中国超级输水钢管的创新及其实践(上).doc

中国超级输水钢管的创新及其实践（上）创新篇明天的球铁管摘要：滑入式柔性接口、牺牲阳极保护技术、水泥砂浆防腐涂层、柔性管管厚设计，这4项成熟的老技术，给一些新元素后着陆输水钢管，发力了新的功能，由此导致钢管线爆裂的主要原因现场对接焊缝、制约钢管寿命的电蚀及腐蚀运动，都能很彻底地被排除，钢材的优秀性能也因此被充分发挥，一种性能特优、成本特低的新型输水钢管就自然地被发明，这就是中国超级输水钢管。关键词：滑入式柔性接口；牺牲阳极保护技术；水泥砂浆防腐涂层；柔性管管厚设计；超级输水钢管。Abstract: Push-in slip joint，sacrificial anode protection，cement mortar lining，flexible thickness design of pipe are 4 mature and proven techniques. These techniques combined with new elements are put into water main and boost new function. This technique revolution results elimination of the factor of steel pipeline crack, such as felde butt joint seam, electrolytic corrosion that reduce steel pipe service life. Therefore the character of steel is fully played to, a new type of water main of extraordinary performance, and low cost is invented: Chinese supreme water supply steel pipe.0. 前言 上世纪八、九十年代，中国许多大城市进入了从远处优质水源地引水的发展时期，很多长距离引水管线，管材比选后最终采用钢管；大口径输水钢管线的现场连接是在沟槽条件下的对接焊接，因现场条件复杂多变，总有一部分接口，因为难以为焊工提供必要的安全操作空间时间，结果焊缝存在或隐藏缺陷，许多管线投入运行后不久就发生焊缝开裂，爆管事故；考虑到球铁管、混凝土压力管都采用柔性接口，运行安全可靠，特别是管体品质相对较低的混凝土压力管，在中国的多次大地震中，因为采用柔性接口，它们的表现较金属管还要好，国人就形成了输水钢管也应该采用柔性接口的思路，这样的思路很快以输水钢管成品化的理念提出并进入技术攻关；2003年，上海成功试制出DN2400钢管滑入式柔性接口（1. 2），新建埋地输水钢管应该且可以应用柔性接口的声音也得以在上海供水业中唱响。20042006年，上海建设一条DN2400输水钢管线，试用并应用柔性接口的条件形成；但因为一些中国潜规则，责任者跳过必要程序，强行采用性能较低扩胀成型滚入式柔性接口，结果150个接口有60多个接口漏水，造成了中国供水事业上少有的大事故（3）；事故责任者为隐蔽事故，拒绝事故总结，封杀钢管柔性接口技术发展机会，上海供水行业中也就此出现“不要用创新技术，用成熟老技术太太平平好”的消极论调，一度最有希望成为中国输水钢管成品化的突破口的上海，也就此陷入不能动弹的 困境。 