市政排水管管材的设计选型(HDPE管与球墨铸铁管选型比较).doc

市政排水管管材的设计选型
——HDPE缠绕增强管与球墨铸铁排水管选型比较
在排水管网设计中对管材的选型同其他任何产品一样主要从技术和经济两方面加以综合考虑，埋地排水管的用途是在重力的作用下把污水(生活污水、生产污水或雨水等输送到污水处理厂或江河湖海中去，输送的是无压重力流体。因此，管材选型的技术性能要求主要体现在如下几个方面：1)强度和刚度——承受埋地环境下的荷载的能力；2）水力特性——输送液体的能力；3）密封性——不泄漏，防止对环境污染；4）使用寿命——耐腐蚀、抗磨损；5）如果敷设在软地基，则管材需具备在软地基条件下良好的适用性
在满足上述设计技术要求的前提下，再综合考虑以下经济因素进行管材选择：1）管材管件价格；2）施工费用，包括运输费用、当地劳动力价值、施工辅助材料及施工设备费用；3）工程的使用年限；4）工程维修费用等综合的经济性比较。
基于上述管材设计选型要求，下面以HDPE缠绕增强管与球墨铸铁排水管来进行选型比较。
强度和刚度：
我们直觉的思维会简单的认为球墨铸铁排水管在强度和刚度上要远大于HDPE缠绕增强管，事实上就管材本身的单体强度和刚度而言，确实如此。但是排水管网系统并不是单体的简单组合，而是需要与围护土体一起组成一个整体的结构来维系管网的功能和应用。
如下面的柔性管与刚性管受力结构示意图和承载示意图所示，可知柔性管（对于柔性管而言：埋地条件所需力学应力的主要变形模量

