肖睿書 　閆利國
廣西建筑綜合設計研究院

一、前言

　　筆者通過柳州市付鵝溪過溪輸水鋼管的設計，結合GZ—2特種漆適于飲水衛(wèi)生且耐久長壽防腐技術應用，論述了DN300—1600鋼管支架或支墩大跨度計算，并分析了內壁涂料使水力粗糙系數(shù)比鋼管低與其帶來的節(jié)能效果，其內客可供給排水同行參考。
　　我院承擔了柳州市竹鵝溪DN1200自來水輸水鋼管的設計任務，經(jīng)反復比選，不采納跨溪架設偏心鋼筋砼T形梁板支承鋼管并留有維修專用通道方案。其一是管橋上下游附近已有便橋兩座，再插入第三座外觀相似的管橋有礙觀瞻；其二是偏心T形梁板遇到洪水的沖擊結構受力較大而不穩(wěn)定；其三是該方案土建費高達45萬元，比鋼管梁方案土建費18萬元，多耗資27萬元?？紤]鋼管口徑較大，剛度好，利用鋼管本身作主梁受力十分合理，柳州市自來水公司曾成功地敷設過支承跨度達21m的DNl000輸水鋼管，使用數(shù)年效果良好。唯一棘手問題是管外壁普通防腐涂料日曬雨淋易老化脫落，一兩年就要翻修一次。為此，筆者本著務實的態(tài)度，查閱了許多有關資料，并綜合比較了廣東大量采用的GZ---2新型高分子防腐涂料(簡稱特種漆)和廣西各市自來水公司近年來習慣使用的重防腐涂料的反饋信息資料，決定管外壁采用特種漆特加強外防腐三布五油漆膜總厚400—420μm的作法，使用壽命延長至15年，為業(yè)主排憂解難。對于管內壁，則考慮特種漆普通內防腐兩底兩面漆膜總厚度80—100μm做法，內壁接觸自來水，不見陽光，使用壽命可達30—50年，由于特種漆表面光滑、其粗糙系數(shù)可視力介于玻璃鋼管(n＝O.008)、紫銅管(助＝0.008)和UPVC排水管 (n＝0.009)三者之間，推薦采用n＝0.00833 進行水力計算，亦可獲得頗佳的節(jié)能效果。

