给水管道及其连接方式选择

徐中全
浙江金洲集团技术中心

　　1 前言

　　给水工程中，现代化的水处理厂，从水源地取水后，经沉淀、过滤进入清水池，再用泵送至城区管网，直达用户。干线管道和城区管网的压力较高，一般都是埋地敷设。因此，要求管道承压能力高、安装方便、使用寿命长。随着技术的进步，还要求对输水管道内壁进行处理，使之不滋生细菌，减少摩阻，不污染水质。上述要求给制管行业带来了机遇和挑战，国内大型制管企业――浙江金洲集团，投入大量的人力、财力，与科研机构合作，进行基础研究、科技攻关、设备改造，在钢管制造、管壁涂敷、管道连接等方面都取得了可喜的成果。

　　2 钢管制造

　　钢管的使用是由1815年苏格兰的一位发明家为输送灯火用煤气，而将枪筒连接起来才开始的。1836年英国已经有了挤压法生产无缝钢管的专利，但直到1885年孟内斯曼（Manmesmann）兄弟才发明了由棒钢直接生产无缝管的工艺。在焊接管方面，1923年取得专利，经过了低频电阻焊接法和直流焊接法，现在已进入到主要生产中、小直径钢管用的高频感应焊接法（沙麦――朱鲁法）时代。另外，对于大直径钢管，采用U.O成型埋弧自动焊工艺生产直缝管，采用螺旋成形埋弧自动焊工艺生产螺旋钢管。
　　2.1 无缝钢管
　　无缝钢管的生产方法大致分为斜轧法（孟内斯曼法）和挤压法。前法是先用斜轧辊将管坏穿孔，然后用轧机将其延伸。这种方法生产速度快，但对管坯的可加工性要求较高，主要适用于生产碳素钢和低合金钢管。后法则是用穿孔机将管坯或钢锭穿孔，再用挤压机挤压成钢管，这种方法比斜轧法效率低，适用于生产高强度合金钢管。斜轧法和挤压法都必须先将管坯或钢锭加热，生产的钢管称为热轧管。用热加工法生产的钢管有时候可根据需要再进行冷加工。冷加工有两种方法：一种是冷拔法，就是将钢管通过拔管模拉拔，使钢管逐渐变细、伸长；另一种方法是冷轧法，它是将孟内斯曼兄弟发明的热轧机应用于冷加工中的方法。无缝钢管的冷加工，可以提高钢管的尺寸精度和加工光洁度，改善材质的机械性能等。
　　2.2 电阻焊钢管
　　电阻焊（Electric Resistance Welded）钢管，简称ERW钢管或高频焊管，它具有以下诸多优点：
　　(1) 生产效率高，成本低，其价格约为UOE直缝埋弧焊钢管的85％；
　　(2) 尺寸精度高，其圆度（Roundenss）优于螺旋焊管，在现场对口可节省大量工时；
　　(3) 表面光洁，外形美观，有利于内、外防腐层的涂敷。
　　过去，由于ERW钢管焊缝可靠性差，管道曾出现过大量事故，因此限制了对ERW钢管的使用。近来，浙江金洲集团投入巨资，通过研究人员和制管厂的共同努力，这种情况已有很大改变，ERW钢管的焊缝质量已可以与直缝埋弧焊钢管相比媲美。
　　金洲集团ERW制管过程采取了以下技术措施：
　　(1) ERW钢管制管过程中热输入量的控制，影响热输入量的因素很多，首先是会聚角（Convergency Angle）的影响。试验结果表明，在其它因素不变的情况下，会聚角太大会造成冷焊，会聚角过小则会造成过烧。影响热输入量的另一因素是钢管在成形线上的前进速度。试验结果表明，在其它因素不变的情况下，速度过快会造成冷焊，速度过慢则易造成过烧；