困境中的2006年，美国一个信息传到中国：2004年，美国一个以水管为主打产品的钢管公司推出了低碳经济新世纪的新系列产品“supermail”，国人将钢管成品化理念同它对照，两者的内涵方向一致，而且中国有可能可以做得比美国的 “supermail”还好一点点，因为中国推进这个技术，不仅是钢管公司的兴趣和发展需要，这个技术是在中国的展开，首先是以供水业主立场和经验出发的；美国“supermail” 是超级钢管的意思，中国既然有能力做得出美国水平钢管而且到还可以好一点点，那么中国就应该由此开始，将成品化理念提升为中国超级输水钢管的创新理念。中国超级输水钢管，是一个学习和赶超美国新世纪新产品的项目；中国超级输水钢管，具有球铁管的全部优点而失去了 它的最大缺点-用材料多、价格高，所以也是一个 球铁管升级的项目。1.中国超级输水钢管 滑入式柔性接口、牺牲阳极保护技术、水泥砂浆防腐涂层、柔性管管厚设计，这4项技术，在生产实践的许多领域中，特别是在埋地输送管线领域，都已经有一定程度的应用，是非常成熟的老技术；从众多的成熟老技术中选上这4项技术，给一些抗排异或耦合元素后移植上输水钢管，这些技术着地后重新组合，互补效应得到展开，发力了新的功能，由此导致钢管线爆裂的主要原因现场焊缝、制约钢管寿命的电蚀及腐蚀运动，都被很彻底地排除，钢材的高强度、高韧性这些优秀性能也因此被充分发挥，一种安全性更高、寿命更长、施工更方便、用材料更经济、成本特别低的新型输水钢管就自然地被发明，这就是中国超级输水钢管。2. 滑入式柔性接口 2.1 滑入式柔性接口对超级钢管的贡献目前，在中国目前应用最多的埋地输水管材，球铁管、塑料管（大口径PVC管）、玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP），全都采用滑入式柔性接口连接；滑入式接口性能可靠，施工方便，价格低廉，是对输水管材贡献最大的一项成功技术，没有滑入式接口就没有今天的输水管材。中国目前只有钢管线还采用对接焊接；在发达国家，如美国，埋设输水钢管线的首选连接，也已经进入了柔性接口时期，对接焊接已是高成本接口，只在苛刻工况下应用（钢管壁厚19毫米以上或管线工作压力2.8Mpa以上）；输水钢管要有发展，就一定要认识滑入式接口，接受滑入式接口；美国最新推出的超级输水钢管就采用滑入式接口，滑入式柔性接口技术是超级输水钢管的最重要技术支持，没有它就没有超级输水钢管。2.1.1 采用滑入式柔性接口，就不再需要现场对接焊焊接操作，完全彻底地消除了现场对接焊缝，使输水钢管线爆裂事故的最主要原因得以彻底排除；2.1.2 滑入式柔性接口改变了钢管线的电气模式，再不是长长的金属导线，成了一条金属碎片，非常彻底地排除了钢管线成为杂散电流回路的机会，消除了管线的电蚀破坏；它还使可能发生的腐蚀电池的最大阴极区，限制在一根管子的范围内，这样的腐蚀电池强度较低，可以很方便、又非常可靠地被完全控制；世界闻名的球铁管公司对钢和铸铁的腐蚀特性做了大量试验，结果是在蒸馏水、自来水中，钢和铸铁的腐蚀速度是非常接近的，在海水中，钢的腐蚀速度大约是铸铁的一倍（4），一个生产铸铁管的著名公司提出这样的试验结果，应该是可以认可的；由此可以做这样的推断：在土壤中，钢的腐蚀速度应不会高于铸铁的一倍；现在埋设钢管线腐蚀穿孔的速度这样厉害，主要是因为钢管线的电气模式造成的，是钢管线可以成为杂散电流回路，是钢管线可以形成宏腐蚀电池；当柔性接口改变了钢管线的电气模式，钢管线的腐蚀特性将是一个新的面貌，将可以有同铸铁管线相近的腐蚀速度，不再会有几年就发生腐蚀穿孔的行为。