一、過溪DN1200鋼管受力計算

1、基本數(shù)據(jù)
　　查《鋼結構設計規(guī)范GBJ17—88)：
　　鋼管厚度≤20mm屬第1組，抗拉、抗壓和抗彎強度[f]取215N／mm²＝21.5kN／cm²，受彎構件的容許撓度取1／400—1／300之間為宜，彈性模量E取206×10³／mm²＝2.06×10⁴kN／cm²，經(jīng)研究，水管超載系數(shù)取1.25，截面塑性發(fā)展系數(shù)γ取1.15，要求校核1.25M／γW＝1.25M／1.15W＝1.087M／W＝f≤21.5kN／cm²。
2、簡支鋼管梁撓度
　　計算撓度＝O.013ql3／EI
　　先計算q：
　　外徑D＝122cm，壁厚1.4cm，內徑d＝ 119.2cm，鋼管質量密度ρ＝7.85kg／dm3，于是：
　　水重：0.7854×11.922×10＝1116(kg／m)
　　管重：3.14×12.06×0.14×10×7.85＝416(kg／m)
　　q＝1116十416＝1532＝15.32kg／cm＝0.1532kN／cm，
　　跨度1取30m，I＝0.0491(D4-d4)＝0.091(1224-119.24)＝964700(cm4)；
　　撓度=0.013×0.1532×30003／2.06×104×9.647×105＝0.013×0.1532×27／2.06×9.647＝0.002706＝1／370介于1／400—1／300之間，符合要求。
　　若按一端固定一端簡支來校核，則
　　撓度＝0.00543ql3／EI＝0.001128＝1／887，應該放心撓度得到了控制。
3、抗彎強度f驗算
　　W＝0.0982(D3-d3)＝0.0982(1223- 119.23)=12000(cm3)；
　　M＝0.125 q12＝0.125×0.1532×30002＝172350(kN·cm)
　　f＝1.087M／W＝1.087×172350- 12000＝15.61(kN／cm2)
　?。?1.5kN／cm2，亦不成問題。
4、洪水來臨的水平荷載
　　柳州市防洪部門要求按圓管上下游產(chǎn)生圓管斷面高度1.22m水位差來校核水平推力，這是不可能發(fā)生的，但為確保萬無一失， 按此要求計算qn＝O.5×1.22×1.22×0.7(0.7為圓管形狀系數(shù))＝0.521(t／m)＝5. 21kN／m＝O.0521kN／cm＜＜0.1532kN／ cm；流速水頭對圓管的水平推力qn＝0.7×1.22×22／2g＝0.174(t／m)＝1.74kN／m＝0.0174kN/cm。流速水頭對管支墩的水平推力qv＝V2／2g＝22／2g＝0.204(t／m2)＝2.04kN／m2(對于圓形支墩需乘以0.7的形狀系數(shù))。
　　從給排水專業(yè)角度出發(fā)，可不需考慮防洪部門提出的水位差原則，但由于柳州市有過四橋人行道架設水管懸臂挑梁斷裂事故發(fā)生，還是要尊重甲方的意見，但不要把qn＝O.0521kN／cm和0.1741kN／cm疊加起來。
5、管內水壓在管道轉變處的軸向推力
　　鋼管工作水壓0.45MPa左右，考慮留有余地，按0.55MPa取值，試驗壓力為1.1MPa，軸向推力如下：
　　平時P＝55×0.7854×1.1922＝61.4(r)＝614kN，
　　試壓P＝110×0.7854×1.1922=112.8(t)＝1128kN，
　　請注意試壓是一次性的，持續(xù)16h，不會在幾十年一遇洪水發(fā)生時進行試壓，拿1128kN對支墩進行核算時，就不要和洪水對圓管的水平推力進行組合，但可用614kN(具有方向性)力和它組合。對于擋土墻一側的支座而言，管道無轉彎，此力為零。
6、建議
　　柳州市雖已有DNl000鋼管跨度1＝21m的成功經(jīng)驗可供借鑒，但該市壺西大橋人行道支承DN600鋼管懸挑梁斷裂事故教訓亦需吸取，故本設計留有余地，取實際跨度l由計算30m縮短為27m。

二、DN300——1600鋼管支架或支墩跨度計算

l、計算依據(jù)
　　查《鋼結構設計規(guī)范GBJ17—88》，鋼管抗彎強度[f]＝215N／mm²＝21.5kN／cm²，容許撓度取1／400～1／300之間為宜，要求計算f＝1.087M／W≤21.5kN／cm²。彈性模量E＝2.06×10⁴kN／cm²。
　　慣性矩I＝0.0491(D⁴---d⁴)；
　　截面矩W=0.0982（D³-D³）；
　　撓度=0.013ql3/EI(簡支梁）；
　　撓度=0.00542ql³/EI(一端固定一端簡支梁）；
　　質量密度ρ=7.85kg/dm³；
　　1KG=10n=0.01kN或1t=10kN
2、鋼管壁厚與外徑
　　參照國標圖集S311適當加厚或保持不變見表1。

3、鋼管梁受力計算參數(shù)銅陵表2。

4、不保溫輸送冷水鋼管支承間距討論
　　經(jīng)仔細閱讀《自動噴水滅火系統(tǒng)施工及驗收規(guī)范GB50261—96》9頁表5.1.7、《建筑給水排水設計手冊》23頁表1.4—1和國家標準圖集S161有關大樣和說明后，對于不保溫的冷水管，可根據(jù)設計需要，控制支承間距，當DN≥80鋼管支承間距超過S161設計 支托吊架間距6m時，需重新驗算或加大支托吊架各種部件如膨脹螺栓、角鋼、槽鋼、吊桿、管卡、管柱、托座等的受力是否足夠承受，為控制管道支承間距的設計質量，也順便列出不保溫中小冷水鋼管最大支承間距值見表3。

