淺談新型復合管材在工業輸配水管網中的應用和選型 |
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| 【中文關鍵詞】 | 熱滾塑鋼管 碳鋼不銹鋼復合壁管 雙金屬焊接復合涂塑鋼管 孔網鋼帶聚乙烯復合管 選型 應用 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 【摘要】 | 介紹了新型復合管材，包括熱滾塑鋼管、碳鋼不銹鋼復合壁管、雙金屬焊接復合涂塑鋼管、孔網鋼帶聚乙烯復合管(和鋼絲網骨架聚乙烯復合管)等在工業輸配水管網中應用的情況，并對各種復合管材做了技術和經濟上的比較，可作為實際工程中管材選型的參考。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 【全部正文】 | 1.概述 目前在工業輸配水管網中，焊接鋼管仍是最常用的管材。隨著技術的發展，為克服焊接鋼管易于腐蝕的缺陷，熱滾塑鋼管、碳鋼不銹鋼復合壁管、雙金屬焊接復合涂塑鋼管、孔網鋼帶聚乙烯復合管(和鋼絲網骨架聚乙烯復合管)等新型復合管材開始逐步應用。
本文介紹了上述復合管材在工業輸配水管網中應用的情況，并對這幾種復合管材做了技術和經濟上的比較，可作為實際工程管材選型的參考。
2.各種新型管材的應用情況介紹
熱滾塑鋼管已經廣泛應用于如寶鋼集團等工業系統的工業輸配水管網，在近期竣工的寶鋼集團工程中，熱滾塑鋼管的用量近1000噸，但面臨的主要問題是，由于采用法蘭連接，如施工不當，造成法蘭連接處的錯位，很容易使連接口滲漏，當管道為埋地敷設時，滲漏點難以查找，給日后的運行維護帶來了很大的困難。
碳鋼與不銹鋼復合管由于大口徑管道的工藝尚未完全成熟，僅在穿越地下管廊、管溝、水池等混凝土側壁的防水套管時作為不銹鋼管的替代品使用，用量較少。
孔網鋼帶聚乙烯復合管(和鋼絲網骨架聚乙烯復合管)在廠房外區域內埋地的中低壓輸配水管道中應用。
雙金屬復合涂塑焊接鋼管已經應用于如神華集團等大型工業企業各礦區的長距離埋地輸水管道，最大口徑DN800，輸水總長度已經超過10000m。在大型工業企業密閉式循環水系統輸配水管網的應用上正處于試驗推廣階段，但前景看好。
3.各種管材介紹
3.1熱滾塑鋼管
熱滾塑鋼管是以普通碳素鋼管作為基體、內襯化學穩定性優良的防腐材料的熱塑性復合管道。鋼管可采用焊接鋼管或無縫鋼管以火焰噴涂工藝或自動噴槍噴涂制作，在經過加熱的碳鋼管內部進行涂裝。
熱滾塑鋼管既具有鋼管的機械強度性能，又有塑料管的耐腐蝕、不易結垢的性能，管內壁表面平整光亮、摩擦系數小，又能保證輸送介質的純度等優點。但其本身又有著如下的特點：①熱滾塑鋼管生產時須對鋼管進行高溫預熱處理，因此管道難于現場制作，須在專業制造廠生產，且制作完畢后無法修改；②熱滾塑鋼管必須采用法蘭連接，每根熱滾塑鋼管包括管配件的兩端均有法蘭；③由于采用法蘭連接，管道滲漏水的現象很難避免；④熱滾塑鋼管內壁為滾塑層，在管道外壁不能進行類似焊接之類的熱加工處理；⑤DN50的以下的鋼管較難滾塑，因此當管道公稱直徑在DN50以下時，一般不采用熱滾塑鋼管。
熱滾塑鋼管的制作是完全靠對碳鋼管的加熱來吸收塑料粉末。因此，碳鋼管本身的熱度就決定了塑料粉末涂層的厚度，如碳鋼管溫度不均勻，其吸收粉末的厚度就不均勻，涂層厚的易產生龜裂，脫層，薄的達不到防腐效果，造成管內液體的流速、壓力只要有點變化，其涂層就容易脫落。另外，熱滾塑鋼管目前的內襯防腐材料均為熱塑性材料，膨脹系數與鋼管也不一樣，這也是造成了目前熱滾塑鋼管如果制造不當，在使用過程中當管道熱脹冷縮后會有塑料涂層脫落情況發生的原因。