2.1.3 滑入式柔性接口技术改变了钢管线的力学模式，不再是细长的连续梁，而是由几十个、几百个或更多个可以相对转动环节构成的柔性长链，钢管线因环境温度变化引起的纵向伸缩应力、不均匀沉降引起的纵向弯曲应力，可以完全释放；某个钢管公司在向外推广柔性接口的文件中有这样的说法：根据“国家规范”计算管壁厚度，柔性接口钢管可以比刚性（焊接）连接钢管减薄管壁厚度25%以上。2.1.4 滑入式柔性接口改变钢管线的施工模式，使钢管线施工成为较球铁管施工还要方便、有效的施工；滑入式柔性接口钢管，只要插口对准承口后，将插口推入承口，就完成管线的连接；这样的超级输水钢管，单位长度重量是球铁管的一半，施工配备的吊装、运输设备可以较球铁管小一个档次，能以较球铁管更短的时间完成施工，钢管线将成为施工成本最低、施工工期最短的管线。2.2 滑入式柔性接口发展与制约 滑入式柔性接口技术是从铸铁管接口开始并发展的；铸铁适合浇注，能形成形状尺寸合适的环形沟槽放置胶圈，支持滑入式柔性接口的发展，目前DN2000的球铁管也可以采用滑入式柔性接口；铸铁浇注的制品，有较大的尺寸公差，管口径越大尺寸精度就越难控制，这又限制了滑入式接口的发展，所以更大口径的球铁管没有能发展采用滑入式柔性接口；DN2000球铁管滑入式接口,插口公差是2.0毫米 4.0毫米（球铁管其他形式柔性接口，如机械式柔性接口，这个档次口径的插口公差要求相对较低，为4.0毫米5毫米），此时胶圈的宽度已达到85毫米，压缩部厚度达到49毫米；口径更大的球铁管尺寸公差无法控制到2.0毫米4.0毫米，就没有能采用滑入式接口技术。2.3 钢管滑入式接口的关键 钢管采用滑入式接口需要解决的关键问题, 是如何制作出性能可靠、制作成本又非常经济的滑入式接口；输水钢管是由钢板滚圆、焊接制成的，要在其端部作出形状尺寸合适的胶圈沟槽是有相当难度的；在钢管滑入式接口开发中，先行者曾采用在钢结构工厂中，先预制承口或插口，之后再焊接在钢管端部的方法，也有工程师提出钢管端部采用中频加热后再造型的方法；这些方法麻烦且费用高，没有能发展到生产应用，钢管要发展滑入式接口，必须能够找到制作方便、费用低廉、性能又可靠的滑入式接口技术。2.4 创新点 对接口的线型优化，在确保可靠密封的前提下，使线型尽可能地平缓、简单，达到在常温条件下，就可以在钢管端部，用辗轧、挤压或者用焊接钢筋的等等高效率且不损耗材料的经济方法，形成一个或多个放置橡胶密封圈的环形沟槽，这就是超级输水钢管核心技术。2.5 有较球铁管柔性接口更高的能力 优化的线型、合适的制作技术，使钢管柔性接口，能够较球铁管柔性接口有更高的尺寸精度，可以适用更大口径，接口使用的材料更少；辗轧成型，模块定型的制作技术，可以使DN2400这样大口径的钢管承插口的尺寸精度达到 1.0毫米，为采用滑入式接口提供了必要条件；2003年，上海xx公司、上海xxx公司合作，采用辗轧成型，模块定型的制作技术，完成了DN2400瓮型承口的Y型滑入式接口的生产级制作试验和泵压试验，这是到目前为止国内外文献报道中，口径最大的、性能可靠并达到生产应用程度的钢管柔性接口（4）。下图就是试验接口的示意图。3. 牺牲阳极保护技术的单元化阴极保护是埋地金属管线必须采用的技术，其中牺牲阳极保护得到广泛且成功应用，但目前的“阳极组-填充包-连接电缆”应用模式还是存在可以改进之处的。3.1 创新点 所谓牺牲阳极单元化，就是每根管子在工厂制作过程中就安装上一个或多个牺牲阳极，将目前牺牲阳极的“阳极组-填充包-连接电缆”这样应用模式，给予简单化。