浅论长距离输水管道的设计

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【摘要】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，因此管材的选择应从工程的规模、重要性、管径、工作压力、地形地质、工期、资金等方面综合分析确定，以达到性价比最优。

【关键词】长距离输水管道；管材；管径；工作压力；措施

1. 长距离输水管道管材的选择

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，因此管材的选择应从工程的规模、重要性、管径、工作压力、地形地质、工期、资金等方面综合分析确定，以达到性价比最优。

常用的输水管道有钢管、球墨铸铁管、预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢管、聚乙烯塑料管（PVC-U）、超高分子量聚乙烯管等，就上述管材选择说明比较如下。

1.1钢管。钢管应用历史较长，范围广，是一种传统的输水管材。钢管一般选用螺旋焊接与直缝焊接管，具有强度高、可靠性高、适应性强等优点，但耐腐蚀性差，使用寿命一般不超过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。

1.2球墨铸铁管。球墨铸铁管是上世纪九十年代广泛应用的输水管材，具有强度高、韧性好、延伸率大、耐腐蚀等特点，内壁衬水泥磨光防腐，外壁采用喷锌后涂沥青防腐，采用柔性T型接口，适应变形能力强，止水效果好，是一种较理想的输水管材。

1.3预应力混凝土管。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，造价最低，但管材生产过程中存在弊病，如三阶段喷浆质量不稳定，易脱落和起鼓；一阶段管在施加予应力时不易控制，造成质量不稳定、不均一，且因重量大造成运输安装不方便，使其应用受到了限制，该管道为最经济的管材，可根据供水重要性适当选用。

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1.5mm钢筒，在管芯上缠绕预应力高强钢丝，并在其外部**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。1000mm以上管径具有明显价格优势。

1.5玻璃钢管。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”，在长距离输水管道中具有广阔发展前景。

1.6聚乙烯塑料管（PVC-U）。聚乙烯塑料管是一种传统输水管材，具有耐腐蚀、重量轻、运输安装方便等优点，管径一般小于等于800mm。400mm以下管径较为经济。

1.7超高分子量聚乙烯管。超高分子量聚乙烯管是一种新型工程塑料管道，具备了聚乙烯管优点外，还具有高抗冲击性，其冲击强度是聚乙烯管的4倍，高耐磨性，可达聚乙烯管的10倍，提高了使用寿命，管道连接采用电热融焊接工艺，有效防止结点渗漏和开裂。上述管材详见表1。

（1）从安全方面，钢管、球墨铸铁管，PCCP管比较安全，特别在工压高，管径大，管线起伏较多的工程中。钢管要特别注意防腐处理以延长使用寿命；玻璃钢管特别注意出厂管材的质量检查，选用合适的刚度。

（2）从经济方面，预应力混凝土管最为经济；400mm以下管径优先选用PVC-U和超高分子量聚乙烯管，其次为玻璃钢管；500～800mm管径优先选用玻璃钢管，其次为球墨铸铁管；1000mm以上管径优先选用钢筒管，球墨铸铁管价格较高。

2. 长距离输水管道管径的选择

（1）长距离输水管道投资占输水工程的绝大比重，管径增大，管道一次性投资增大，管路阻力减小，可降低电耗量与年运行费用，相反管径减小，可降低管道一次性投资，但管路阻力增大，年耗电量及年运行费增加。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。

（2）确定经济管径的方法可采用费用现值最小法。假设不同的管径，计算出管道的一次性投资，然后根据供水流量、管长、管径、管材计算净扬程，再由净扬程、流量等计算装机容量，从而计算年运行费，按费率和年限折现，求出费用现值，其中最小费用现值对应的管径即为经济管径。

（3）现以下列实例计算如下：供水流量500m3/h，全年供水，单根管道，输水距离分别为5Km、10Km及15Km，进出口水头差及出口压力值共计0.15MPa，管材为球墨铸铁管，糙率系数n=0.013，折现率i=6%，折现年限N=30a，折现系数13.76（见表2）。

（4）管径为经济管径。通过上表的计算分析，不仅可选择其经济管径，并随输水距离增长和管径减少，费用现值增长较快。因此长距离输水管道宜根据工作压力选择较大管径，减少管路阻力，降低年运行费，使费用现值最小。

3. 长距离输水管道工作压力的选择

（1）长距离输水管道各段工作压力不同，管道进口（泵站出口）压力最大，管道出口压力最小，并受地形起伏的影响。设计过程中应根据工程具体情况计算出管道沿线的工作压力，包括水锤压力和检修情况，以选择管材压力值。

（2）钢管和球墨铸铁管强度高，管材工作压力一般为1.6MPa，对价格影响较小，其它材料管道工作压力不同对价格影响较大。预应力混凝土管工作压力为0.4～1.2MPa，分五级；预应力钢筒混凝土管工作压力为0.4～2.0MPa，分九级；玻璃钢管工作压力为0.6～2.0MPa；聚乙烯管为0.6～1.0MPa；高级聚乙烯管为0.4～2.0MPa。上述管材工作压力每提高一级，增加管材投资20%左右。因此长距离输水管道设计中必须根据计算压力值，分段选择其工作压力，达到安全与经济的完美结合。

4. 长距离输水管道防护技术与安全措施

4.1水锤的防护。水锤是压力管道系统防护的重要内容，在长距离输水管道中，流速变化是经常出现的，管道中流速变化时，致使管道中水的压力的升高或降低，在压力低于水的汽化压力时，水柱就被拉断，出现断流空腔，在空腔处的水流弥合时将产生强烈的撞击，管道中的水升压，形成水锤。水锤有启动水锤、关闭水锤、停泵水锤。一般启动水锤不大，只是真空情况下，管中空气不能排出而被压缩时才会加剧水位压力的变化；关闭水锤在正常操作时不会引起过大的水锤压力；但由于突然停电或事故停泵所产生的水锤往往较大，水锤压力值可达到工作压力的1.5～3倍。一般采取技术工程措施加以防护，在水泵出口处设置水锤消除器、缓闭止回阀、安全阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。

4.2排气阀的设置。管道初次输水时，管道内存有空气，管道运行时，实际上是水汽两相流。因此在长距离输水管道设计时，必须重视排气阀的设置，其数量应根据沿线地形、地质情况，合理确定管道的纵向布置，一般人为的每隔一定距离布置成一个高点，在驼峰处布设排气阀，防止管道的气蚀和振动，以影响管道输水及安全。

4.3连通管的设置。长距离输水管道按有关规范规定，一般采用双管线布置，以满足检修需要，检修时供水量应不少于设计供水量的70%，为达到此目的，应在二根主管之间设置连通管，在每根连通管处的主管上下侧设置2个闸阀，共4个闸阀，以达到分段检修目的。连通管的数量可根据输水管线的长度，在分段检修情况下满足设计供水量的70%，经计算确定，一般设置3处连通管。

5. 结束语

在长距离输水管道设计中，管道投资占输水工程的绝大比重，管材、管径及工作压力的选择必须根据工程规模、重要性、地形地质等进行经济比较综合分析确定，许多技术及安全措施还有待更深入的研究与提高。