输水钢管壁厚设计与腐蚀防护

李彦君，黄明珠

(佛山市水业集团有限公司，广东佛山 528000)

摘要：通过对一定壁厚输水钢管的强度、刚度与稳定性计算分析，阐释了正常敷设条件与荷载下，目前输水钢管壁厚设计存在较多裕量，从腐蚀防护的角度分析了该裕量是为了应对防腐层失效后环境对管壁的腐蚀，得出通过科学设计、合理选择防腐方式并严控防腐质量等措施，可以使管道壁厚适当减薄，可以节省工程投资的结论。

关键词：钢管；壁厚；结构安全；防腐质量

1 钢管的结构安全性分析

以DN800钢管为例，非特殊条件或运行工况要求下，壁厚一般选择10 mm。按照CECS141：2002《给水排水工程埋地钢管结构设计规程》(以下简称《规程》)相关条文，在承载能力极限状态下验算更小壁厚(设计壁厚8 mm，计算壁厚6 mm)钢管管壁截面的强度与稳定性是否能够满足要求，在正常使用极限状态下验算其刚度是否满足要求[1]。

1.1 强度验算

承载能力极限状态下涉及的永久作用与可变作用有：竖向土压力、管重、水重、设计内水压力与地面车辆荷载。地面车辆荷载主要考虑路基施工时运料车辆与辗压机械的轮压作用，刚性混凝土道路成形后，车辆轮压传至管道的作用很小。设定计算参数[2]：钢管弹性模量Ep、重度γst、线膨胀系数α及泊松比υp等物理性能指标按Q235B型板材取定；钢管外径D1为820 mm，计算直径D0为812 mm，设计壁厚t为8 mm，计算壁厚t0采用6 mm(按照《规程》要求，富余构造壁厚2 mm)，设计内水压力按试验压力取0.9 MPa；覆土厚度分1.2 m和2 m两种情况，车辆荷载相关取值[3]按JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》要求取。同时结合《规程》相关要求与方法，依据式(1)～式(3)计算管壁截面的最大环向应力与最大组合折算应力。

σθ=+

(1)

σχ=υpσθ±ψcγQαEpΔT

(2)

σ=η

(3)

式中：σθ为管壁截面的最大环向应力，N/mm2；σχ为管壁截面的纵向应力，N/mm2；σ为管壁截面的最大组合折算应力，N/mm2；N为荷载组合作用下管壁截面的最大环向轴力，N；M为荷载组合作用下管壁截面的最大环向弯矩，N·mm；η为应力折减系数；b0为管壁计算宽度；ψc为可变作用的组合系数；γQ为设计内水压力、地面车辆荷载、地面堆积荷载和温度作用的分项系数。

按覆土厚度1.2 m和2 m两种情况，取应力折减系数η=0.9，计算得ησθ1.2=184.4 N/mm2，ησθ2=183.6 N/mm2；σ1.2=192.2 N/mm2，σ2=191.5 N/mm2。覆土厚度增加引起竖向土压力增加，但地面荷载传至管道的力又会减少，所以各应力值的变化不大。材料屈服强度235 N/mm2，考虑一定安全余量，管身或焊缝的强度按215 N/mm2计算，大于管壁截面需要承受的最大环向应力(184.4 N/mm2和183.6 N/mm2)与最大组合折算应力(192.2 N/mm2和191.5 N/mm2)，因此，按6 mm壁厚计算，强度满足要求。

1.2 环向稳定性验算

按照钢管管壁截面环向稳定性验算式(4)进行验算，其中管壁截面临界压力不考虑土壤抗力,按式(5)计算。

(4)

Fcr,k=()3

(5)

式中：Fcr,k为钢管管壁截面的临界压力，N/mm2；Kst为截面稳定性抗力系数，取2；Fsv,k为管顶单位长度竖向土压力标准值，N/mm；qik为地面车辆轮压产生的管顶处单位面积竖向压力标准值，N/mm2；Fvk为管内真空压力标准值，取0.05 N/mm2;n为钢管管壁失稳时的折绉波数。

经计算，Fcr,k=0.45 N/mm2，式(4)右侧=0.21 N/mm2，满足截面环向稳定性要求。

1.3 刚度验算

依据式(6)计算正常使用极限状态下钢管最大竖向变形，并验算是否满足式(7)的要求。

ωd,max=

(6)

ωd,max≤φD0

(7)

式中：ωd,max为最大竖向变形，mm；DL为变形满后效应系数，取1.3；Kb为竖向压力变形系数，120°土弧基础角，取0.089；Ip为管壁纵向截面单位长度截面惯性矩，mm4；φ为允许变形百分率，当内防腐为水泥砂浆时取0.02～0.03，为延性良好的涂料时取0.03～0.04，综合考虑取0.025;r0、Ψq、Ed分别为钢管的计算半径、可变作用的准永久值系数、钢管管侧土的综合变形模量。

经计算，ωd,max=2 mm，φD0=20.3 mm，符合式(7)，满足刚度要求。

由验算分析可知，在保证管坑回填质量与管道焊接质量达到要求的条件下，从结构安全性上考虑，DN800埋地钢管的壁厚选择6 mm已经可以满足需要，考虑到制造的因素，往往再增加2 mm的构造壁厚，也即8 mm的设计壁厚已有较多的安全余量。而目前通常选用到10 mm壁厚，很大程度上是为了应对钢管防腐层失效后管壁的腐蚀。

