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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)制差、漏水極為嚴(yán)重，不宜作為持續(xù)運(yùn)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(diǎn)而展示著競爭力。一般說來，SP因強(qiáng)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(dān)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(qiáng)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(qiáng)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(fèi)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(diǎn)，強(qiáng)度高、接口水密性好、價格較低，但其重量大的缺點(diǎn)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(jìn)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(jī)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(jì)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(yùn)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(hù)條件和時間，此時這部分防腐層質(zhì)量當(dāng)然是質(zhì)量低劣的，因此有不少專家認(rèn)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(diǎn)，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(qiáng)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(fù)面效應(yīng) 現(xiàn)場工作造成的管線質(zhì)量低下，還產(chǎn)生負(fù)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(rèn)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(rèn)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(jì)有效的，是不現(xiàn)實的。?溝槽對接焊之工作量是相當(dāng)之大的，以Ф1.2米管來說，現(xiàn)場溝糟焊縫的長度可相當(dāng)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(dá)8.5米，現(xiàn)場焊縫 長度相當(dāng)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(jī)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(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jì)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(yáng)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(diǎn)。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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)和執(zhí)行國外標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(jì)、有效方法完成制作，就成為鋼管成品化進(jìn)程中的攻關(guān)目標(biāo)，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(biāo)，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(jìn)工業(yè)國壓力鋼管標(biāo)準(zhǔn)，如BS534
? 外防腐層：采用環(huán)氧煤瀝青，參照美國標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)涂層之優(yōu)點(diǎn)；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(jī)械壓緊式更為經(jīng)濟(jì)可靠。機(jī)械壓緊式膠圈接口，當(dāng)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(yùn)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(jī)床加工切削厚度相當(dāng)大的承口，達(dá)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(jì)有效的設(shè)計，是成品鋼管在經(jīng)濟(jì)上可同球鐵管競爭的一個重要技術(shù)支點(diǎn)。
4.2 滑入式鋼管經(jīng)濟(jì)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(fèi)用同對接焊鋼管比較，前者費(fèi)用應(yīng)同后者相當(dāng)或稍低。而施工費(fèi)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(fèi)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度設(shè)計符合先進(jìn)工業(yè)國標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)兩方面均占優(yōu)。
?　同PCCP相比，成品鋼管重輕，運(yùn)輸、施工不再需要專用機(jī)具支持，施工費(fèi)用大大下降，管材價格應(yīng)相當(dāng)，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(jī)遇，這種發(fā)展機(jī)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(dú)有的機(jī)遇。
?　借此機(jī)會也向國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)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(jī)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)。