上海市原水股份有限公司
沈之堅

　　提要 輸水鋼管線建設(shè)中，將現(xiàn)場工作盡可能轉(zhuǎn)移到工廠，以避開惡劣環(huán)境和氣候的影響，以利新技術(shù)采用和機械化生產(chǎn)，從而確保管線質(zhì)量和降低成本。這個轉(zhuǎn)移就是鋼管生產(chǎn)的成品管化。這是輸水鋼管發(fā)展的一個重要臺階，是球鐵管、玻璃鋼管、鋼筒混凝土管等管材已經(jīng)完成而不再具有的機遇。
　　關(guān)鍵詞 輸水鋼管 成品管化

1?鋼管是引水管線的必然一角

?　近年，引水工程已成為城市發(fā)展的必要項目，北京、天津、上海等城市均已建設(shè)了引水量達百萬噸/日級的工程，引水量為幾十萬噸/日的城市引水工程更是屢見不鮮。迄今為止，這些城市引水工程中采用的管材有：現(xiàn)澆鋼筋混凝土矩形管(現(xiàn)澆管)、予應(yīng)力鋼筋混凝土管(PSCP)、鋼管(SP)、球鐵管(DIP)、玻璃鋼管(GRP)、予應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)等。多年實踐表明，現(xiàn)澆管連接處承受變形能力低、水密機制差、漏水極為嚴重，不宜作為持續(xù)運行的壓力管線；PSCP之接口因設(shè)計、制作均存在問題而易漏水，許多要求高的引水工程也將其放在后面；因此SP、GRP、DIP、PCCP等管材成為未來引水工程中最有希望的管材，這些管材各以自己的特點而展示著競爭力。一般說來，SP因強度高、韌性好、加工制作方便、整體性好而為用戶廣泛采用，特別是在管線線型變化之處，但也因現(xiàn)場溝槽對接焊接，焊縫處質(zhì)量難以保證而使用戶擔心，上海已有多起大口徑鋼管線，如Ф1.8米、Ф2.7米、Ф3.0米，因焊縫開裂而致使全線停役事故；DIP強度高、耐高壓、安全性好，但價格較高，特別是口徑較大者，如：Ф1.5米以上者；GRP耐蝕性好、重量輕、施工方便，但因材料強度稍低，受外壓易壓扁，回填要求高，對于大口徑管線來說，也就耗費較多而造價高；PCCP充分發(fā)揮了鋼材與混凝土各自的優(yōu)點，強度高、接口水密性好、價格較低，但其重量大的缺點仍存在，施工時需專用設(shè)備支持。因此上述各種管材，若能在原有基礎(chǔ)上前進一步，克服自身的缺陷，將能在未來引水工程中大大提高自己的競爭能力。
?　我國冶金專業(yè)首席科學(xué)家翁宇慶教授說：“鐵礦資源豐實、價格低廉，鋼鐵材料是我國，也是全世界最重要的工程結(jié)構(gòu)材料，予計在2050年之前，找不到代替品?！币虼舜罂趶戒摴軕?yīng)努力發(fā)展和完善自己，至少在未來的50年中，大口徑鋼管應(yīng)在引水工程中充分展開，這是科學(xué)、工業(yè)發(fā)展到今天，給予鋼管的責(zé)任，也是機會。

