秦杰
沧州水利勘测设计院 河北 沧州 061000
摘要:近年来随着沧州各县市农村生活用水置换项目的实施,铺设了大量的中小管径埋地压力给水管道。给水管道的设计包括确定管道设计规模、管材选择、管径计算、水力计算、敷设方式选择、管道布置、结构计算、防腐设计、附属设施设计及水质水压要求等内容。本文以《河间市农村江水村村通工程第一标段初步设计报告》为例重点探讨管材选择、水力计算内容,为工程设计提供参考。
关键词:给水管道设计;管材选择;探讨
引言:《河间市农村江水村村通工程第一标段初步设计报告》铺设乡镇水厂以上输水管道87.6km,管径范围为DN250~DN700, 铺设乡镇水厂以下输水管道105.4km,管径范围为DN100~DN250,工程总投资1.57亿元。管道正常工作压力0.4MPa,dn110~dn315主管材选用HDPE管(PE100级SDR26/17),DN350~DN700主管材选用K8级球墨铸铁管。本文以《河间市农村江水村村通工程第一标段初步设计报告》为例重点探讨给水管道设计过程中的管材选择、水力计算内容。
一、管材选择:目前这种中小管径常用的输水管材主要有球墨铸铁管(DIP)、高密度聚乙烯管(HDPE)及涂塑复合钢管(SP-TEP)等。
(1)球墨铸铁管(DIP)
球墨铸铁是一种铁、碳、硅的合金,其中碳以球状游离石墨存在。近年来国内生产发展极快,规格品种都很齐全,应用日益广泛,管径范围为DN40~DN2600。球墨铸铁管与其它管材相比具有如下优势:
1)抗拉强度高,是一般灰铸铁管的3倍;韧性好,延伸率高。
2)承受内外压能强、有较高的抗震性能和密封性能。球墨铸铁耐压强度为4~5Mpa。其接口为柔性接口,拆装方便、承受局部沉陷的能力好。
3)厂内制造精确度高,安装简单快捷。
主要缺点:大口径球墨铸铁管管件管壁薄,承、插口端易变形;大口径球墨铸铁管(DIP)虽然管材价格较低,但受地形等因素限制,拐点较多,需设置较多管件,而球墨铸铁管件相对价格较高,加之转角处需设置支墩,所需支墩混凝土方量较大,综合造价较高。
(2)高密度聚乙烯管(HDPE)
高密度聚乙烯管(HDPE)不但具有塑料管的重量轻、强度高、耐腐蚀、摩阻小、不结垢、使用寿命长等优异性能,它还具有特殊的柔韧性,极高的延伸率和独特的热熔焊连接方法,保证了管道的整体性,几乎没有渗漏,是有很多其它管材都不具备的优势。HDPE管属柔性管,伸长率、耐冲击性能好,耐化学稳定性和抗高频绝缘性能良好,具有较高的强度及刚度,运输、敷设方便,连接时采用热熔对接,可将管道连接长达数百米进行弹性敷设,可最大限度减少弯头等管件的数量,降低这部分投资,管径范围为dn16~dn2500。另外HDPE管本身优良的耐腐蚀性,不必单独考虑防腐问题,管材寿命可达到50年。在开挖比较困难的河道、公路等地段可以利用HDPE管的非开挖技术进行施工。
主要缺点:大口径管道造价较高。
(3)复合钢管
复合钢管是以钢管为基管,以塑料粉末为涂层材料,在其内表面熔融涂敷上一层塑料层,外壁采用环氧树脂玻璃钢防腐的复合产品。
复合钢管既有钢管的强度又有塑料管耐腐蚀、耐磨损、流体阻力小的优点,是一种新型的给水、抗腐管道。
主要缺点:价格较高,一次性投资大。
(4)管材价格比较
中小管径给水管道的管材选择以DN700-DN100mm为例,对比HDPE管、复合钢管和球墨铸铁管价格如下表:
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(5)管材选择
本工程涉及到的管道公称直径介于DN700~DN100之间,对HDPE、复合钢管和DIP从技术性能、造价、施工等方面进行全面分析比较。
a技术性能:DIP和复合钢管均属于金属管道,耐腐蚀性较差,需做内外防腐处理,涂层质量较难保证,影响使用寿命,而HDPE管自身耐腐蚀性优良,不需做防腐处理。因此HDPE管技术性能更优异。
b造价: 1.0MPa的 HDPE管自DN300管径及以下相对较便宜;管径DN350及以上HDPE管单延米造价比DIP及复合钢管要高。由此看来,DN300管径及以下选HDPE管最经济,DN350管径级以上选 DIP管最经济。
c施工:复合钢管现场焊接难度大,焊口的内外防腐不好处理,由此看来,DIP管和HDPE管更便于施工。
综合分析比较确定,管径为DN700~DN350的管道主管材采用K8级球墨铸铁管(DIP),管径为dn315~dn110的管道主管材采用PE100级SDR17高密度聚乙烯管(HDPE)。
二、水力计算:
水力计算成果的准确性至关重要,水力计算成果直接影响到管径和管道上游加压泵站扬程的大小,进而影响到工程建设期和运行期的投资费用。
长距离有压输水管道局部水头损失一般为沿程水头损失5%~10%,本文主要探讨沿程水头损失公式中海曾威廉系数C的取值。输配水管道沿程水头损失按下式计算:
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式中:h—管道沿程水头损失,m;C—海曾威廉系数,m3/s;Q—管段流量,m3/s;L—计算管段长度,m;d—管道计算内径,m。
以设计流量0.343m3/s,20Km长DN700K8级水泥砂浆内衬球墨铸铁管为例进行计算对比,根据《室外给水设计标准》GB50013-2018,C取120~130;根据《水利水电工程球墨铸铁管道技术导则》T/CWHIDA0002-2018,C取120~140。当C=120时,沿程水损h=22.48m;当C=130时,沿程水损h=19.38m;当C=140时,沿程水损h=16.9m。仅此一段管道沿程水损差值达5.58m,管道上游加压泵站年平均装置效率按70%计算,每年泵站电费差值达19.16万元。因此合理的确定海曾威廉系数的取值很重要。在实际工程设计过程中应重视海曾威廉系数取值的合理性,在规范规定的范围内取值的基础上,应通过收集已正常运行的输水管道工程各节点的流量、压力数据实测值与理论计算值进行对比,以达到合理确定海曾威廉系数,进而合理确定管道水力计算成果。
结语:
在实际工程中,管材类型、海曾威廉系数的合理确定直接影响到工程的安全和造价,给水管道的设计过程中应通过管材技术性能、造价、施工难易程度等方面综合确定管材类型。通过将已正常运行的输水管道工程各节点的流量、压力数据实测值与理论计算值进行对比,合理确定海曾威廉系数取值。
参考文献:
[1]室外给水设计标准(附条文说明):GB 50013-2018[S],2018.
[2]水利水电工程球墨铸铁管道技术导则:T/CWHIDA 002-2018[S],2018.