　　注：噴規(guī)DN80～125間距數(shù)字有反?，F(xiàn)象請按推薦一欄修正。

三、特種漆在輸水管道中的應用

1、簡介
　　特種漆是原美國軍方的高科技產(chǎn)品，其性能和功效大大超過傳統(tǒng)防腐涂料。是目前最新型無毒防腐涂料。特別是屏障GZ—2防 腐涂料最適宜用于自來水輸水鋼管的內外壁防腐及球墨鑄鐵管(Ductile Iron Pipe代號DIP)的內壁防腐。多年來國內幾項重點工程使用特種漆后，引起了防腐專家及給排水界的關注和業(yè)主的好評，在上海、廣東；廈門、武漢、濟南等省市享有盛譽。廣西各市自來水公司近年來在中國城鎮(zhèn)供水協(xié)會廣東省分會推薦影響下，仿效珠江三角洲各市水司與湛江 市水司的做法，南寧、上海、欽州、防城港等市水司也開始使用特種漆，嘗到了甜頭。值得一提的是由北京市政工程設計研究總院設計的南寧市瑯東污水處理廠二期工程；池底鋼管 防腐要求十分嚴格，總院研究后決定選用GZ--2涂料，污水廠業(yè)主表示全部二期設計的鋼管都使用特種漆。
2、特種漆的性能特點
　　特種漆屬改性環(huán)氧——丙烯酸聚氨酯涂料。主要由有機多羥基丙烯酸酯類均聚物和多異氰酸酯制成另異氰酸酯的預聚物，再經(jīng)多元胺擴聯(lián)聚氨酯，與其分散體經(jīng)離子型或非離子型的分散體混合，同時加入特殊的穩(wěn)定劑、抗氧劑、促進劑；防腐添加劑和顏色填料制得的長效高性能無毒重防腐涂料，這類經(jīng)改性后的聚氨酯涂料具有不同于任何其它傳統(tǒng)涂料的特異性能。
　　(1)顯著的抗氧性和耐化學腐蝕性能
　　水和氧氣的滲人是銹的根源，從電化學反應看，活性鐵銹是銹蝕的主要原因。因此漆膜分子結構的緊密直接關系到漆膜的屏蔽作用，而漆膜本身對腐蝕介質的抵抗能力是涂料質量的關鍵?！捌琳贤苛喜粌H濕氣通過率優(yōu)于任何其它傳統(tǒng)涂料，其涂層還能承受在沿海高溫、高濕地區(qū)的鹽水、干濕循環(huán)和工業(yè)發(fā)達地區(qū)各種氣相腐蝕介質及海洋大氣環(huán)境中鹽堿介質和酸堿交替作用產(chǎn)生的各種腐蝕。經(jīng)過在不同比例不同腐蝕介質的溶液中進行l(wèi)440h常溫破壞性試驗后表明：即使其金屬樣板被腐蝕，其防腐漆膜仍完好無損，并能保 持部分理化性能不變(詳見表4)。

　　(2)優(yōu)異的附著力；柔韌性和高硬度、耐磨性
　　漆膜的動態(tài)力學性主要是指材料的沖擊強度，而沖擊強度與它的抗張強度和斷裂伸長率有密切的關系。經(jīng)過測定，特種漆具有優(yōu)秀的耐沖擊性和延展性，屬于一種模量高、耐磨擦、高硬度和附著力強的涂料，且能在一定溫度的環(huán)境中使用（100℃左右)。詳見表5。

