长距离输水管道管材和管径选择探讨
【摘要】随着我国经济发展和城市化进程的加快，城市及工业用水量迅速增加，长距离输水工程是解决用水量迅速增加的主要措施之一。
输水管道在新材料、新技术应用方面有了较大进步。
管道投资占整个输水工程的绝大比重，不同管道材料，其水力学特性、耐久性、安全性、经济性、施工难易等方面均不同。
因此管材、管径的选择尤为重要。
【关键词】长距离输水管道管材管径
中图分类号：f291.1 文献标识码：a 文章编号：
一、管材选择
管材是影响管道工程造价的主要因素，不同管道材料，其水力学特性、耐久性、安全性、经济性、施工难易等方面均不同。
管材的选择应考虑输水管道的重要程度，管道根数和长度、运行方式及有无调节设施、管道直径、正常工作压力和非稳定流极限压力、外部荷载、管道沿线地质条件及地形起伏程度、使用寿命、供货、运输、工期、安装等因素综合确定进行比较。
1、可选管材的种类
对于中等压力、中等口径的长距离输水工程，目前常用管材有：钢管（sp）、球墨铸铁管（dip）、预应力混凝土管（pcp）、预应力钢筒混凝土管(pccp)、玻璃钢管(rpmp)等。
就上述管材选择说明比较如下。
1.1 钢管（sp）
钢管应用历史较长，范围广，是一种传统的输水管材。
分直缝焊管和螺旋焊管。
钢制管道强度高，可承受的压力较高，管材及管件容易加工，管道敷设方便，适应性强，特别是地形、地质复杂的地段，采用钢管比较方便；钢管接口形式比较灵活，可以焊接、法兰等连接，钢制管道适用于各种施工方式。
但钢管的刚度小，内外防腐要求严，必要时需要做阴极保护；钢管造价较其他管材高，寿命短，一般不超过25年。
为延长钢管寿命，需对其进行防腐处理和保护，其方法可采用涂料加牺牲阳极的复合防腐措施。
钢管内、外防腐采用国家卫生部许可的gz-2新型高分子防腐涂料，内壁防腐级别为普通级，采用二底二面，漆膜干膜厚80~100μm；外壁防腐级别为重加强级，采用二布四油，漆膜干膜厚280~300μm；牺牲阳极保护块间隔一定距离通过电缆与钢管连接，加强钢管的抗腐蚀能力。
通过涂料加牺牲阳极的复合防腐措施，可使钢管寿命达50年，但施工复杂，工期长，造价较高，因此在一般情况下，除了小口径管道及特殊工程外不太常用。
1.2 球墨铸铁管（dip）
球墨铸铁管（dip）利用离心力铸造成形，管壁质密，石墨形态为球状，基体以铁素体为主，伸长率大、强度高，性能与钢管相似，具有柔韧性，适应突发力强，且抗弯强度比钢管大，使用过程中管段不易弯曲变形，能承受较大负荷，其接口为柔性接口，具有伸缩性和曲折性，适应基础不均匀沉陷，是比较理想的管材。
球墨铸铁管在生产工艺中经过熔化、脱硫、球化处理，孕育处理、
离心铸造及退火处理等工艺，使管材具有良好的韧性和耐腐蚀性。
无论在海水和不同的土壤中均优于钢管，其电阻抗比钢管大三倍。
同时，根据配套条件可自由选择或配套各种厚度的管子和采用各种橡胶圈柔性接口及管配件，所以能够适应各种类型的地质条件。
采用滑入式和机械柔性接口方式，施工简单，因而能适应各种施工条件（包括在管内施工作业），接口作业不仅所花时间短，而且安全牢靠，且接口作业完毕，可立即回填，从而节省时间。
1.3 预应力混凝土管（pcp）
预应力混凝土管按其生产工艺分两种，一种是一阶段管即一次成型；一种是三阶段管。
预应力混凝土管因加工工艺简单，造价最便宜、使用寿命长，承受外压能力较强，缺点是当管道设计压力大于0.8mpa时，混凝土管就有其一定的局限性，不能承担过高的内压，且管壁糙率较大，过流能力较小，外形尺寸较大，重量大，运输和施工不便，对管床基础要求高，承插口质量差，容易漏水。
1.4 预应力钢筒混凝土管（pccp）
预应力钢筒混凝土管是一种钢筒与混凝土制作的复合管。
管芯为混凝土，在其外壁或中部埋入厚约1.5mm左右钢筒，在管芯上缠绕预应力高强钢丝，并在其外部设有泥浆保护层。
