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长距离输水管道设计中的几个问题探讨


长距离输水管道设计中的几个问题探讨

长距离输水管道设计中的几个问题探讨
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

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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

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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 800 mm。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。管材 经济比较表
单位:元/m 管径(mm) 200 300 400 500 600 800 1000 1200 1400 1600 钢管 178 266 394 490 586 1017 1269 1768 2060 2883 球墨管 150 245 350 468 617 975 1412 1930 2497 3163 混凝土管 79 177 238 360 390 580 775 960 1280 1320 钢筒管 ? ? ? ? 440 710 862 1060 1380 1490 玻璃钢管 135 210 305 360 410 585 925 1420 1650 2200 PVC-U 85 187 292 435 730 1030 ? ? ? ? 高分子管 90 198 320 500 790 1270 ? ? ? ?$

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。
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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 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。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。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。 管径选择比较表
输水管距(km) 管径(mm) 管道投资(万元) 总净扬程(m) 装机容量(kw) 年电量(万 kwh) 年运行费(万元) 400 202 37.5 78 68.3 54.6 5.0 500 281 21.6 45 39.4 31.5 600 370 18.3 38 33.3 26.6 400 404 60.0 125 109.5 87.6 10.0' 500 562 28.8 60 52.6 42.1 600 740 21.1 44 38.5 30.8 400 606 84.7 171 149.8 119.8 15.0 500 843 35.5 74 64.8 51.8 600 1110 24.0 50( 43.8 35.0

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费用现值(万元)

953

714

736

1609

1141

1163

2254

1556

1592

500mm 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 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。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 0.4~2.0 MPa,分九级;玻璃钢管工作压 力为 0.6~2.0 MPa; 聚乙烯管为 0.6~1.0 MPa; 高级聚乙烯管为 0.4~ 2.0 MPa。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
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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。 34.2 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。总之,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。

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