3.2碳鋼不銹鋼復合壁管
碳鋼不銹鋼復合管是以普通無縫鋼管作基體，內襯各種材質的不銹鋼的管材。目前市場上的碳鋼不銹鋼復合管分為兩種，一種是內襯不銹鋼(304)無縫管的復合管材，經過冷拔復合工藝使不銹鋼管與外面的碳鋼管緊密成形一體；另外一種是內襯薄不銹鋼卷的復合管。前者工藝尚不成熟，市場上的最大口徑一般也只做到了DN150，價格也較高；后者由于是內襯不銹鋼薄卷，如果焊接不當，很容易造成內襯不銹鋼卷與外壁碳鋼管之間脫開，仍會引起管道的損傷和腐蝕，目前實際使用中的最大管徑為300mm，價格也較低。
碳鋼不銹鋼復合管特點在于：①可直接用不銹鋼焊條堆焊連接，也可采用法蘭連接；②管道便于現場修改；③承受的環境溫度可較高。但其技術尚不成熟且價格高，必須用無縫鋼管制作。
碳鋼不銹鋼復合管在使用不會出現復合材料脫落、龜裂，脫層等情況，復合層不會老化，涂層不可能厚薄不均勻, 壓力、溫度、流速變化的情況下，對其內襯的復合材料是沒有影響的。
碳鋼不銹鋼復合管施工技術復雜。碳鋼不銹鋼復合管管道兩端的不銹鋼管伸出外側碳鋼管1~2cm，供焊接時使用。焊接連接時先焊內側的不銹鋼，然后在接口處補鋼帶焊接，一般要焊兩道。
3.3雙金屬復合涂塑焊接鋼管
雙金屬焊接復合涂塑鋼管是目前最新型的復合管材。雙金屬焊接復合涂塑鋼管內壁涂敷塑料防腐層，在管道的端口5-10cm的范圍內襯1mm厚的不銹鋼薄板。該管道的防腐性佳，可保障水質。
雙金屬焊接復合涂塑鋼管的特點是：①連接方式與碳鋼不銹鋼復合管一致，作為焊接本體連接，連接口的強度與鋼管一致，在地質沉降不均時比任何其它鋼塑復合管道的抗壓強度都好；②管道的壓力等級可滿足任何需求；③該管道難于現場制作，須在專業制造廠生產，且制作完畢后無法修改。
施工技術的要求較高，碳鋼不銹鋼復合管的端口均有坡口，采用雙金屬焊接連接時，先用不銹鋼焊條焊接內層不銹鋼，然后用碳鋼焊條焊接外層鋼管。由于在焊接過程中產生的高溫會破壞內涂塑層，應在焊縫熱量影響區用濕棉布包扎，并在焊接時澆冷水降溫。
雙金屬焊接復合涂塑鋼管內涂環氧樹脂，環氧樹脂為熱固性材料，管道制作完畢后，與外側鋼管的膨脹系數接近。可避免熱滾塑鋼管在使用過程中因管道熱脹冷縮造成滾塑層脫落的可能。
3.4孔網鋼帶聚乙烯復合管
孔網鋼帶聚乙烯復合管是以冷軋帶鋼和熱塑性塑料為原料，以多孔薄壁鋼管為增強體，外層和內層雙面復合熱塑性塑料的復合壓力管材。
這種復合管既克服了鋼管和塑料管各自的缺點，又具有鋼管的剛性和塑料管的耐腐蝕性。管道本身又有以下幾個特點：①鋼管架管道本身承受的外壓強度能力較弱，在遭受外力時變形甚至破裂，以及在地面沉降不均時破裂；②DN250口徑以下最大工作壓力通常在1.6Mpa，超過DN250口徑最大工作壓力在1.0Mpa，長期工作溫度應在50℃以下，應用范圍較窄；③連接方式采用熱熔方式連接，施工要求較高。
管線在施工時，由于端口切面中間層的鋼帶截面裸露，在連接前需安裝封頭環，意在將金屬部分與介質隔絕，施工規范要求較高。有時施工方為加快施工速度或降低材料成本，故意漏裝封頭環，或是在熱熔連接時沒有按要求的時間進行電熔溶融，致使連接處只有表層相連，稍擠壓時就會分離，產生滲漏的與沒有安裝封頭環一樣。中間金屬層與介質接觸，金屬會被腐蝕，在其兩側產生銹蝕層，引致PE與金屬分離，導致管道復合層分離部分的受壓強度降低，在實際管線應用上會產生靠近連接部分的管道鼓脹，隨著腐蝕的滲透，鼓脹部分越來越長，最終管道破裂。