受力结构示意图

承载示意图
由“管土共同作用”提供）与刚性管的承受负载的机理完全不同，HDPE
缠绕增强管则属于柔性管,其结构刚度小于管体周围土体的刚度，在受外压负荷时,它正是利用其良好的弹性变形能力和紧密回填其周围的土壤形成一个良好的受力结构，当管材受到正上方的载荷时，管材将发生横向变形，将力分散至周围土壤形成一个共同受力结构。塑料管材从埋地到实际应用时将要经历四个阶段变形，一、当回填土填至管材一半口径高时，管材纵向成椭圆形（DI /DY＜5%）；二、回填土到达管顶0.5米以上时，管材恢复圆形；三、当重载荷通过管材上部时，管材将横向变形并将力传递给周围土壤，管土共同作用承担载荷；而且这样的横向变形使得管道上部土体形成拱形，即土柱作用消弱了静荷载对管体本身的作用；四、当载荷离开时，管材恢复圆形。HDPE缠绕增强管道的异性结构壁在埋地后能有效抑制纵向变形；柔性管在受压破坏之前可以有较大的变形,而刚性管不可能有,同样外压负载下柔性管管壁内的应力较小,它和周围的回填土共同承受负载,因此HDPE管不需要和球墨铸铁排水管一样的强度和刚度,在合理的刚度下,完全可以达到使用要求，只要保证回填土的密实度达到要求，HDPE缠绕增强的埋深可达到20米。
综上所述，由于作用基理的不同，HDPE缠绕增强管的管系结构整体强度和刚度并不低于球墨铸铁排水管，在接口位置的强度和刚度还要优于球墨铸铁排水管。
水力特性
在水力特性方面，HDPE管由于内壁光滑，输送液体时比摩阻明显小于球墨铸铁排水管，HDPE管的内壁粗糙率为0.0096，而球墨铸铁排水管为0.013,因此,在相同的条件下,HDPE管的输水量可比球墨铸铁排水管提高30%,实践证明,在同样的坡度下,采用直径较小的HDPE管就可以达到要求的流量。同时球墨铸铁排水管在使用一段时间常在管道内发生微生物腐蚀出现长草、根阻、积淤等现象，大大减小管道的通流能力，并且需要不断维护。
密封性
在密封性方面，HDPE缠绕增强管采用承插式电熔焊接压力管道的接口连接方式，安装操作速度快、无泄漏，真正实现了重力流管道的零泄漏。而球墨铸铁排水管接口一般采用柔性接口，用橡胶圈密封，因此在保证密封性实现零泄漏方面是比较困难的，同时这种接口密闭性对管道偏转角度有严格要求，一般在1度到3度之间，如地基不均匀沉降，连接处就有可能被破坏，污水泄漏从而造成对地下水和土壤的污染。
使用寿命
使用寿命、耐腐蚀方面，HDPE缠绕增强管的优点最为突出，埋地排水管生活污水和雨水常带有腐蚀性（雨水流过地面时常常溶入腐蚀性物质），或成酸性或成碱性，生产污水如工业排水更是带有强腐蚀性，HDPE管的耐腐蚀性远胜于金属管，同时，HDPE缠绕增强管的抗磨损性能也很好，是金属管的5倍，在欧美等较早命名用 HDPE管的地区,HDPE管材的寿命已被证实超过50年，而球墨铸铁排水管为了解决腐蚀问题采用了内衬及外敷技术，即内衬水泥，外敷锌层+沥青漆具，采用这种方式能适用绝大多数的土壤埋设，同时这种防腐方式已成为一种标准模式。一直走在世界防腐研究前列的圣戈班穆松桥在通过研究后发现球墨铸铁管仍然存在电化学腐蚀和微生物腐蚀，目前的防腐措施只是延缓腐蚀的进程，而正常的使用寿命只有20-25年，也就是说在50年的设计使用寿命期内要进行二次投资。
在软地基条件下良好的适用性
根据以后的工程实践经验，在软地基地区敷设埋地排水管道，均会遭遇到如下的一些不可避免的困境：
1、基坑的开挖存在很大的施工难度，基坑支护难度加大，而且局部地区不宜采用放坡开挖。
2、如果局部地区再存在地下水位高，排水难度较大，难以彻底排水，则沟槽成型、测平、敷底难，管道标高难以控制。
3、由于淤泥地质的地基承载力较差，无法达到管道基础平台敷设的要求，如
果采用自重大球墨铸铁排水管需进行深基处理，措施复杂，费用高，且实施可行性小，同时在不均匀沉降过程中标高容易错位，破坏密封性，漏水、甚至引起塌陷，造成工程投资利用率低，工程使用寿命短。
4、因排水管网系统传统接口方式的整体性差，对软地基区域易出现的各种不均匀沉降适应性能差，接口的这种不适应性形成的泄漏，会影响到整个管网系统稳定性，严重影响管网的运行。
5、而球墨铸铁排水管作为钢性管在埋地敷设过程中，对基础要求严格，同时采用承插式柔性连接抗沉降能力差，管材在施工过程现场需进行挖孔、剪切等二次加工相当困难。管材重、对于机械依赖度大，同时施工较慢。球墨铸铁排水管在存在不均匀沉降或地震频率较高的地区埋设时，容易造成接口脱接等现象，必要时还必须对其进行探伤等检查，如果出现损坏无法修复，必须进行换管等二次投资。
综上所述，选用自重较大且需要复杂软基处理的球墨铸铁排水管显然是不合适的，而HDPE缠绕增强管作为柔性管材，具有变形能力强、柔韧性好、适应不均匀沉降能力强、耐腐蚀和耐磨损能力强、重量轻等诸多优点，DN300的管道在170米左右就可以弯成一个圆，适应承降能力极强。管道环刚度高，能承受一定外压，可满足设计要求。同时对基础要求较低，不需要对地基进行复杂处理，相比球墨铸铁排水管，要节约大笔基础处理费用，况且施工方便快捷，有利于降低施工费用和施工周期。因此，在软地基区域敷设埋地排水管采用HDPE缠绕增强管是技术先进和经济合理的必然选择，也是未来的趋势。
综合经济性
依前述可知管材综合经济性主要有以下四个考核指标： 1）管材管件价格；2）施工费用，包括运输费用、当地劳动力价值、施工辅助材料及施工设备费用；3）工程的使用年限；4）工程维修费用。下面我们选取公称管径DN1200从四个方面来进行综合比价。
HDPE缠绕增强管（DN1200） 球墨铸铁排水管（DN1200）
1）管材单价：2820元/米 2289元/米
2）施工费用：123元/米 235元/米
3）工程的使用年限：50年 25年
说明：HDPE缠绕增强管使用年限五十年，而球墨铸铁排水管用于污水系统最高使用年限25年，据此球墨铸铁排水管50年使用期内要再进行一次投资，不考虑通膨影响及原有系统的拆除费用，球墨铸铁排水管在50年内总投资是现有投资的2倍，即（2289+235）×2＝5048元/米（一次投资建设费用为2524元/米）。
4）工程维修费用：由于HDPE缠绕增强管具有内壁光滑的特点，根据对HDPE缠绕增强管的使用现状的调查，HDPE缠绕增强管管道内沉积物较少，对于这些沉积物，只需要利用最便捷的竹片疏通管道即可，大大简化了排水管道后期养护中的一大难题。因此在工程维修费用比球墨铸铁排水管要节约50%以上。假定HDPE缠绕增强管寿命期维护费用每米为500元，则球墨铸铁排水管寿命期维护费用为每米1000元
对上述四项综合后的单价如下:
HDPE缠绕增强管:3443元/米 球墨铸铁排水管：6084元/米
可知球墨铸铁排水管的综合单价是上面的综合单价是HDPE缠绕增强管的2倍，且尚未考虑沿管道敷设长度方向上的地质变化，如遇软地质，则球墨铸铁排水管施工费用因要对地基进行处理而大幅度增加。HDPE缠绕增强管有良好的软地质适应性，由于质轻整体性好，遇软地质时对地基只需做简单处理。
另外球墨铸铁管目前国内能生产的口径较小，如果需要生产大口径时，生产成本要成倍上升，无论是对生产者还是使用者都相当的不合算。
经过选型比较，HDPE缠绕增强管无论在性能上还是在综合费用上都要优于球墨铸铁排水管，因此设计选型应优先选用HDPE缠绕增强管。

福建纳川管材科技股份有限公司
二〇一一年十一月十日