　　(2) 加强在线自动检测，金洲公司制管厂为了保证ERW钢管的质量，在制管工艺中增设了多道探伤检测。开卷后，钢带两侧进行超声波检测，焊接完成后进行涡流探伤。除此之外，还要进行多次外观检查，并抽样进行压扁试验及其它机械性能试验。
　　2.3 螺旋缝埋弧焊钢管
　　将带钢按螺旋形弯曲成形，用埋弧自动焊进行内缝和外缝的焊接制成螺旋缝钢管。由于以下原因它能广泛地应用于大直径钢管的生产中：
　　(1) 只要改变成形角度，就可以用同一宽度的带钢生产各种口径的钢管；
　　(2) 因为是连续弯曲成形，所以钢管的定尺长度不受限制；
　　(3) 焊缝螺旋形均匀地分布在整个钢管圆周上，所以钢管的尺寸精度高，强度也较高；
　　(4) 设备费用便宜，易于变更尺寸，适合于小批量、多品种钢管的生产。
　　螺旋管的焊缝比直缝管长，如管长为L，则焊缝长度为L/cosα(α为成形角)。而钢管缺陷的绝大部分集中在焊缝及热影响区，焊缝长就意味着缺陷出现的概率大，这是长期制约螺旋焊管更加广泛应用的主要原因，也是长期以来争论不休的螺旋管与直缝管，特别是与UOE钢管相比谁更优越的问题。螺旋管制造技术发展到今天，我们应该全面地、正确地进行评价和比较，重新认识螺旋管焊缝较长的问题。首先，由于缺陷与焊缝相平行，故对螺旋管来说，其焊缝的缺陷为“斜缺陷”。在使用过程中，钢管的主应力方向，即钢管轴线方向的当量缺陷长度比直缝管小；其次，由于管线钢均为轧制钢板，冲击韧性有较大的各向异性，顺轧制方向的CVN值可比垂直于轧制方向的CVN值高3倍。直缝管所受的主应力恰恰垂直于管材抗冲击能力最低的方向，而螺旋管则错开了α角。再者，在螺旋管的生产过程中，由于不断进行工艺和技术改进，检验设备和技术不断进步和完善，使焊缝产生缺陷的机率已相当低，焊接接头100％的无损检测，使钢管出厂合格率真正达到了100％，尤其是水压试验后微机控制的全焊缝Ｘ射线实时成像连续检查，更加提高了螺旋管的可靠性，使螺旋管焊缝长的劣势转变成了优势。
　　2.4 镀锌管
　　锌较铁有更负的电极电位，当锌和铁构成微电池时，锌为阳极，铁为阴极，在受到腐蚀时，锌溶解而铁不受损害，故锌镀在铁上起到牺牲阳极的作用。
　　(1) 热镀锌管――热镀锌管是使熔融金属与铁基体反应而产生合金层，从而使基体和镀层二者相结合。热镀锌是先将钢管进行酸洗，为了去除钢管表面的氧化铁，酸洗后，通过氯化铵或氯化锌水溶液或氯化铵和氯化锌混合水溶液槽中进行清洗，然后送入热浸镀槽中。热镀锌具有镀层均匀，附着力强，使用寿命长等优点。
　　(2) 冷镀锌管――冷镀锌就是电镀锌，镀锌量很少，只有10－50g/m²，其本身的耐腐蚀性比热镀锌管相差很多。正规的镀锌管生产厂家，为了保证质量，大多不采用电镀锌（冷镀）。只有那些规模小、设备陈旧的小企业采用电镀锌，当然他们的价格也相对便宜一些。目前建设部已正式下文，淘汰技术落后的冷镀锌管，今后不准用冷镀锌管作水、煤气管。