在管道連接時如電熔熔融時間不夠，連接也只是表層部分，連接強度不夠，在管道承壓時會滲漏甚至脫開。同時塑料層會被細菌以及老鼠啃噬，引致管道破裂滲漏。
4.技術比較分析
表一為上述各種新型復合管材的技術比較分析。具體如下。
表一 新型管材技術比較分析表
從上述管材介紹和表一的技術比較分析來看，可得出以下的結論。
首先，從管道的可靠性(考慮實際管徑適用范圍、工作壓力、管道強度、水溫度等因素)而言，雙金屬復合涂塑焊接鋼管高于其它三種管道。因為熱滾塑鋼管有滾塑層脫落的隱患；碳鋼與不銹鋼復合管的最大管徑僅為DN300，導致其應用受到了限制，另外如果是內襯薄不銹鋼卷的管道也有不銹鋼卷脫落的隱患；孔網鋼帶聚乙烯復合管因其工作壓力、管道強度及水溫的要求，應用也受到了限制，大型工業輸配水系統的工作壓力有超過1.6MPa的，水溫也有達到50℃以上的。
其次，從管道的連接方式和設置方式來看，對于架空管線而言，上述四種管道均沒有問題。但對于埋地管道而言，由于熱滾塑鋼管為法蘭連接，管道沉降容易引起連接口處錯位，引發密封圈和墊片的問題，從而導致漏水，因此，在埋地管道的設計時，應對熱滾塑鋼管加以注意，或避免使用法蘭連接的熱滾塑鋼管。
5.經濟比較分析
表二為上述各種新型復合管材的經濟比較分析，在表二的比較數據中也羅列了普通螺旋縫焊接鋼管和不銹鋼管的情況。具體如下。
表二 新型管材經濟比較分析表
備注：按照安裝定額，管道的安裝費應按米來計算，現為便于比較，均折合成按噸來計算，表二中的價格為最近工程中實際統計的價格；孔網鋼帶聚乙烯復合管為塑料材質，相同重量的材料可制作2~3倍長度同等重量的鋼管，因此單價做調整，括號中的單價為實際材料價格；碳鋼與不銹鋼復合管是按照了內襯不銹鋼薄卷的價格。
從表二的經濟比較分析來看，對各種復合管道按造價從高到低進行排序分別為碳鋼與不銹鋼復合管、熱滾塑鋼管、雙金屬復合涂塑焊接鋼管、孔網鋼帶聚乙烯復合管。其中，孔網鋼帶聚乙烯復合管與普通螺旋縫焊接鋼管非常接近，而不銹鋼管的工程造價遠高于各種防腐管道的造價。
6.小結
綜合各種因素來看，孔網鋼帶聚乙烯復合管適用于中低壓工業輸配水系統，因其強度較差，建議采取埋地、管廊、管溝的敷設方式，不宜采取架空敷設，在工作環境復雜的工藝主車間不推薦適用；熱滾塑鋼管，可用于各種工作環境，更適用于中高壓工業輸配水系統，但建議明管敷設，以便于檢修，法蘭口如有漏水，可及時發現；雙金屬復合涂塑焊接鋼管，也可用于各種工作環境，更適用于中高壓密閉式循環水系統，既可明管敷設，也可以暗管敷設，優于熱滾塑鋼管，從長遠來看，應是熱滾塑鋼管在循環水系統上的替代品；碳鋼與不銹鋼復合管，具有可現場切割的優越性，但其價格偏高，且工藝尚未真正成熟，可作為熱滾塑鋼管、雙金屬復合涂塑焊接鋼管管路的現合管，以減少熱滾塑鋼管、雙金屬復合涂塑焊接鋼管管路二次安裝的工作量。在實際工程使用時，可根據現場實際情況的變化，采取多種材質的管道相結合的方式，發揮不同管道的優勢，做到技術上優化、經濟上合理。
作者簡介：金亞飚(1975.12- )，男，漢族，籍貫江蘇省常熟市，同濟大學環境工程學院給水排水工程專業本科畢業，學士學位，高級工程師/注冊公用設備工程師，主要從事鋼鐵企業給排水設計和冶金環境保護研究工作，兼任《環境科學與技術》雜志特約編委、《科技創新導報》雜志特約編委。 |
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