该管抗渗性能较好，接口采用钢制承插口，尺寸较准确，设橡胶止水圈，止水效果较好，安装方便。
预应力钢筒混凝土管的管径一般为dn600～3600 mm，工作压力为0.4～2.0mpa，其中dn1200mm以下一般为内衬式，dn1400mm 以上通常为埋置式。
预应力钢筒混凝土管解决了普通预应力砼管承
担压力较低缺点，同时具备寿命长、承受外压、内压较强的优点，大口径管道具有明显价格优势。
1.5 玻璃钢管（rpmp）
玻璃钢管全称缠绕玻璃纤维增强热固树脂加砂管，该工艺是以树脂为基本材料，玻璃纤维及其制品为增强材料，以石英砂为填充材料而制成的新型复合管材。
玻璃钢管采用承插式连接，橡胶圈止水，具有耐腐蚀、重量轻、强度高、不结垢，尤其内壁光滑，水力学性能好，造率系数仅为0.009，是钢管的70%，被称为“水力学光滑管”，与钢筋混凝土管、钢管、铸铁管相比具有内壁光滑、防渗效果好、耐腐蚀、重量轻、强度高、运输安装方便等优点，但对管床基础和管周回填土要求较高。
2、管材的选用
现依据靖边能源化工综合利用产业园启动项目供水工程实例介
绍管材的选用情况。
靖边能源化工综合利用产业园启动项目供水工程金鸡沙输水线
路和白城子输水线路都穿越沙漠区，地形起伏不太大，选用管道直径主要是dn1000，且管道工作压力小于1.5mpa。
综合管道的承压能力、经济、接口、耐腐蚀、管材寿命、安全性及市场信誉度等方面的比较，预应力钢筒混凝土管价格相对较高，施工、运输较困难且预应力钢筒砼管管件需采用钢管连接，故不易采用；球墨铸铁管价格最低，连接方式为承插式，施工方便，其最大工作压力一般为1～2mpa；钢管但施工复杂，工期长，造价较高。
故对工作压力小于1.5mpa的管段选用球墨铸铁管道。
因此靖边能源化工综合利用产业园启动项目供水工程金鸡沙输水线路和白城子输水线路管道直径是dn1000，且管道工作压力小于1.5mpa推荐采用球墨铸铁管道。
二、管径选择
管径选择与经济流速、水头损失、水锤压力及水泵选型等有关。
管道流速是管径选择的重要条件，流速高，管道直径小，一次性投资低，但相应流速高、水头损失也大，泵站扬程高，能量消耗大，产生的水锤压力也高；流速低，管道直径大，一次性投资低，但相应流速低，水头损失小，泵站扬程低，能量消耗少。
因此如何确定一个合理的管径，是长距离输水管道设计中的一项十分重要的工作。
依照一般工程经验，本次按年费用最小法进行探讨。
年费用e包括年耗电费e1和年生产费e2（包括管路折旧费和维修管理费）。
不同的管径有不同的年耗电费e1和年生产费e2，年费用e最小值所对应的管径即为经济管径。
其中e1、e2分别采用下列公式计算。
1、年耗电费用（e1）计算公式：
式中：e1—年耗电费，元；
—电价，0.66元/kw·h；
—水的容重；
—管道设计流量，8m3/s；
—设计净扬程，以不同管径对应的水头损失为设计扬程m；
—年运行时间；
—泵站效率。
2、年生产费用（e2）计算公式：
e2=αf2ln
式中：—年生产费用，万元；
—年折旧率；
—管材单价，元/m；
—管长，m；
—管道根数。
3、不同管径年费用计算实例：
已知：输水管道设计流量为8m3/s，管材为预应力钢筒混凝土管，管长按1000m，管压按1.6mpa考虑，管径分别按dn1600、1800、2000、2200、2400、2600进行比较，不同管径损失、年耗电费用、年生产费用和年费用计算结果见表1~表4。
不同管径损失计算表
表1
年耗电费用计算表
表2
年生产费用计算表
表3
不同管径年费用计算表
表4
经比较，管径为dn2400mm的预应力钢筒混凝土管为最经济管径。
参考文献
1、王占杰供水工程管道的选择[期刊论文]—中国水利 2005（17）；
2、陈勇城长距离输水工程的管材选用[期刊论文] —中国给排水1999（8）。