2.目前鋼管線存在問題

?　目前，口徑較大、承壓較高的鋼管線，無論是在工廠內(nèi)制造管節(jié)，還是在現(xiàn)場作管節(jié)連接，幾乎都采用對接焊接接頭，因為對接焊接接頭，受力后應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中系數(shù)最小，是焊接鋼結(jié)構(gòu)中最為經(jīng)濟有效的焊接接頭型式。但是對大口徑埋沒鋼管線，尤其是不良地基地區(qū)的埋設(shè)鋼管線來說，這將是一個例外。這是因為，此時溝槽連接難度增大，將不可避免地會產(chǎn)生一些不良焊縫，而埋沒管線每一條溝槽縫都是承受全荷載的工作焊縫。大口徑鋼管線因溝槽對接焊接產(chǎn)生的一些不良后果具體敘述如下面：
?　2.1 不合格焊縫難以避免，成為管線致命隱患 因口徑大，溝槽開挖就較深，現(xiàn)場條件復(fù)雜多變，尤其是在軟土地基地區(qū)，深溝槽時淤泥、流砂常難避免，此時就難以為焊工提供安全操作空間和時間，由于大口徑鋼管較厚，一般均采用雙面焊，此時管線底部的外面焊，常不得不放棄，形成外面未焊的不合格焊縫。不合格焊縫是影響管線安全運的最大隱患，因長距離埋設(shè)管線的每一條溝槽焊縫，都將承受管線的主要荷載——溫度變化引起的拉力及不均勻沉降引起彎曲力。哪一條焊縫最差，就在那里首先失效開裂。上海在役的大口徑輸水鋼管發(fā)生破裂事故，均是由這類不合格焊縫引起的。
?　2.2 焊縫處內(nèi)外防腐層質(zhì)量難以保證 因焊縫處的內(nèi)外防腐只能在現(xiàn)場對焊完成之后才能實施，受現(xiàn)場環(huán)境和時間限制，常難以提供清潔、干燥表面，難以提供必要養(yǎng)護條件和時間，此時這部分防腐層質(zhì)量當然是質(zhì)量低劣的，因此有不少專家認為，鋼管線在二、三十年之后，焊縫將會成為全場型的漏水、開裂點，甚至稱：鋼管線是“定時炸彈”。
?　2.3 材料的無效消耗很高 大口徑鋼管由于制作上不可避免的誤差，相鄰兩節(jié)管現(xiàn)場焊接時很難完全吻合，按有關(guān)規(guī)定，管口直徑之差不得超過4毫米，若以4毫米計，則管壁錯位至少2毫米，按焊接規(guī)范，此時焊縫之強度僅為正常值之60-80%，因此即使焊縫為合格，也至少損失2毫米管厚。
?　2.4 負面效應(yīng) 現(xiàn)場工作造成的管線質(zhì)量低下，還產(chǎn)生負面效應(yīng)，就是使工廠內(nèi)的工作相應(yīng)地得不到重視。因為工廠所作質(zhì)量再差，也似乎勝于現(xiàn)場。

