可達(dá)聚乙烯管的10倍，提高了使用壽命，管道連接采用電熱融焊接工藝，有效防止結(jié)點(diǎn)滲漏和開裂。
上述管材詳見下面“管材經(jīng)濟(jì)比較表”。

管材經(jīng) 濟(jì) 比較表單位：元/m
管徑(mm) 鋼管球墨管混凝土管鋼筒管玻璃鋼管 PVC-U 高分子管
200 178 150 79 ? 135 85 90
300 266 245 177 ? 210 187 198
400 394 350 238 ? 305 292 320
500 490 468 360 ? 360 435 500
600 586 617 390 440 410 730 790
800 1017 975 580 710 585 1030 1270
1000 1269 1412 775 862 925 ? ?
1200 1768 1930 960 1060 1420 ? ?
1400 2060 2497 1280 1380 1650 ? ?
1600 2883 3163 1320 1490 2200 ? ?
從安全方面，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP管比較安全，特別在工壓高，管徑大，管線起伏較多的工程中。鋼管要特別注意防腐處理以延長使用壽命；玻璃鋼管特別注意出廠管材的質(zhì)量檢查，選用合適的剛度。
從經(jīng)濟(jì)方面，預(yù)應(yīng)力混凝土管最為經(jīng)濟(jì)；400mm以下管徑優(yōu)先選用PVC-U和超高分子量聚乙烯管，其次為玻璃鋼管；500～800mm管徑優(yōu)先選用玻璃鋼管，其次為球墨鑄鐵管；1000mm以上管徑優(yōu)先選用鋼筒管，球墨鑄鐵管價(jià)格較高。
2長距離輸水管道管徑的選擇
長距離輸水管道投資占輸水工程的絕大比重，管徑增大，管道一次性投資增大，管路阻力減小，可降低電耗量與年運(yùn)行費(fèi)用，相反管徑減小，可降低管道一次性投資，但管路阻力增大，年耗電量及年運(yùn)行費(fèi)增加。因此如何確定一個(gè)合理的管徑，是長距離輸水管道設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)十分重要的工作。
確定經(jīng)濟(jì)管徑的方法可采用費(fèi)用現(xiàn)值最小法。假設(shè)不同的管徑，計(jì)算出管道的一次性投資，然后根據(jù)供水流量、管長、管徑、管材計(jì)算凈揚(yáng)程，再由凈揚(yáng)程、流量等計(jì)算裝機(jī)容量，從而計(jì)算年運(yùn)行費(fèi)，按費(fèi)率和年限折現(xiàn)，求出費(fèi)用現(xiàn)值，其中最小費(fèi)用現(xiàn)值對應(yīng)的管徑即為經(jīng)濟(jì)管徑。
現(xiàn)以下列實(shí)例計(jì)算如下：供水流量500m3/h，全年供水，單根管道，輸水距離分別為5km、10 km及15 km，進(jìn)出口水頭差及出口壓力值共計(jì)0.15MPa,管材為球墨鑄鐵管，糙率系數(shù)n=0.013，折現(xiàn)率i=6%,折現(xiàn)年限N=30a，折現(xiàn)系數(shù)13.76。
管徑選擇比較表
輸水管距（km） 5.0 10.0 15.0
管徑（mm） 400 500 600 400 500 600 400 500 600
管道投資(萬元) 202 281 370 404 562 740 606 843 1110
總凈揚(yáng)程（m） 37.5 21.6 18.3 60.0 28.8 21.1 84.7 35.5 24.0
裝機(jī)容量（kw） 78 45 38 125 60 44 171 74 50
年電量（萬kwh） 68.3 39.4 33.3 109.5 52.6 38.5 149.8 64.8 43.8
年運(yùn)行費(fèi)（萬元） 54.6 31.5 26.6 87.6 42.1 30.8 119.8 51.8 35.0
費(fèi)用現(xiàn)值（萬元） 953 714 736 1609 1141 1163 2254 1556 1592
500 mm管徑為經(jīng)濟(jì)管徑。通過上表的計(jì)算分析，不僅可選擇其經(jīng)濟(jì)管徑，并隨輸水距離增長和管徑減少，費(fèi)用現(xiàn)值增長較快。因此長距離輸水管道宜根據(jù)工作壓力選擇較大管徑，減少管路阻力，降低年運(yùn)行費(fèi)，使費(fèi)用現(xiàn)值最小。
