钢管大跨度支承与长寿防腐技术

肖睿书 　闫利国
广西建筑综合设计研究院

一、前言

　　笔者通过柳州市付鹅溪过溪输水钢管的设计，结合GZ—2特种漆适于饮水卫生且耐久长寿防腐技术应用，论述了DN300—1600钢管支架或支墩大跨度计算，并分析了内壁涂料使水力粗糙系数比钢管低与其带来的节能效果，其内客可供给排水同行参考。
　　我院承担了柳州市竹鹅溪DN1200自来水输水钢管的设计任务，经反复比选，不采纳跨溪架设偏心钢筋砼T形梁板支承钢管并留有维修专用通道方案。其一是管桥上下游附近已有便桥两座，再插入第三座外观相似的管桥有碍观瞻；其二是偏心T形梁板遇到洪水的冲击结构受力较大而不稳定；其三是该方案土建费高达45万元，比钢管梁方案土建费18万元，多耗资27万元。考虑钢管口径较大，刚度好，利用钢管本身作主梁受力十分合理，柳州市自来水公司曾成功地敷设过支承跨度达21m的DNl000输水钢管，使用数年效果良好。唯一棘手问题是管外壁普通防腐涂料日晒雨淋易老化脱落，一两年就要翻修一次。为此，笔者本着务实的态度，查阅了许多有关资料，并综合比较了广东大量采用的GZ---2新型高分子防腐涂料(简称特种漆)和广西各市自来水公司近年来习惯使用的重防腐涂料的反馈信息资料，决定管外壁采用特种漆特加强外防腐三布五油漆膜总厚400—420μm的作法，使用寿命延长至15年，为业主排忧解难。对于管内壁，则考虑特种漆普通内防腐两底两面漆膜总厚度80—100μm做法，内壁接触自来水，不见阳光，使用寿命可达30—50年，由于特种漆表面光滑、其粗糙系数可视力介于玻璃钢管(n＝O.008)、紫铜管(助＝0.008)和UPVC排水管 (n＝0.009)三者之间，推荐采用n＝0.00833 进行水力计算，亦可获得颇佳的节能效果。

一、过溪DN1200钢管受力计算

1、基本数据
　　查《钢结构设计规范GBJ17—88)：
　　钢管厚度≤20mm属第1组，抗拉、抗压和抗弯强度[f]取215N／mm²＝21.5kN／cm²，受弯构件的容许挠度取1／400—1／300之间为宜，弹性模量E取206×10³／mm²＝2.06×10⁴kN／cm²，经研究，水管超载系数取1.25，截面塑性发展系数γ取1.15，要求校核1.25M／γW＝1.25M／1.15W＝1.087M／W＝f≤21.5kN／cm²。
2、简支钢管梁挠度
　　计算挠度＝O.013ql3／EI
　　先计算q：
　　外径D＝122cm，壁厚1.4cm，内径d＝ 119.2cm，钢管质量密度ρ＝7.85kg／dm3，于是：
　　水重：0.7854×11.922×10＝1116(kg／m)
　　管重：3.14×12.06×0.14×10×7.85＝416(kg／m)
　　q＝1116十416＝1532＝15.32kg／cm＝0.1532kN／cm，
　　跨度1取30m，I＝0.0491(D4-d4)＝0.091(1224-119.24)＝964700(cm4)；
　　挠度=0.013×0.1532×30003／2.06×104×9.647×105＝0.013×0.1532×27／2.06×9.647＝0.002706＝1／370介于1／400—1／300之间，符合要求。
　　若按一端固定一端简支来校核，则
　　挠度＝0.00543ql3／EI＝0.001128＝1／887，应该放心挠度得到了控制。
3、抗弯强度f验算
　　W＝0.0982(D3-d3)＝0.0982(1223- 119.23)=12000(cm3)；
　　M＝0.125 q12＝0.125×0.1532×30002＝172350(kN·cm)
　　f＝1.087M／W＝1.087×172350- 12000＝15.61(kN／cm2)
　　＜21.5kN／cm2，亦不成问题。
4、洪水来临的水平荷载
　　柳州市防洪部门要求按圆管上下游产生圆管断面高度1.22m水位差来校核水平推力，这是不可能发生的，但为确保万无一失， 按此要求计算qn＝O.5×1.22×1.22×0.7(0.7为圆管形状系数)＝0.521(t／m)＝5. 21kN／m＝O.0521kN／cm＜＜0.1532kN／ cm；流速水头对圆管的水平推力qn＝0.7×1.22×22／2g＝0.174(t／m)＝1.74kN／m＝0.0174kN/cm。流速水头对管支墩的水平推力qv＝V2／2g＝22／2g＝0.204(t／m2)＝2.04kN／m2(对于圆形支墩需乘以0.7的形状系数)。
　　从给排水专业角度出发，可不需考虑防洪部门提出的水位差原则，但由于柳州市有过四桥人行道架设水管悬臂挑梁断裂事故发生，还是要尊重甲方的意见，但不要把qn＝O.0521kN／cm和0.1741kN／cm叠加起来。
5、管内水压在管道转变处的轴向推力
　　钢管工作水压0.45MPa左右，考虑留有余地，按0.55MPa取值，试验压力为1.1MPa，轴向推力如下：
　　平时P＝55×0.7854×1.1922＝61.4(r)＝614kN，
　　试压P＝110×0.7854×1.1922=112.8(t)＝1128kN，
　　请注意试压是一次性的，持续16h，不会在几十年一遇洪水发生时进行试压，拿1128kN对支墩进行核算时，就不要和洪水对圆管的水平推力进行组合，但可用614kN(具有方向性)力和它组合。对于挡土墙一侧的支座而言，管道无转弯，此力为零。
6、建议
　　柳州市虽已有DNl000钢管跨度1＝21m的成功经验可供借鉴，但该市壶西大桥人行道支承DN600钢管悬挑梁断裂事故教训亦需吸取，故本设计留有余地，取实际跨度l由计算30m缩短为27m。