3.成品管化及其核心問題

3.1 成品管化之意義
?　上面所述的種種溝槽對接焊所引起的質(zhì)量問題，從理論上講，只要認真對待，充分投入，是可以得到解決的。但是對具體的輸水鋼管線來說，由于管線長、口徑大、接口多，要認真對待的話，在工期、人員、設(shè)施等等方面都會遇到難以處理的問題，這樣做法不是經(jīng)濟有效的，是不現(xiàn)實的。?溝槽對接焊之工作量是相當之大的，以Ф1.2米管來說，現(xiàn)場溝糟焊縫的長度可相當工廠焊縫長度的28～40%；口徑越大，這個比例將越大，例如，上海建設(shè)Ф2.7米鋼管線時，采用幅寬2.8米鋼板卷制，管節(jié)定為5.6米，這樣工廠中每節(jié)管的環(huán)縫為8.5米，直縫為5.6米，而現(xiàn)場每個管節(jié)之環(huán)縫也達8.5米，現(xiàn)場焊縫 長度相當工廠焊縫長度的60%。?現(xiàn)場焊接條件同工廠內(nèi)條件是無法相比的，工廠內(nèi)不受環(huán)境、氣侯干擾，待焊管可以轉(zhuǎn)動，且焊接面還可作局部加工或調(diào)整，基本上由機械完成焊接操作，質(zhì)量可以控制；現(xiàn)場的環(huán)境和氣侯變化是只能無條件接受的，管節(jié)下溝槽就位后就不宜再更換、移動，相鄰管之焊接面吻合匹配差，調(diào)整難度大，焊接操作又多數(shù)為人工操作，所以，要達到質(zhì)量標準的難度很大。
?　總之，目前輸水鋼管采用對接焊接這樣的建設(shè)方式，使決定和影響管線質(zhì)量和成本的主要方面是在現(xiàn)場而不是工廠，工廠提供的管節(jié)看成半成品更為合適。
?　解決現(xiàn)今鋼管線所存在的種種質(zhì)量問題，較明智的方法不是“對著干”，而“繞著走”，將現(xiàn)場工作盡可能轉(zhuǎn)移到工廠完成，避開惡劣環(huán)境，氣候變化的影響，以利新技術(shù)的采用和機械化生產(chǎn)，從而確保管線質(zhì)量和降低成本，這里將這種解決辦法概括為“鋼管的成品管化”。
3.2 成品管化的核心問題
?　成品管化必須是高技術(shù)的成品管化，只有高技術(shù)的成品管化才能是經(jīng)濟有效的成品管化。因此，鋼管成品管化過程也就是鋼管吸取近年來管材領(lǐng)域中發(fā)展的種種新技術(shù)，使鋼管能充分揚長避短地展開自己的過程。
?　鋼管成品管化如何行動?若對DIP、GRP、PCCP等最富有競爭力的優(yōu)質(zhì)管材之特性作一下分析歸納，可以看到，各種管材之管體結(jié)構(gòu)、材料雖有很大不同，但采用滑入式接口或發(fā)展滑入式接口是它們的共同特點。正是滑入式接口的采用，才使這些管材建設(shè)的管線，質(zhì)量有所保證，施工方便有效。因此鋼管采用滑入式接口應(yīng)是鋼管成品化的必要內(nèi)容、核心內(nèi)容。此外，將先進工業(yè)國在防腐方面的成功經(jīng)驗引入成品鋼管也是必要的。
?　因國外先進工業(yè)國在防腐方面的技術(shù)已成熟可行，已制訂了許多標準，學(xué)習(xí)和執(zhí)行國外標準，就能順利地使鋼管防腐技術(shù)同國外接軌，國內(nèi)近年在防腐涂料方面的發(fā)展，已提供了接軌所需的種種基礎(chǔ)條件；鋼管滑入式接口國外至今未能產(chǎn)品化、標準化，是一個有待探索、發(fā)展的新領(lǐng)域。根據(jù)鋼管材料、結(jié)構(gòu)的特性，提出鋼管自己的滑入式接口，并能以經(jīng)濟、有效方法完成制作，就成為鋼管成品化進程中的攻關(guān)目標，成功關(guān)鍵。

4.鋼管成品管的設(shè)計與樣管試驗

4.1 滑入式接口鋼管設(shè)計
?　這里提出一個鋼管成品管的設(shè)計，以利同行對成品管化之可行展開討論，設(shè)計的主要技術(shù)指標，參數(shù)如下：
? 公稱口徑：?1200毫米；
? 外徑：?1220毫米；
? 管厚：8毫米，此厚度符合先進工業(yè)國壓力鋼管標準，如BS534
? 外防腐層：采用環(huán)氧煤瀝青，參照美國標準AWWAC210“用于鋼水管內(nèi)外的環(huán)氧煤瀝青涂層系統(tǒng)”，同國外先進標準接軌。
? 內(nèi)防腐層：擬開發(fā)聚合物水泥砂槳涂層，使內(nèi)涂層兼有水泥砂槳涂層和有機涂層之優(yōu)點；也可參照AWWA C210執(zhí)行。
? 接口：采用楔形斷面膠圈予置承口的滑入式接口，其斷面示意如圖1。