　　(3)良好的耐候性
　　光老化往往會造成漆膜表面及物理性能惡變，最常見的現(xiàn)象是失光、泛黃、龜裂和粉化，甚至脆變剝落。從光降解機理中可知，樹脂中的自由基是造成光降解的重要中間體，因此促使光穩(wěn)定化的重要手段是清除樹脂中的自由基，而屏障涂料改性樹脂中的經(jīng)基胺和羧基胺醚能有效清除自由基，抑制光氧化。同時通過抗氧基的作用能有效阻止紫外線的殺傷和穩(wěn)定涂料的保色性，比一般防腐涂料使用壽命延長三倍以上。
　　(4)簡便的除銹工藝
　　特種漆除銹工藝較其它防腐涂料更為簡便，只須用砂紙、鋼絲刷或電動砂輪機將被涂工件表面浮銹、焊渣、油垢及疏松物除去、擦凈達到平整干燥即可施涂。需要強調的是被 涂工件表面浮銹、油垢等雜物必須除凈，因浮銹、油垢等雜物會在工件表層形成一個隔層，直接影響本產(chǎn)品的附著力和涂裝質量。另外，某些工件極易銹蝕，除銹與施涂間隔時間不宜過久，以免工件表面氧化而影響涂裝質量。
　　(5)簡單的施涂工藝
　　該產(chǎn)品為雙組份涂料，均可采用刷涂、噴涂、輥涂等方法施涂。
　?、俜栏繉咏Y構
　　a.普通防腐型(兩底兩面)
　　一道底漆→一道底漆→一道面漆→一道面漆。干膜厚度80～100μm。
　　b.加強防腐型(一布三油)
　　一道底漆→一層玻璃纖維布→二道面漆。干膜厚度180～300μm。
　　c.重加強防腐型(兩布四油)
　　一道底漆→一層玻璃纖維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→兩道面漆。干膜厚度280～300μm?；蛞坏赖灼帷B續(xù)裹兩層玻璃纖維布→一道底漆→兩道面漆。干膜厚度280～300μm。
　　d.特加強防腐型(三布五油)
　　一道底漆十連續(xù)裹兩層玻璃纖維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→一道底漆→兩道面漆。干膜厚度400—420μm?；蛞坏赖灼帷粚硬ＡЮw維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→兩道面漆。干膜厚度400～420μm。
　?、谕苛吓渲?BR>　　隨用隨配，按比例混合，充分攪拌均勻靜置10--15min后再行施涂。
　?、凼┕ふ扯?BR>　　拿專用稀釋劑調整施工粘度。施涂粘度為30～40s。
　?、芨稍飾l件：常溫自然干燥。
　　⑤注意事項
　　a.在配制與施工過程中切忌水、油等物 質混入，以免影響工程質量。
　　b.施涂底漆、面漆時，要求涂層均勻，無漏涂。
　　c.纏繞玻璃纖維布時必須拉緊、平整，不得有皺折、豉泡，纖維布網(wǎng)眼必須灌滿涂料。玻璃纖維布之間搭接寬度不得小于20mm，搭接頭長度不得小于100mm。纏繞兩層玻璃纖維布時，各層玻璃纖維布的搭接頭應錯開。管道兩端的防腐層應做成階梯形接茬，階梯寬度不得小于100mm。玻璃纖維布經(jīng)緯密度為10×10根/cm²或12×12根／cm²，厚度應為0.12±0.01mm，含堿量不應超過12％，無捻、無蠟、平紋、兩側封邊，受潮的玻璃纖維布必須烘干后方可使用。玻璃布寬度參照表6選用。