3長距離輸水管道工作壓力的選擇
長距離輸水管道各段工作壓力不同，管道進(jìn)口（泵站出口）壓力最大，管道出口壓力最小，并受地形起伏的影響。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)工程具體情況計(jì)算出管道沿線的工作壓力，包括水錘壓力和檢修情況，以選擇管材壓力值。
鋼管和球墨鑄鐵管強(qiáng)度高，管材工作壓力一般為1.6MPa，對價(jià)格影響較小，其它材料管道工作壓力不同對價(jià)格影響較大。預(yù)應(yīng)力混凝土管工作壓力為0.4～1.2 MPa，分五級；預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管工作壓力為0.4～2.0 MPa，分九級；玻璃鋼管工作壓力為0.6～2.0 MPa；聚乙烯管為0.6～1.0 MPa；高級聚乙烯管為0.4～2.0 MPa。上述管材工作壓力每提高一級，增加管材投資20%左右。因此長距離輸水管道設(shè)計(jì)中必須根據(jù)計(jì)算壓力值，分段選擇其工作壓力，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的完美結(jié)合。
4 長距離輸水管道防護(hù)技術(shù)與安全措施
4.1 水錘的防護(hù)
水錘是壓力管道系統(tǒng)防護(hù)的重要內(nèi)容，在長距離輸水管道中，流速變化是經(jīng)常出現(xiàn)的，管道中流速變化時(shí)，致使管道中水的壓力的升高或降低，在壓力低于水的汽化壓力時(shí)，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔，在空腔處的水流彌合時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，管道中的水升壓，形成水錘。水錘有啟動水錘、關(guān)閉水錘、停泵水錘。一般啟動水錘不大，只是真空情況下，管中空氣不能排出而被壓縮時(shí)才會加劇水位壓力的變化；關(guān)閉水錘在正常操作時(shí)不會引起過大的水錘壓力；但由于突然停電或事故停泵所產(chǎn)生的水錘往往較大，水錘壓力值可達(dá)到工作壓力的1.5~3倍。一般采取技術(shù)工程措施加以防護(hù)，在水泵出口處設(shè)置水錘消除器、緩閉止回閥、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。
4.2 排氣閥的設(shè)置
管道初次輸水時(shí)，管道內(nèi)存有空氣，管道運(yùn)行時(shí)，實(shí)際上是水汽兩相流。因此在長距離輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視排氣閥的設(shè)置，其數(shù)量應(yīng)根據(jù)沿線地形、地質(zhì)情況，合理確定管道的縱向布置，一般人為的每隔一定距離布置成一個(gè)高點(diǎn)，在駝峰處布設(shè)排氣閥，防止管道的氣蝕和振動，以影響管道輸水及安全。
4.3 連通管的設(shè)置
長距離輸水管道按有關(guān)規(guī)范規(guī)定，一般采用雙管線布置，以滿足檢修需要，檢修時(shí)供水量應(yīng)不少于設(shè)計(jì)供水量的70%，為達(dá)到此目的，應(yīng)在二根主管之間設(shè)置連通管，在每根連通管處的主管上下側(cè)設(shè)置2個(gè)閘閥，共4個(gè)閘閥，以達(dá)到分段檢修目的。連通管的數(shù)量可根據(jù)輸水管線的長度，在分段檢修情況下滿足設(shè)計(jì)供水量的70%，經(jīng)計(jì)算確定，一般設(shè)置3處連通管。
總之，在長距離輸水管道設(shè)計(jì)中，管道投資占輸水工程的絕大比重，管材、管徑及工作壓力的選擇必須根據(jù)工程規(guī)模、重要性、地形地質(zhì)等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較綜合分析確定，許多技術(shù)及安全措施還有待更深入的研究與提高。

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