单元化模式实际上是最原始电化学保护模式，铁制大海船在船壳上安装几个锌块，防止海水对船壳的腐蚀，电化学保护技术就是从这里开始的；埋地金属管线的电化学保护，从“阳极组-填充包-连接电缆”返回到这样的最原始应用模式，不能看成仅仅是简单化，这是充分认识埋地输水钢管腐蚀特性基础上的一种量身裁衣的精心设计； 3.2 单元化模式的优势 单元化模式，较目前常用模式，有保护充分及时、系统安全可靠、实施方便经济等优势;单元化模式，同柔性接口技术的组合，使每个阳极的保护范围只是一根管子，被保护管子外壁任何点离阳极最远距离，不会多于半个管长，保护强度就非常充分；原来的阳极组模式，通常一个阳极组可保护钢管一百米上下，被保护管外壁离阳极较远处可达50米上下，较远处保护强度就较低，运行中甚至有可能出现保护强度不达到标准；单元化模式，管子只要下到沟槽，阴极保护机制就及时启动；管外防腐层上任何微小的、难以被发现的缺陷，在运输、吊放操作中产生的微小损伤，这些微小缺陷、损伤就会及时得到保护；阳极组模式要在管线埋设之后才能安装，通常保护启动总要滞后一段时间；单元化模式，阳极紧密地附在管上，随管子一同深埋地下，不会出现因连接电缆中断，阳极被挖走等等的导致保护失效的 损害，系统运行极其安全可靠；单元化模式，不需要阳极组选点、埋设、电缆连接等等野外工作，阳极安装在工厂条件进行，可以采用高效经济的安装方法，实施较野外操作方便经济得多。3.3 牺牲阳极单元化与外防腐层的互补效应 易腐蚀是传统埋地输水钢管线的最重大的缺点，其中外腐蚀一侧，最厉害因子是杂散电流的电蚀，其次电化学腐蚀；当输水钢管采用了滑入式柔性接口，钢管外防腐层质量是达到标准的，加上牺牲阳极单元化技术，三者相互支持，那么输水钢管的外防腐就可以得到完美的境界。4. 聚合物水泥砂浆组合内防腐层实践表明 ，水泥砂浆内防腐层是金属输水管线（球铁管、钢管）最好的内防腐层，超级输水钢管应该有最好的水泥砂浆防腐层设计。4.1 创新点 所谓聚合物水泥砂浆组合内防腐层，就是低聚合物水泥砂浆的基础层和高聚合物水泥砂浆表面层组合成的内防腐层。聚合物水泥砂浆技术在建筑防水上应用已经非常之多，但在金属水管内防腐上组合应用，中国目前未有报道。4.2 水泥砂浆防腐层现状 目前虽然种种高品质的合成树脂防腐层已开发应用，但对于输水钢管的内防腐层来说，水泥砂浆衬里防腐层仍然是最好的选择；水泥砂浆有着独特的防腐机制，通常的涂料、树脂防腐层是通过绝缘隔离作用达到防腐的；水泥砂浆衬里防腐层有一定的隔离作用，但更主要是通过调整钢材表面环境来达到防腐的，水渗过水泥砂浆层到达钢材表面时，已成为PH高于12的溶液，钢材在这样环境中不再腐蚀。2004年，美国一个钢管公司的20个输水钢管工程，其中内防腐采用水泥砂浆衬里为16个，采用涂料、树脂的仅4个。水泥砂浆的外观没有其他涂料漂亮，很多很多的防腐场合它是不合适的，但对水管内防腐来说，正是它扬长补短的发挥之地，对于水泥砂浆衬里这项技术不应因它开发较早、材料普通、外貌不扬而轻视；4.3 组合内防腐层的互补机制 低聚合物水泥砂浆基础层，保持了水泥砂浆防腐层的全部优点，并提升了防腐层同管壁的结合力和韧性，减少了防腐层厚度；低聚合物水泥砂浆基础层，在工厂中采用管子自身高速旋转的离心方法施工，材料在1025个重力加速度作用下施上管壁，涂层致密且同管壁结合好，达到最好品质水泥砂浆防腐层水平；高聚合物水泥砂浆表面层，有同其他合成树脂防腐层相似的性能，能接受水流冲，在侵蚀性水中保持稳定；这种组合内防腐层兼有水泥砂浆防腐层和合成树脂防腐层的优点并消化了它们的缺点，输水钢管的内防腐水平同样提升到完美的程度。