　　d.涂刷后的管道或鋼涂件應注意避免在運輸、吊裝過程中損傷防腐層。若有損傷應及時補涂，否則不準安裝。
　　e.當在管溝內進行接口防腐涂刷時，必須清除防腐部位的泥土、水跡；回填土時應避免損傷外防腐層。
　　f.雨雪、霧天不宜在戶外施工。
　?、奁渌?BR>　　a.包裝：4L、20L鐵桶包狀并密封。
　　b.運輸：按危險品考慮運輸，防止雨淋和陽光曝曬。
　　c.儲存：勿近火源，在陰涼干燥處密封儲存。
　　d.技術安全：施工時須通風，禁止明火。
　　3、特種漆小結
　　(1).特種漆是當今涂料市場上的高科技新產(chǎn)品，其各項性能指標均達到和超過傳統(tǒng)防腐涂數(shù)據(jù)最高水平，因此，完全可以取代傳統(tǒng)防腐涂料。
　　(2)特種漆是一種無毒抗酸、堿、鹽、油、水和大氣腐蝕的良好保護涂料，適用于各種金屬、木質、混凝土構件的防腐和保護。
　　(3)特種漆施工簡便、干燥快、耐磨擦、附著力好，特別適用于輸水、輸油管道的防腐工程及制鹽、化工行業(yè)、建筑地坪、地板和水工結構防腐防滲漏工程。
　　(4)特種漆的使用壽命比一般防腐涂料長達三倍以上，且綜合成本也明顯低于傳統(tǒng)防腐涂料，是現(xiàn)代較理想的防腐涂料。
　　(5)特種漆施涂于鋼管內外壁或球墨鑄鐵管內壁時，除使用壽命延長三倍以上達到30～50年外，尚可額外地聚理想的節(jié)能效果。
　　眾所周知，鋼管、球墨鑄鐵管(DIP)和鋼筋砼管(RCP)水力計算粗糙系數(shù)n取0.013，由于特種漆表面光滑，筆者取玻璃鋼管(中英文資料介紹n＝0.008)、紫銅管(給水排水99年7期冷熱水銅管水力計算探討分析n＝0.008)和UPVC排水管(n保守地取0.009)三種管材的平均值11＝0.00833進行水力計算綜合比較，列出DN300—1600鋼管或DIP內壁搪水泥砂漿(代號水泥)和涂GZ—2特種漆(代號GZ)水力參數(shù)于表7。

　　注：①鋼管內徑取DN(mm)扣除28mm水泥砂漿厚度標記水泥代號，實際內徑有出入時可自行計算調整。②GZ代號表示內涂特種漆，漆膜總厚度小于55μm取500μm，計算內徑扣除1mm。⑧內搪水泥A＝0.0017396d^-16/3，涂GZ—2時A＝O.0017396×O.41059×0.41059d^-16/3，d以m計。④[Q]為涂GZ—2且流速v＝1.5m／s的流量(m³/s)。⑤V＝KcQ。⑥[I]＝A[Q]2，通用式I＝AQ²(mH₂O／m)。⑦沿程損失欄括號表示以內搪水泥砂漿為100％時，相應內涂GZ—2的百分率。

　　從表7可看出，內涂GZ與內搪水泥相比，管徑越小，水頭損失百分率越小，DN300僅占24.8％，DNl600百分率為37.6％，DN ＞1600時，百分率介于37.6％與41.1％之間。例1：某工程選用DN800輸水鋼管長6000m，設計流量Q＝752L／s，請估算年節(jié)電多少。解：查表7，年節(jié)電約為752×1.1(3.90 - 1.34)×6×24×365／102×50％＝2180000(kW.h)。若按每度電費0.8元計算，年節(jié)電 費約174萬元。特種漆內防腐涂料約9噸，需耗資58萬元左右，四個月的電費即可回收此項投資。例2：某工程DNl400DIP主干管 943m，Q＝250L／s，因為該管十分重要，擬考慮內搪水泥或內涂GZ以延長使用壽命，經(jīng)比較后選用特種漆內防腐，可減少水頭損失＝1.1(0.00032203—0.00011917)×2.5²×943＝1.315(mH₂O)，年節(jié)電約為2500×1.315×24×365／102×50％＝565000(kW.h)，年節(jié)電費約為45萬元，涂料約需2.5噸，需開銷15萬元，也相當于四個月的節(jié)能費用。
　　這里需順便指出的是對于市政過江河床底部埋設的輸水主干管而言，建議采用特加強外防腐(三布五油漆膜總厚400—420μm) 和加強內防腐(三底三面漆膜總厚120～150μm)，確保使用壽命從30—50年延長到50年以上，加強型比普通型增加50％的涂料，內涂材料施工安裝投資則相當于半年的節(jié)電費用。
　　(6)GZ—2新型高分子防腐涂料經(jīng)最高權威部門——中國預防醫(yī)學科學院環(huán)境衛(wèi)生與衛(wèi)生工程研究所檢測，以W99020編號于 1999年5月28日發(fā)布衛(wèi)生安全性檢測測試報告，結論是安全符合《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》GB／T7219—1998)的標準，內防腐符合生活飲用 水的要求，用戶可以放心推廣此項內防腐新技術。