　　3 管壁涂敷

　　水工程干线管道和城区管网都是埋地敷设，为了延长管道的使用寿命，避免金属腐蚀，从世界上有供水工程开始，人们就埋地金属管道的腐蚀机理，防腐方法，涂层结构等进行了不懈地探索与研究，已形成多种防腐体系，对埋地金属管道进行外壁涂敷，管道的寿命大大提高。饮水是人类赖以生存的最基本要素，现代人对水质的要求越来越高，为满足高水质要求，其中最重要的环节是输水过程中，不滋生细菌，不污染水质。
　　3.1 管道外（涂敷）防腐
　　腐蚀是金属在周围介质的化学、电化学作用下所引起的一种破坏。
　　金属腐蚀按其性质可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接和介质接触起化学作用而引起金属离子的溶解过程。而电化学腐蚀是金属和电解质组成原电池所发生的电解过程。金属在土壤、水或潮气等电解质溶液中，一般都发生电化学腐蚀。埋地管道外腐蚀的原因比较复杂，一般归纳为以下三种原因：
　　(1) 电化学腐蚀――由于土壤是固态、液态、气态三种物质所组成的复杂混合物，土壤颗粒间充满空气、水和各种盐类，使土壤具有电解质溶液的特征，埋地管道裸露的金属（如涂层被机械破坏，微生物破坏等），就和土壤电解质组成了原电池，导致金属的电化学腐蚀。
　　(2) 杂散电流对管道的腐蚀――由于外界漏电影响，土壤中有杂散电流通过管道，因而发生电解作用，使管道腐蚀。
　　(3) 细菌作用引起的腐蚀――据研究，微生物参与腐蚀的过程中，不同种类细菌的腐蚀行为，条件各不相同，例如在缺氧土壤中存在厌氧的硫酸盐还原菌，它能将可溶的硫酸盐转化为硫化氢，使土壤中H^＋浓度增加，加速了埋地管道的腐蚀作用。
　　对埋地管道腐蚀调查与研究标明，埋地管道外壁绝缘层的损坏是造成管道遭受土壤腐蚀的主要原因，为了保证管线长期安全生产，针对土壤腐蚀的特点，可以从以下几个途径来制止腐蚀的发生和降低腐蚀程度：
　　(1) 选用耐腐蚀的管材；
　　(2) 增加管道与土壤之间的过渡电阻，减小腐蚀电流，如采用石油沥青、煤焦油瓷漆、粘胶带、环氧粉末、三层PE等绝缘层，使绝缘层电阻较大，绝缘层的致密性很好（无针孔），从而把腐蚀电流减少到最小程度；
　　(3) 采用电法保护（阴极保护和牺牲阳级保护），一般电法保护应与绝缘层保护相结合，以减小保护电流的消耗。
　　国内过去多采用石油沥青防腐层，近年来，我国陆续研究开发了聚乙烯夹克（两层结构）、熔结环氧粉末涂层、聚乙烯胶粘带和煤焦油瓷漆等防腐技术，取得了较好的防腐效果。但在实际应用中，也暴露出这些防腐技术的不足之处，如两层结构聚乙烯夹克的粘结性较差、熔结环氧粉末层的机械性能较低、煤焦油瓷漆的环境污染问题以及聚乙烯胶粘带的施工质量难以保证等，因此，欧洲一些国家自80年代以来，研究开发并成功应用了熔结环氧/挤出聚乙烯三层结构防腐涂层技术，这是目前国际上认为最先进的管道外防腐技术。
　　挤出聚乙烯包覆涂层，以其优异的物理机械性能，良好的耐化学腐蚀性能，极低的水、氧渗透性和低环境污染，被公认是当前最有发展前途的防腐材料之一。但是，非极性的聚乙烯涂层与极性的钢管表面粘接性差，为了解决这一问题，人们采用了多种方法。传统的方法是在聚乙烯涂层与钢管之间涂一层“软基”玛蹄脂或橡胶粘接剂或“硬基”聚乙烯共聚物底胶，形成两层涂层结构。而有些国家则采用高温熔结聚乙烯粉末的方法，但无论是两层结构涂层还是熔结聚乙烯粉末涂层，都存在两个缺点：一是阴级剥离强度弱，二是与钢材的粘接性能低且不稳定，尤其在较高温度下更为明显。为了更好地解决聚乙烯涂层与钢管表面的粘接问题，以德国、意大利为代表的欧洲国家，于80年代广泛采用了三层聚烯烃管道防腐涂层（以下简称三层PE）。这种涂层结构包括：环氧底漆、共聚物中间层、聚乙烯外涂层、三层结构防腐层综合了熔结环氧粉末涂层和挤压聚烯烃两种防腐层的优良性质，将熔结环氧粉末涂层的界面特性和耐化学特性，同挤压聚烯烃防腐层的机械特性等优点结合起来，从而显著改善各自的性能。对熔结环氧粉末涂层，抗机械破坏性能弱的缺点得到弥补；对两层结构的挤压聚烯烃防腐层，粘结性能差的弱点得到改善，大大提高了防腐层的抗阴极剥离性能和机械强度。
　　3.2 环氧粉末涂敷钢管
　　为了同时解决钢管的外壁腐蚀、内壁输水质量问题，浙江金洲集团会同科研单位、高等院校研制的新一代绿色管材――“金洲”牌环氧类粉末涂敷钢管，是采用优质高频焊管、螺旋焊管或无缝钢管为基体，以先进的流化床涂敷工艺，在钢管内外壁熔融涂敷无毒食品级环氧粉末涂料，具有国际先进管材的水准，它的开发成功，填补了国内空白，是我国替代进口管材的首选。
　　环氧类粉末涂敷钢管具有优良的机械性能，涂层附着力好，抗腐蚀性强，可耐酸、碱及其它化学腐蚀，无毒、耐磨，耐冲击性好，耐渗透性强，管道表面光滑，可以提高输送效率，解决管道阻塞问题，减少输送压力损失，涂层中无溶剂，无可渗出物质，因而不会污染输送介质，保证介质的纯洁度和卫生性。涂层具有优良的绝缘性和耐候性，在－40℃至＋80℃范围可循环冷热交替使用，涂层不老化、不龟裂，因而可以在寒冷、酷热地带等苛刻的环境下使用。
　　产品现已取得浙江省卫生厅颁发的产品卫生许可证，并通过浙江省省级新产品鉴定，鉴定结论为：本产品采用的流化床涂敷工艺属国内首创，产品质量居国内领先地位，主要技术性能指标达到国际同类产品先进水平。