二、DN300——1600钢管支架或支墩跨度计算

l、计算依据
　　查《钢结构设计规范GBJ17—88》，钢管抗弯强度[f]＝215N／mm²＝21.5kN／cm²，容许挠度取1／400～1／300之间为宜，要求计算f＝1.087M／W≤21.5kN／cm²。弹性模量E＝2.06×10⁴kN／cm²。
　　惯性矩I＝0.0491(D⁴---d⁴)；
　　截面矩W=0.0982（D³-D³）；
　　挠度=0.013ql3/EI(简支梁）；
　　挠度=0.00542ql³/EI(一端固定一端简支梁）；
　　质量密度ρ=7.85kg/dm³；
　　1KG=10n=0.01kN或1t=10kN
2、钢管壁厚与外径
　　参照国标图集S311适当加厚或保持不变见表1。

3、钢管梁受力计算参数铜陵表2。

4、不保温输送冷水钢管支承间距讨论
　　经仔细阅读《自动喷水灭火系统施工及验收规范GB50261—96》9页表5.1.7、《建筑给水排水设计手册》23页表1.4—1和国家标准图集S161有关大样和说明后，对于不保温的冷水管，可根据设计需要，控制支承间距，当DN≥80钢管支承间距超过S161设计 支托吊架间距6m时，需重新验算或加大支托吊架各种部件如膨胀螺栓、角钢、槽钢、吊杆、管卡、管柱、托座等的受力是否足够承受，为控制管道支承间距的设计质量，也顺便列出不保温中小冷水钢管最大支承间距值见表3。

　　注：喷规DN80～125间距数字有反常现象请按推荐一栏修正。

三、特种漆在输水管道中的应用

1、简介
　　特种漆是原美国军方的高科技产品，其性能和功效大大超过传统防腐涂料。是目前最新型无毒防腐涂料。特别是屏障GZ—2防 腐涂料最适宜用于自来水输水钢管的内外壁防腐及球墨铸铁管(Ductile Iron Pipe代号DIP)的内壁防腐。多年来国内几项重点工程使用特种漆后，引起了防腐专家及给排水界的关注和业主的好评，在上海、广东；厦门、武汉、济南等省市享有盛誉。广西各市自来水公司近年来在中国城镇供水协会广东省分会推荐影响下，仿效珠江三角洲各市水司与湛江 市水司的做法，南宁、上海、钦州、防城港等市水司也开始使用特种漆，尝到了甜头。值得一提的是由北京市政工程设计研究总院设计的南宁市琅东污水处理厂二期工程；池底钢管 防腐要求十分严格，总院研究后决定选用GZ--2涂料，污水厂业主表示全部二期设计的钢管都使用特种漆。
2、特种漆的性能特点
　　特种漆属改性环氧——丙烯酸聚氨酯涂料。主要由有机多羟基丙烯酸酯类均聚物和多异氰酸酯制成另异氰酸酯的预聚物，再经多元胺扩联聚氨酯，与其分散体经离子型或非离子型的分散体混合，同时加入特殊的稳定剂、抗氧剂、促进剂；防腐添加剂和颜色填料制得的长效高性能无毒重防腐涂料，这类经改性后的聚氨酯涂料具有不同于任何其它传统涂料的特异性能。
　　(1)显著的抗氧性和耐化学腐蚀性能
　　水和氧气的渗人是锈的根源，从电化学反应看，活性铁锈是锈蚀的主要原因。因此漆膜分子结构的紧密直接关系到漆膜的屏蔽作用，而漆膜本身对腐蚀介质的抵抗能力是涂料质量的关键。“屏障涂料不仅湿气通过率优于任何其它传统涂料，其涂层还能承受在沿海高温、高湿地区的盐水、干湿循环和工业发达地区各种气相腐蚀介质及海洋大气环境中盐碱介质和酸碱交替作用产生的各种腐蚀。经过在不同比例不同腐蚀介质的溶液中进行l440h常温破坏性试验后表明：即使其金属样板被腐蚀，其防腐漆膜仍完好无损，并能保 持部分理化性能不变(详见表4)。

