李秋莎
(福州城建设计研究院有限公司 福建福州 350001)
摘 要：重点阐述了福建省福州市金山大桥跨江供水管道工程的管材选择过程、工程设计要点和施工焊接方法，并利用实际测压、测流资料反算出新旧管材的海曾—威廉系数，核算新型管材通水后的使用效果，认为跨江供水工程中采用内衬不锈钢复合钢管工艺，具有水头损失小、耐腐蚀能力强的特点，能为城市供水安全提供更好的保障。其次，基于该工程为福州市首次采用新型管材进行跨江供水工程，在异型材料管配件连接和新型管材本身的特殊焊接工艺上仍显经验不足，建议今后类似工程中尽量采用与主管材材质相同的管配件，而且要针对内衬不锈钢复合钢管的特殊焊接工艺引进专业技术人员，以方便新型管材检修维护。
关键词：跨江管道；内衬不锈钢复合钢管；工程应用
金山大桥过江管工程项目于2015年9月启动施工，2016年1月底完工。本次工程的实施完善了福州市南北岸供水联通，为城区供水安全提供了重要保障。由于普通钢管耐腐蚀性较差，本次供水管跨江工程中首次全线采用了内衬不锈钢复合钢管，并将以此作为试点，在跨江供水工程中推广应用。本文以金山大桥过江管工程为例，对内衬不锈钢复合钢管的应用进行技术总结和讨论。
金山大桥于2000年建成，同步建设DN900供水管，管材为焊接钢管。与复桥同步新建的过江管工程项目于2015年9月启动施工，2016年1月底完工。新建管道全长1 184m，全程管径DN600。管线北起上浦路凤湖路路口，由凤湖路DN1800钢管接出，南至闽江大道南侧绿化带，与金山大道DN800球墨铸铁管相连。其中随桥敷设段总长1 053m，位于新桥上游侧，桥梁人行道板挑翼下方，采用管箱悬吊安装；埋地段总长131m，位于道路北侧人行道。
架空敷设的过江管道通常采用钢管，但不同的防腐材料对管材的价格、使用寿命及施工方法均有影响。该工程主要对普通防腐钢管、内外涂塑双密封复合钢管以及内衬不锈钢复合钢管进行比较。
2.1 管材价格比较
选用的3种管材价格对比如下：
(1)普通防腐钢管(直缝钢板卷管)
钢管规格D630x11.5，压力等级1.0MPa，采用单面普通焊接。
内防腐：普通级防腐，二道底漆(IPN8710-2B底漆)，二道面漆(IPN8710-2B面漆)，厚度：50(μm/道)，用量：150(g/m2·道)；外防腐：加强级防腐，二道底漆(IPN8710-1底漆)，一层纤维布，二道面漆(IPN8710-3面漆)，底漆厚度：50(μm/道)，面漆厚度：100(μm/道)，用量：200(g/m2·道)。
管材单价：1 600.6元/m。
(2)内外涂塑双密封复合钢管
钢管规格：D630x11.5，压力等级1.0MPa，为防止焊接损坏防腐层，采用双密封焊接：内环耐高温密封硅胶圈法兰压实，外环法兰外缘电焊连接。
内防腐：内涂热熔环氧粉末，内涂层厚度>0.4mm；外防腐：外热涂聚乙烯粉末，加强级防腐，外涂层厚度>1.5mm。
管材单价：1 232.1元/m。
(3)内衬不锈钢复合钢管
钢管规格：D630×(10+1.5)，采用10mm厚螺旋缝埋弧焊钢管作为基管，压力等级1.0MPa，采用钨级手工氩弧焊连接。
内防腐：1.5mm内衬不锈钢层；外防腐：IPN8710加强级防腐，两道底漆(IPN8710-1底漆)、一层纤维布、两道面漆(IPN8710-3面漆)，底漆厚度50(μm/道)，面漆厚度100(μm/道)，用量200(g/m2·道)。
管材单价：2 236.7元/m。
通过以上比较可知，同等壁厚的内衬不锈钢复合钢管和普通防腐钢管，价格相差约40%，而内外涂塑复合钢管价格略低于普通防腐钢管。
2.2 3种管材优缺点比较
3种管材优缺点对比如表1所示：
表1 管材优缺点比较表
管材直缝钢板卷管内外涂塑复合钢管内衬不锈钢复合钢管优点①施工工艺简单②可根据现场对管道进行切割③管材价格相对便宜①采用法兰焊接,不会破坏内防腐层②管材价格便宜③水力条件好①不易腐蚀②水力条件较好③内衬层不易受破坏缺点①容易腐蚀、结垢②焊缝处需补充内防腐①管材切割后需加焊法兰,内外防腐层补衬,无法现场切割②无法进行现场补防腐,对运输要求高①管材价格相对较高②现场切割应对坡口进行二次处理③采用手工氩弧焊,需有专业技术人员
结合该工程实际情况，过江管大部分位于江面上方，后期维护困难较大，同时由于施工中的不确定性，无法避免对管道进行现场切割，故不适宜采用内外涂塑复合钢管。而普通防腐钢管容易结垢锈蚀，增大管内阻力，使水头损失增加。而内衬不锈钢复合钢管虽然造价较高，需要专门的施工技术，但管道内部不容易锈蚀，可保证管内水流畅通，减小水头损失[2]。
综合以上优缺点，该工程管材选择采用内衬不锈钢复合钢管。
3.1 设计参照标准、规范
目前内衬不锈钢复合钢管的管材标准为《流体输送用双金属复合耐腐蚀钢管》(GB/T 31940-2015)、《给水内衬不锈钢复合钢管管道工程技术规程》(CECS 205:2015)及《内衬不锈钢复合钢管》(CJ/T 192-2004)。旧版规范适用公称尺寸上限为DN500，近年更新的规范中，GB/T 31940标准管材规格尺寸上限为DN1400，CECS 205标准管材规格尺寸上限为DN1600，CJ/T192标准也已修订并通过审查，产品标准上限目前拟改为DN1400。该工程中所用的内衬不锈钢复合钢管公称尺寸为DN600，施工及检验方法可参照上述标准执行。