?　膠圈置于承口的大口徑滑入式接口是一種技術(shù)含量較高接口，直到80年代后期才在球鐵管上實施。這種接口構(gòu)造簡潔而能吸收接口之伸縮、撓曲變形，密封性能更好，較機械壓緊式更為經(jīng)濟可靠。機械壓緊式膠圈接口，當管線安裝后發(fā)生不均勻沉降，將使一側(cè)的部分螺栓更緊，另一側(cè)的部分螺栓松馳，從而使插口面承口端、壓蓋三者構(gòu)成的填料函斷面，部分放大、部分縮小，此時膠圈的受壓狀態(tài)也發(fā)生變化，填料函放大處的膠圈因松馳而反彈能力衰減，該處就有可能發(fā)生漏水，這已有實踐所證實；滑入式接口，尤其是本項目計的楔形斷面滑入式接口，允許運行中管線的接口轉(zhuǎn)動，膠圈移動，接口能吸收變形仍保持水密。
?　大口徑球鐵管的滑入式接口的成立是依靠專用機床加工切削厚度相當大的承口，達到承插口配合具有精確尺寸才實現(xiàn)的。本項設(shè)計也要求很高精度的承插口尺寸配合，但似采用鋼板輾壓成型工藝，這是具有更高難度和技術(shù)含量的設(shè)計，是更經(jīng)濟有效的設(shè)計，是成品鋼管在經(jīng)濟上可同球鐵管競爭的一個重要技術(shù)支點。
4.2 滑入式鋼管經(jīng)濟性的預(yù)測
?　就上面設(shè)計的Ф1200毫米滑入式鋼管同對接焊接鋼管的一些主要科目展開測算，總的形象是在鋼管工廠中，滑入式鋼管的制作費用同對接焊鋼管比較，前者費用應(yīng)同后者相當或稍低。而施工費用，由于滑入式接口鋼管工效大大提高，無錫市已有Ф1400滑入式砼管每天平均安裝140米，焊接鋼管平均每天僅30米的實踐，故滑入式鋼管施工費用能顯著下降。

?　下面列出二個表，供參考

4.3 成品鋼管樣管試驗
　　上述的Φ1200毫米滑入式鋼管設(shè)計是否可行？
　　1999年4月完成了樣管試驗。?
　　 ①承口輾壓制作
　?用8毫米厚、200毫米寬的鋼板，用輾壓方法試制了6個承口環(huán)，試制的承口環(huán)尺寸基本符合設(shè)計要求，證實用輾壓方法制作承口是可行的。
　?、诮涌诎惭b力試驗
　　用一個承口環(huán)制作成承口短管，再作一個插口短管，利用液壓頂進裝置安裝接口，測試安裝力，結(jié)果為1.9噸，低于常規(guī)滑入式接口，適合現(xiàn)施工使用。
　?、劢涌谛阅茉囼?BR>　　考核接口密封能力和帶壓下接口折角能力?用一個一端封閉一端為承口的短管、一個一端封閉一端為插口的短管、一個標準管，組成帶有二個接口的試驗管段。
　　灌滿水后用液壓泵加壓，10kg/cm²時接口不滲不漏；此時對一個短管施加側(cè)向力，使接口在帶壓狀態(tài)下轉(zhuǎn)動，折角到3°，不滲不漏。因試驗支撐框架能力限制，無法繼續(xù)升壓和加大折角。
? 試驗表明，成品鋼管的思路是可行的。

5.展望

?　鋼管的成品管化，不僅可使現(xiàn)今溝槽對接焊鋼管所存在的種種問題得到解決，而且綜合造價也可有所下降，使鋼管在同其他管材的競爭中，在原有競爭力基礎(chǔ)上又上一個臺階。
　　同DIP相比，成品鋼管之用鋼量僅為球鐵管的50-60%，造價為60-70%，強度設(shè)計符合先進工業(yè)國標準，已很充分，防腐層全部工廠制作，質(zhì)量可靠，因此可以安全性高而價格低與之競爭。
?　同GRP相比，其安全性高、價格低，在技術(shù)經(jīng)濟兩方面均占優(yōu)。
?　同PCCP相比，成品鋼管重輕，運輸、施工不再需要專用機具支持，施工費用大大下降，管材價格應(yīng)相當，因此將可以施工方便而綜合造價低與之競爭。
?　大口徑鋼管的成品管化，是大口徑鋼管發(fā)展中的一個重要臺階，也是一個機遇，這種發(fā)展機遇對GRP、DIP、PCCP來說，因已經(jīng)完成而不能再有，因此鋼管應(yīng)極其珍惜這一自己獨有的機遇。
?　借此機會也向國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)加工廠進一言，現(xiàn)今國內(nèi)已建成的DIP、PCCP、GRP工廠，建設(shè)時設(shè)備的投入，少則幾千萬，多則上億；而成品管化鋼管制作，對于有卷板能力的鋼結(jié)構(gòu)加工廠，只需對鋼管線有一定的理解就可以完成，投入極低。要抓住這一少有的機遇，投入開發(fā)大口徑成品鋼管，積極參與國內(nèi)引水工程建設(shè)。