　　(2)优异的附着力；柔韧性和高硬度、耐磨性
　　漆膜的动态力学性主要是指材料的冲击强度，而冲击强度与它的抗张强度和断裂伸长率有密切的关系。经过测定，特种漆具有优秀的耐冲击性和延展性，属于一种模量高、耐磨擦、高硬度和附着力强的涂料，且能在一定温度的环境中使用（100℃左右)。详见表5。

　　(3)良好的耐候性
　　光老化往往会造成漆膜表面及物理性能恶变，最常见的现象是失光、泛黄、龟裂和粉化，甚至脆变剥落。从光降解机理中可知，树脂中的自由基是造成光降解的重要中间体，因此促使光稳定化的重要手段是清除树脂中的自由基，而屏障涂料改性树脂中的经基胺和羧基胺醚能有效清除自由基，抑制光氧化。同时通过抗氧基的作用能有效阻止紫外线的杀伤和稳定涂料的保色性，比一般防腐涂料使用寿命延长三倍以上。
　　(4)简便的除锈工艺
　　特种漆除锈工艺较其它防腐涂料更为简便，只须用砂纸、钢丝刷或电动砂轮机将被涂工件表面浮锈、焊渣、油垢及疏松物除去、擦净达到平整干燥即可施涂。需要强调的是被 涂工件表面浮锈、油垢等杂物必须除净，因浮锈、油垢等杂物会在工件表层形成一个隔层，直接影响本产品的附着力和涂装质量。另外，某些工件极易锈蚀，除锈与施涂间隔时间不宜过久，以免工件表面氧化而影响涂装质量。
　　(5)简单的施涂工艺
　　该产品为双组份涂料，均可采用刷涂、喷涂、辊涂等方法施涂。
　　①防腐涂层结构
　　a.普通防腐型(两底两面)
　　一道底漆→一道底漆→一道面漆→一道面漆。干膜厚度80～100μm。
　　b.加强防腐型(一布三油)
　　一道底漆→一层玻璃纤维布→二道面漆。干膜厚度180～300μm。
　　c.重加强防腐型(两布四油)
　　一道底漆→一层玻璃纤维布→一道底漆→一层玻璃纤维布→两道面漆。干膜厚度280～300μm。或一道底漆→连续裹两层玻璃纤维布→一道底漆→两道面漆。干膜厚度280～300μm。
　　d.特加强防腐型(三布五油)
　　一道底漆十连续裹两层玻璃纤维布→一道底漆→一层玻璃纤维布→一道底漆→两道面漆。干膜厚度400—420μm。或一道底漆→一层玻璃纤维布→一道底漆→一层玻璃纤维布→一道底漆→一层玻璃纤维布→两道面漆。干膜厚度400～420μm。
　　②涂料配制
　　随用随配，按比例混合，充分搅拌均匀静置10--15min后再行施涂。
　　③施工粘度
　　拿专用稀释剂调整施工粘度。施涂粘度为30～40s。
　　④干燥条件：常温自然干燥。
　　⑤注意事项
　　a.在配制与施工过程中切忌水、油等物 质混入，以免影响工程质量。
　　b.施涂底漆、面漆时，要求涂层均匀，无漏涂。
　　c.缠绕玻璃纤维布时必须拉紧、平整，不得有皱折、豉泡，纤维布网眼必须灌满涂料。玻璃纤维布之间搭接宽度不得小于20mm，搭接头长度不得小于100mm。缠绕两层玻璃纤维布时，各层玻璃纤维布的搭接头应错开。管道两端的防腐层应做成阶梯形接茬，阶梯宽度不得小于100mm。玻璃纤维布经纬密度为10×10根/cm²或12×12根／cm²，厚度应为0.12±0.01mm，含碱量不应超过12％，无捻、无蜡、平纹、两侧封边，受潮的玻璃纤维布必须烘干后方可使用。玻璃布宽度参照表6选用。