3.2 管架做法
该工程过江管大部分悬挂于桥梁下方，桥梁施工时每隔2m左右将连接件同步预埋于挑檐下，管箱吊架与预埋铁焊接连接，底部角钢上设置管座和检修平台，管道置于管座之上，并用管卡固定，除固定端外，管道与管卡之间设置橡胶板，方便管道伸缩。
该工程由于新建复桥T型梁宽度变化较大，采用两种形式的管架：在引桥段采用的管架净宽约0.8m，不考虑检修通道，检修时由路面搭设脚手架进行操作；在江面上方段采用的管架净宽约2.0m，考虑检修通道，施工后将运管小车保留作为检修用途。两种管架形式如图1～图2所示。
图1 0.8m管架做法示意图
图2 2.0m管架做法示意图
3.3 架空段伸缩器设置
该工程管道位于金山大桥新旧桥之间，并悬于新桥挑檐下方，受日照影响不大，但由于管道明露，受外界温度影响仍然较大。根据《给水排水工程设计手册(第3册)城镇给水》[1]中对于管道明设时伸缩器设置间距的计算方法，选取管道安装时温度t1=30℃，最高温度t2=60℃，最低温度t3=10℃，最大温差Δt=30℃，计算出的伸缩器间距最终取值为100m～105m。伸缩器采用SSJB-3型压盖式限位伸缩器。
管道每隔约100m，采用钢管与管座满焊作为固定端，并保证伸缩器位于两处固定端中部。
3.4 排气阀、泄水阀设置
为保证供水管道正常运行及检修方便，分别于悬挂段上、下桥处以及最高点设置了排气阀，并于低点设置泄水阀及泄水湿井，连接排气阀和泄水阀的三通仍采用内衬不锈钢的复合材料，与阀体采用法兰连接。
3.5 上、下桥支墩设计
考虑支墩尺寸及减小水损，架空管段与埋地管段前后均采用<>
4.1 架空管段施工流程
钢构件管箱、运输小车、焊接小车预制→现场施工准备→钢平台基础开挖浇砼→钢平台制作安装→管箱安装→安装运输小车及焊接小车→管道吊装运输、焊接安装。
4.2 管道焊接流程
与普通防腐钢管的焊接方法不同，内衬不锈钢复合钢管焊接分为打底焊、过渡焊、填充焊和盖面焊[3]，如图3所示。
打底焊(焊道1)：采用手工钨极氩弧焊，焊接时采用“ER-309L”焊丝施焊。
过渡焊(焊道2)：选择手工钨极氩弧焊，焊接时选用Φ2.4mm的“ER-309L”不锈钢焊丝。
填充焊(焊道3、4)：焊接时选用Φ3.2mm的J507焊条。
盖面焊(焊道5、6)：焊接时选用Φ4.0mm的J507焊条。
图3 焊道示意图
焊接过程中注意对切口的处理和进行手工钨极氩弧焊时对端口的氩气保护。
4.3 复合钢管与钢制伸缩接头连接
由于纯不锈钢的伸缩接头价格较高，该工程仍采用传统的钢制限位伸缩接头。为防止异型钢材物理、化学性能对焊接造成不良影响，在焊接时也采用“ER-309L”不锈钢焊丝进行打底焊和过渡焊，保证碳钢和不锈钢过渡焊接的性能稳定。
5.1 新旧管粗糙系数比较
金山大桥在原有DN900防腐钢管南岸下桥处设置有流量计和压力表；新建DN600内衬不锈钢复合钢管设计时，在北岸上桥处也设置了流量计和压力表，两个压力表之间距离约1 050m。由于两根管道并联供水，头尾压力基本一致，可利用两处压力表数据粗略估算出管道水头损失。
为比较管道通水能力，取用2016年10月份、11月份，对金山大桥南北两侧的流量及压力数据共61组进行统计，并采用海曾—威廉公式复核Ch值，如式(1)所示：
(1)
式中 h——南北岸压力差，m； q——设计流量，m3/s； l——管段长度，m，按1 050m计； dj——管道计算内径，m； Ch——海曾—威廉系数。
经计算，原有DN900钢管Ch值范围为79.1～90.5，平均值84.5，新建DN600复合钢管Ch值范围为129.9～147.0，平均值138.0。根据Ch值的经验值，新建DN600复合钢管略优于新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管(Ch值130)；原有DN900钢管仅使用16年，却相当于使用30年的铸铁管(Ch值75～90)。经比较可见，原有的DN900钢管在使用过程中过水能力减弱较严重，新建的DN600复合钢管自1月份竣工至取用数据时间，大约运行10个多月，目前水力条件较好，但由于其建成通水未满一年，且无类似工程项目可参照，应对其进行长期流量压力监测，验证其使用效果。
5.2 管道通水能力比较
在核算新旧管道Ch值的同时，也取用了DN600过桥管建成前，2015年10月、11月时DN900管道的流量和压力数据作为比较。
根据所测数据结果显示，2015年10月、11月间，南岸DN900管道下桥处平均压力为0.2MPa，平均流量4 254.5m3/h，2016年相同月份，DN900管道平均流量3 025.6m3/h，DN600管道平均流量1 701.7m3/h，合计流量4 727.3m3/h，南岸DN900管道下桥处平均压力为0.23MPa。由此可见，增加DN600管道后，过桥管日供水量增加1.1万吨，水头损失减小0.03MPa。新建DN600管道过水量约为原DN900管道的0.56倍。
由于该工程在桥梁基础已经开始施工后实施，限制了新建管管径，使新旧管管径差距较大，新建的DN600管道对供水量和过江后的供水水头增加不明显。假设相同材料Ch值基本一致的情况下(DN900现状管道Ch值为84.5，新建DN800管道Ch值为138.0)，新建管道管径为DN800时，代入海曾—威廉公式进行计算，如式(2)所示：