5.柔性管管厚设计 输水钢管在接口，外防腐，内防腐三个方面，能够成功采用目前输水管线最有价值的成功的技术（滑入式柔性接口、牺牲阳极保护技术、水泥砂浆防腐涂层），那它的安全可靠、长期寿命、施工方便和用材经济程度，将必然较中国目前的技术上升一个或多个档次，也可以说达到超级输水钢管水平，但如果仍然采用较厚的管厚，那还不能说是完美。5.1 中国钢管管厚现状 中国目前大口径输水管线中，钢管是极有竞争力的品种；在城市供水系统，DN2000及以上口径的管线，大多数采用钢管，DN10002000口径的管线，也较球铁管有更高竞争力更多的应用；国外大口径输水管线也同样看好钢管，许多输水管线采用钢管；在同样工况条现状中的件下，中国采用的钢管厚度，要较国外工业国厚，特别是同美国比较，要厚50%或者更多（5）。5.2 非常保守 中国输水钢管工程实践在设计方面是非常保守的，按国家规范计算出的厚度也不敢采用；上世纪80年代公开发行的“给排水工程结构设计手册”，是中国多个最有权威专业工程设计院按规范编制的，在该手册中列出了钢管管壁厚度设计参考表，表中可见，在工作压力0.5Mpa、复土2.0米工况下，DN2200设计厚度是1011毫米，DN1200设计厚度是7毫米，可是中国在该时期（含2003年施行新标准“给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程 CECS 141 2002”之后直到现在）建设的输水管线工程，没有一个能用这样水平的厚度，都采用较厚的管厚，DN2200都采用14毫米这样水平的厚度，DN1200都采用10毫米这样水平的厚度，或者更厚一点，较手册所列多几个毫米；如上海在上世纪90年代建设的一些大口径钢管管线，工作压力不到0.5Mpa，覆土2.0米之内，DN2700采用管厚18毫米，DN2200管厚14毫米，还认为这样管厚比传统经济了，是敢于挑战传统、承担风险的；设计保守是情有可原的，因为这些年来采用这样比较厚的钢管线也经常爆裂，而很多爆裂事故的原因又没有能得到认真追查。5.3 管厚设计三步曲 中国目前很多业主工程师、设计工程师，都非常重视管厚，工程中争取采用较厚的管厚，认为这样工程的安全性就高了。在提高工程安全性的措施上，如果考虑到多年来输水钢管线事故大部分是现场对接焊缝开裂，那么首先要考虑的就是解决现场对接焊缝；一个是采用柔性接口，能够达到没有现场对接焊缝，一个是给管厚多23毫米，二者之中只能选择一个，那工程师们会选那一个呢？那自然应该选择前者。中国超级输水钢管在管厚设计上将会分三步走，第一期采用目前通常用的管厚，第二期，管厚敢于采用国家规范所计算出的管厚；第三期，采用国外先进国采用的管厚；期望第一、第二期能在二、三年甚至更短时间内走过。6. 采用柔性接口的不锈钢输水钢管，是中国超级输水钢管的重要一章。当不锈钢管采用柔性接口后，不再需要现场焊接, 就可以充分发挥不锈钢材料的强度优势和耐腐蚀优势，采用更合适的较薄管厚，大约是传统管厚的三分之一到二分之一，这样管线成本将大大下降，安全可靠性又大大提高。埋地输水钢管口径较小一侧（DN1200以下），一定很快有不锈钢管的应用，柔性接口不锈钢输水钢管是中国超级输水钢管的重要一章。7.