　　d.涂刷后的管道或钢涂件应注意避免在运输、吊装过程中损伤防腐层。若有损伤应及时补涂，否则不准安装。
　　e.当在管沟内进行接口防腐涂刷时，必须清除防腐部位的泥土、水迹；回填土时应避免损伤外防腐层。
　　f.雨雪、雾天不宜在户外施工。
　　⑥其它
　　a.包装：4L、20L铁桶包状并密封。
　　b.运输：按危险品考虑运输，防止雨淋和阳光曝晒。
　　c.储存：勿近火源，在阴凉干燥处密封储存。
　　d.技术安全：施工时须通风，禁止明火。
　　3、特种漆小结
　　(1).特种漆是当今涂料市场上的高科技新产品，其各项性能指标均达到和超过传统防腐涂数据最高水平，因此，完全可以取代传统防腐涂料。
　　(2)特种漆是一种无毒抗酸、碱、盐、油、水和大气腐蚀的良好保护涂料，适用于各种金属、木质、混凝土构件的防腐和保护。
　　(3)特种漆施工简便、干燥快、耐磨擦、附着力好，特别适用于输水、输油管道的防腐工程及制盐、化工行业、建筑地坪、地板和水工结构防腐防渗漏工程。
　　(4)特种漆的使用寿命比一般防腐涂料长达三倍以上，且综合成本也明显低于传统防腐涂料，是现代较理想的防腐涂料。
　　(5)特种漆施涂于钢管内外壁或球墨铸铁管内壁时，除使用寿命延长三倍以上达到30～50年外，尚可额外地聚理想的节能效果。
　　众所周知，钢管、球墨铸铁管(DIP)和钢筋砼管(RCP)水力计算粗糙系数n取0.013，由于特种漆表面光滑，笔者取玻璃钢管(中英文资料介绍n＝0.008)、紫铜管(给水排水99年7期冷热水铜管水力计算探讨分析n＝0.008)和UPVC排水管(n保守地取0.009)三种管材的平均值11＝0.00833进行水力计算综合比较，列出DN300—1600钢管或DIP内壁搪水泥砂浆(代号水泥)和涂GZ—2特种漆(代号GZ)水力参数于表7。

　　注：①钢管内径取DN(mm)扣除28mm水泥砂浆厚度标记水泥代号，实际内径有出入时可自行计算调整。②GZ代号表示内涂特种漆，漆膜总厚度小于55μm取500μm，计算内径扣除1mm。⑧内搪水泥A＝0.0017396d^-16/3，涂GZ—2时A＝O.0017396×O.41059×0.41059d^-16/3，d以m计。④[Q]为涂GZ—2且流速v＝1.5m／s的流量(m³/s)。⑤V＝KcQ。⑥[I]＝A[Q]2，通用式I＝AQ²(mH₂O／m)。⑦沿程损失栏括号表示以内搪水泥砂浆为100％时，相应内涂GZ—2的百分率。

　　从表7可看出，内涂GZ与内搪水泥相比，管径越小，水头损失百分率越小，DN300仅占24.8％，DNl600百分率为37.6％，DN ＞1600时，百分率介于37.6％与41.1％之间。例1：某工程选用DN800输水钢管长6000m，设计流量Q＝752L／s，请估算年节电多少。解：查表7，年节电约为752×1.1(3.90 - 1.34)×6×24×365／102×50％＝2180000(kW.h)。若按每度电费0.8元计算，年节电 费约174万元。特种漆内防腐涂料约9吨，需耗资58万元左右，四个月的电费即可回收此项投资。例2：某工程DNl400DIP主干管 943m，Q＝250L／s，因为该管十分重要，拟考虑内搪水泥或内涂GZ以延长使用寿命，经比较后选用特种漆内防腐，可减少水头损失＝1.1(0.00032203—0.00011917)×2.5²×943＝1.315(mH₂O)，年节电约为2500×1.315×24×365／102×50％＝565000(kW.h)，年节电费约为45万元，涂料约需2.5吨，需开销15万元，也相当于四个月的节能费用。
　　这里需顺便指出的是对于市政过江河床底部埋设的输水主干管而言，建议采用特加强外防腐(三布五油漆膜总厚400—420μm) 和加强内防腐(三底三面漆膜总厚120～150μm)，确保使用寿命从30—50年延长到50年以上，加强型比普通型增加50％的涂料，内涂材料施工安装投资则相当于半年的节电费用。
　　(6)GZ—2新型高分子防腐涂料经最高权威部门——中国预防医学科学院环境卫生与卫生工程研究所检测，以W99020编号于 1999年5月28日发布卫生安全性检测测试报告，结论是安全符合《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》GB／T7219—1998)的标准，内防腐符合生活饮用 水的要求，用户可以放心推广此项内防腐新技术。