(2)
得出 q2/q1=1.2
即,新建管道为DN800时，通水能力是现状DN900管道流量约1.2倍。
新建DN600内衬不锈钢复合钢管在设计和施工过程中存在着以下3个问题：
(1)采用的伸缩接头材料为碳钢，虽然焊接时采用过渡焊，使两种异型钢材在焊接过程中保留了原有的性质，但在供水过程中随着离子迁移仍会产生电化学腐蚀，降低了不锈钢管材的使用寿命。建议在资金许可的情况下尽量采用不锈钢材质的伸缩接头，以减小内部腐蚀。
(2)该工程实施时受桥梁条件限制，无法放大管径，造成新旧管管径差异较大，过流量和水头增加效果不明显。建议类似工程应与桥梁设计同步进行，确保新建过江管能获得更好的经济效益，更大程度改善两岸供水能力。
(3)内衬不锈钢复合钢管在焊接过程中对接口处理要求较高，同时应进行氩气保护，防止焊接过程中不锈钢材质改变，需要对焊接施工人员进行专门的培训，保证焊接质量。
改善供水条件，保证居民用水安全紧系民生，尝试采用质量更优的新型管材，虽然在短期内增加一次性投资，但从长远来看，如能减小管道内的锈蚀，保持较好的水力条件，也可产生一定的节能效果，节省长期运行费用。金山大桥过江管作为首次选用内衬不锈钢复合管材的试点工程，有着极其重要的意义。
参 考 文 献：
[1] 上海市政工程设计研究院.城镇给水：给水排水设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[2] 李华.不锈钢复合钢管的应用价值探讨和市场前景分析[J].中国新技术新产品,2010(16):134-135.
[3] 刘春艳,张爱芳,肖少平.内衬不锈钢复合钢管焊接[J].化学工程与装备,2010(16):134-135.
The Application of Lining Stainless Steel Composite Pipe in River-crossing Pipeline Engineering
LI Qiusha
(FuZhou CityConstruction Design & Research Institute Co.,Ltd.,Fuzhou 350001)
Abstract：Based on the analysis of the pipe material selection, engineering design and construction methods, this article makes a point that Lining Stainless Steel Composite pipe has low head loss and strong anticorrosion in Jinshan Bridge river-crossing pipeline engineering. In this paper, the actual pressure and flow rate was used to calculate the Hazen-Williams equation coefficient of the new and old pipe material. According to the coefficient, the effect of the new pipe in water passing is discussing. It is the first time to use new pipe for River-crossing Pipeline Engineering in Fuzhou. However, there is lack of experience in the connection of special material pipe and fitting and the special welding process of new materials. What’s more, this article offers some suggestions that using similar material fitting as the main pipe texture like this project in the future, if possible. In addition, it’s better to introduce professionals about the special welding process who using Lining Stainless Steel Composite Pipe to convenient repair and maintenance.
Keywords：Cross-river pipeline; Lining stainless steel composite pipe; Engineering application
作者简介：李秋莎(1986.9- ),女，工程师。
E-mail:241117129@qq.com
收稿日期：2017-01-11
中图分类号：TU991
文献标识码：A
文章编号：1004-6135(2017)03-0088-04
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