中国超级输水钢管较美国超级输水钢管的进步点2004年，美国一个以水管为主打产品钢管公司，推出了输水钢管系列产品，其标记用“supermain”，意思是最高级的水干线；输水钢管进入系列产品时期，表明柔性管管厚设计、合成树脂防腐层、柔性接口等优秀技术的应用程度深化，不再仅仅是设计院在设计中采用、钢管制造商按合同制作、用户工程接受；如同球铁管一样，制造商按有关规范编制系列产品，高效率低成本地批量生产，这些系列产品，施工较球铁管还方便，用材又非常经济，如DN1200, 采用管厚是5.1毫米，其工作压力1.0Mpa，外压承受能力相当复土10米以上, 这样性能的管子对供排水系统来说，差不多所有工况下都是合适的；中国超级输水钢管，除了含有美国超级输水钢管的种种优点外，还有自己的新特点。7.1 中国超级输水钢管的柔性接口更丰富、有效 。 中国超级输水钢管将有多种柔性接口形式，比美国更丰富，其中瓮型承口的Y型滑入式接口适应不均匀沉降能力更强大，适用的口径更大，用材料更经济；这样水平的钢管柔性接口迄今为止未见文献报道。7.2 同球铁管实现零障碍通用 采用瓮型承口滑入式柔性接口，可以同球铁管实现零障碍通用，也就是说，钢管可以当作球铁管插入球铁管承口，完成管线连接；球铁管也可以当作钢管插入柔性接口钢管的承口，完成管线连接；发展中的柔性接口钢管，在DN2000以下口径，将含有城市供水专用系列（其他行业也可用），它同现在中国的城市供水的管线系统，实现完全相容。7.3 单元化牺牲阳极保护技术 钢管外防腐的牺牲阳极保护，采用单元化模式，也就是每根管子在工厂制作过程中就安装上一个或多个牺牲阳极，迄今为止未见文献报道；单元化模式使牺牲阳极保护更加充分有效，成本更低。8.结束语 我们习惯以材质为主线来评估管材，对埋设输水管线来说，如果能够以管线的力学模式、电气模式、施工模式为主线来 评估管材，对管材可以有更深入确切认识，特别是在今后管线的安全运行方面，可以有更切合实际的评估。将埋设管线的力学模式、电气模式、施工模式作一下比较，可以看到，超级输水钢管同中国现用对接焊输水钢管是完全不一样的，所以超级输水钢管的理念技术，是输水钢管发展中一次脱胎换骨级别重要发展。当我们将超级输水钢管同球铁管作比较，可以看到，两者的力学、电气、施工模式是完全一致的，因此，超级输水钢管也应该是球铁管发展中的自然一章；超级输水钢管与球铁管的最主要不同是：球铁管是浇注工艺，内外表面具冷脆特性且有皱折裂纹等浇注缺陷，这些缺陷在管体强度构成中产生负作用，所以球铁管不得不采用较厚的管厚；钢板因多次辗轧，材质均匀表面光滑平整，材料强度特性可充分展开，不需要为冷脆裂纹打补丁，按中国有关埋地管道结构设计规范，同样工况下，钢管的厚度大约是球铁管的一半上下。超级输水钢管非常彻底地解决了传统钢管线环向爆裂多和易腐蚀问题，应该完全有信心对球铁管说：你一直是表现最好的输水管材，可是在低碳经济的新时期，你就显示了费材料、费能量的缺点，这个缺点将不会被人轻看，我是你当然的升级替代者。参考文献： 1. 沈之基 改革大口径输水管线制作工艺实现管线成品化施工 钢管 2002.2 p102. 沈之基 输水钢管用Y型接口及钢管的成品化 焊管 2004.6 p42453.沈之基 输水钢管线柔性接口必须尽快给以规范 城镇供水 2011.6 p57614.久保田铁工株式会社 管 第11版昭和61年久保田铁工株式会社出版p3739 5.沈之基 我国输水钢管同国外的差距及几点建议（二）-美国与中国输水钢管壁厚设计理念的比较焊管 2007. 2 p1013作者简介：沈之基（1941-），男，高级工程师，长期从事管道技术工作，多次获上海市科技成果奖，现退休；