2 钢管管壁防腐质量控制分析

2.1 外防腐方面

给水用钢管的外防腐等级有普通级、加强级与特加强级3种，通常的外防腐工艺有环氧煤沥青玻璃布、石油沥青玻璃布、环氧底漆加氯化橡胶面漆、环氧玻璃鳞片漆及更高等级的3PE防腐等，有时视环境条件需要，还会增加阴极防腐的措施。采用防腐工艺前必须做好最基本的除锈处理[4]，除锈不到位，就会直接影响涂层的附着力和涂层质量，防腐质量会受较大影响；此外，涂敷过程要严格按照相关标准的要求执行，层与层之间处理要把控好时间、温度和湿度。

某段输水管工程采用DN1200钢管，总长约1 km，采用支墩承托明装于路边，外防腐采用三层环氧底漆加两层氯化橡胶面漆的防腐方式，管道通水后运行2年就出现多处明显的漆层脱落、管壁锈蚀情况，局部锈斑较严重，打磨后锈蚀深度约0.3～0.6 mm。分析原因在于：(1)生产过程中对管道除锈涂漆没有严格执行相关标准，漆层与管壁间附着力不强，存在空隙与湿气，防腐层没有起到应有的作用；(2)此段管道多处贴地面铺设，周边杂草多，底部长期闷热潮湿、上部干燥，加剧了防腐层的破坏并形成易发生腐蚀的条件。经综合分析研究，对该段管道防腐层进行了翻修，翻修过程中，严格按照标准要求执行除锈打磨与漆层涂敷，对漆层未脱落但粘附力已下降、有开裂或脱落趋势的管段也进行了打磨翻新，修复至今，漆层、管身完好，充分说明了严控钢管外防腐质量的重要性。

2.2 内防腐方面

钢管的内防腐通常采用环氧树脂水仓漆或水泥砂浆，同样有普通级、加强级和特加强级3个防腐等级。

环氧树脂漆是以环氧树脂为主要成膜物质的双组分液体涂料，目前存在一些问题，造成耐久性不强，经水长期冲刷浸泡可能脱落的现象，有的还存在出水有异味等问题。这就要求一方面严格检验漆的性能参数，如纯度、黏度、附着力、柔韧性等，还有必要对管道抽检做浸泡试验，依据《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》检验有无影响水质卫生的析出物，以充分保障输配水水质卫生安全；另一方面要严控涂敷质量，除锈仍是最关键的一步，涂敷过程除了把控好环境条件外，工艺是非常重要的，应采用喷涂或挤涂工艺，可以保证漆层光滑、平整、贴附紧密、无挂流、无划痕。

内衬水泥砂浆方面，目前普遍采用的普通硅酸盐水泥往往含有少量混合材料，来源复杂，成分上必须严检严控，保证水质卫生，近年来有些管厂采用粒化高炉矿粉水泥，由水泥熟料和活性粒化高炉矿粉组成，不添加其他混合材料，可以很大程度上保证内衬的质量和卫生；此外，由于钢管内表面较光滑，附着性较差，两种材料胀缩系数不同，如果涂敷质量控制不到位，在热胀冷缩及外界动荷载长期作用下，就可能发生内衬脱落坍塌的情况，因此，管壁除锈、水泥砂浆配合比控制、喷涂过程、养护等工序必须要严格按照规程要求执行到位[5]。

3 结论

从力学结构分析，目前输水钢管壁厚设计选择存在一定的裕量，很大程度是为了应对防腐层失效后周围环境对管壁的腐蚀，以保证管道所要求的使用寿命。如果能够通过科学设计，选择适合管道敷设环境的防腐方式，并且加强防腐过程监造与检验，充分保证防腐层的制作质量，钢管的壁厚是可以适当减小的，尤其针对一些投资较大的大中型管道工程，将可以有效节省工程成本。

参考文献：

[1] 沈之基. 我国输水钢管同国外的差距及几点建议(二). 焊管，2007(3)：10-12.

[2] CECS 141：2002 给水排水工程埋地钢管结构设计规程.

[3] JTGD 60—2004 公路桥涵设计通用规范.

[4] 王富永. 大内径输水钢管的制造工艺与质最控制. 中国水利，2000(7)：33-34.

[5] 陈娟. 长距离大口径输水钢管的腐蚀防护. 给水排水，2009(增刊1)：409-411.

Water-supply Steel Pipe Thickness Designing and Corrosion Protection

LI Yan-jun,HUANG Ming-zhu

(Foshan Water Group，Foshan 528000，China)

Abstract： Through the calculation and analysis of the strength,rigidity and stability of water-supply steel pipe with certain thickness,the steel pipe thickness designing exists margin in the situation of normal installation conditions and load was explained. Also from the perspective of corrosion protection,that the margin is to prevent environment corrosion after erosion resistant coating fails was analyzed. The conclusion that through scientific design,reasonably choice of anti-corrosion way and strictly controls of anti-corrosin,the pipe wall thickness can be thin appropriately and the engineering investment can be saved effectively was drawed.

Key words： steel pipe;pipe thickness;structural safety；anti-corrosion quality

收稿日期：2014-09-09 收修改稿日期2014-12-16

中图分类号：TU991

文献标识码： A

文章编号：1004-9614(2015)03-0013-03

作者简介：李彦君(1983—)，给水排水工程师，从事给水管网管理工作。E-mail:[e-mail]