　　4 沟槽式管接头

　　管道传统的连接方式有螺纹连接、法兰连接、焊接连接、承插连接。
　　螺纹连接只适用于小口径管道的连接，当管道直径DN>100时，现场加工螺纹困难，安装极不方便。
　　法兰连接对孔对锁操作复杂，安装速度慢，法兰成本高。
　　焊接连接安装速度慢，焊接操作需要专业焊工，电焊高温烧损涂敷层后，管道内涂层修补非常困难。
　　承插连接适合于铸铁管道，应用已有很长历史。但长期以来承插连接的的泄漏问题一直未能解决。
　　针对传统连接方法的弊端，现已开发出沟槽式管接头及配件。沟槽式管接头安全可靠、简单经济、不损坏涂层，是当今带涂层管道的最佳连接方式，特别适用于压力≤2.5MPa，管径Φ108～Φ630镀锌管、钢塑复合管、环氧粉末涂敷钢管的连接。
　　根据需要（输送介质种类、压力、温度等参数），可先将钢管滚槽，再进行镀锌或喷涂环氧粉末，并配置合适的沟槽式管接头配件，同时供货，以方便现场安装。沟槽式管接头和管件之间不需要焊接，不需要二次涂敷，不存在二次安装。安装速度比法兰连接快3倍以上。沟槽式管接头比法兰轻，螺栓数量少，舍弃了法兰接头的对孔对锁等复杂程序，作业时无需特殊技术，作业人员只需一把扳手单侧操作即可。科学合理的设计为管道提供可靠耐久的三重保障：①选用高品质的橡胶圈密封，独特的Ｃ型结构，使得管内压力越大，密封性能越好；②沟槽式管接头的凸缘与管端沟槽全圆周啮合，二只高强度螺栓紧紧锁定接头；③产品的材料选用高强度、耐腐蚀的QT450－10牌号球墨铸铁，寿命超过管材本身。沟槽式管接头配管工程无需动火，只需机械组装，可确保工地安全，特别适合禁火工地。沟槽式管接头与传统的法兰相比，施工的总费用可节约10％－20％。管道未端可阻断噪音并防止震动的传播，Ｃ型橡胶圈充分发挥吸音和减振作用。挠性接头更能解决管道热胀冷缩，整个系统不需另加软接头。沟槽式管接头除可以与各种无缝钢管，镀锌钢管，焊接钢管、不锈钢管、铜管等连接外，特别能对防腐管道的连接，是目前国内外最先进的连接方法，是管道新材料的最佳搭档。根据要求和管道内部介质的不同选用不同的橡胶圈，可以提供－34℃～400℃的超宽工作温度。沟槽式管接头配管系统只需拆下两颗螺栓即可进行管件的清洗，维修或更换，可根据需要进行任意改造延伸，定期转动钢管还可使管子内部磨损均匀。

　　5 建议

　　给水工程关系千家万户，供给人们清洁卫生的自来水，是决策者和专业设计人员的职责。工程决策、设计过程中钢管选用，应以较小的投入获得较大满意度。笔者根据深入的理论研究和长期实践经验，提出以下建议，仅供参考。
　　(1) 城市供水干线管道（DN500－DN1000），宜选用螺旋缝埋弧焊钢管，内壁用无毒型环氧粉末涂敷，外壁用三层PE防腐或环氧粉末防腐；
　　(2) 城市供水支线（DN300－DN500）宜选用螺旋缝埋弧焊钢管，内外壁均采用环氧粉末防腐；
　　(3) 庭院管网（DN100－DN300），宜选用ERW钢管或螺旋缝埋弧焊钢管，内外壁均采用环氧粉末涂敷防腐；
　　(4) 进户立管（DN20－DN50），宜选用钢塑复合管，钢管基体，内外壁镀锌，内壁环氧粉末涂敷防腐；
　　(5) 户内管道（DN15－DN20），宜选用钢塑复合管、铝塑复合管、PPR全塑管等，外形美观，安装方便，价格适中。

二000年九月