长距离输水中的管材选择
[摘要] 调水、引水工程及大型灌区采用管道输水时，均需选用质量可靠、经济实用的承压大口径管材。为适应此需要，本文详细介绍了适用于长距离输水用的大口径预应力钢筒混凝土管（PCCP管）和玻璃纤维增强塑料夹砂管（FRPM管）的特点及推广应用情况，可供管材选用时参考。
【关键词】长距离输水大口径管 PCCP FRPM
1 前言
我国是一个水资源短缺的国家，农业年均受旱面积达3000多万公顷以上，全国有300多个城市用水紧张，其中严重缺水的城市110多个。近20多年来，一方面持续干旱，另一方面随着经济、社会和城市化的持续发展，水资源供需矛盾日益尖锐，尤其是大中城市缺水十分严重，生态环境也日益恶化。缺水已成为经济社会发展的主要制约因素。管道输水是农业节水的有效措施之一，调水则是实现水资源合理配置、缓解缺水地区供需矛盾，促进缺水地区经济社会可持续发展的有效途径。大型灌区采用管道输水节水及调水中采用管道输水时，管道所占投资比重很大，长距离输水用大口径管材若选用不当会造成事故或增加不必要的投资。因此本文拟就可用于长距离输水的大口径预应力钢筒混凝土管（PCCP管）和玻璃纤维增强塑料夹砂管（FRPM管）作一综述，以供输水工程选用管材时参考。
2 PCCP管
PCCP管为预应力钢筒混凝土管的简称。PCCP管最早由法国邦纳（Bonna）公司研制。美国从1942年开始研究生产PCCP管。由于从管材设计、制造、检测到运输、安装、使用等方面均已实现了规范化，所以发展很快。目前美国已将PCCP管广泛用于长距离输水工程、城市供水工程等方面。至二十世纪末其敷设长度已超过29000km。美国公司还在利比亚建厂制造PCCP管，并已将直径4000mm、承受内压可达1.2Mpa的PCCP管用于长距离输水工程。我国山东电力管道公司于1988年从美国阿麦隆（Ameron）公司引进技术和设备生产了PCCP管，以后无锡、深圳等地的管道公司也相继从美国引进设备建厂。呼和浩特某公司也以国产设备生产出了PCCP管。该管已在我国一些大型输水、供水工程中应用，如山西万家寨引黄连接段给水工程已应用直径3000mm、承受内压可达0.7Mpa的PCCP管43.2km，深圳东部引水工程已应用直径2600mm的PCCP管17.3km，哈尔滨磨盘山引水工程已应用直径2200mm的PCCP管134km等。据2002年的行业统计，全国应用PCCP管已达700多公里。
PCCP管之所以能在不长的时间内得到愈来愈广泛的应用，基于它具有以下的优点：
（1）合理的复合结构。PCCP管是指在带有钢筒的混凝土管芯外侧缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子。这种复合结构充分地发挥了钢筒的抗拉、易密封性及混凝土的抗压和耐腐蚀性，因而PCCP管承受内外压的能力均较高。目前国内已可制造内径
400mm~4000mm，适于管线运行工作压力不超过2.0Mpa，管顶覆土深度不大于10m的PCCP管。管子有效长度为5m。
（2）接头密封性可靠，对地基适应性好。PCCP管接口采用钢板冷加工成型，加工精度高，接口密封可采用双橡胶圈，胶圈置于插口的凹槽内，受压后变形小，从而形成很好的密封性。图1为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）和埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCPE）的接头示意。
a) PCCPL管子接头图
b) PCCPE管子接头图
图1 PCCP管接头示意图
由于管接口采用双橡胶圈密封，具有较好的柔性，其允许的相对转角为0.4°～1.0°,因此对地基的不均匀沉降适应能力较高。
（3）有良好的耐腐蚀性，耐久性强。PCCP管内壁是内衬混凝土，外壁是喷射砂浆保护层，接口处内外均用水泥砂浆嵌缝，混凝土和砂浆提供的碱性环境使构成PCCP管的钢材钝化从而防止其腐蚀。从法国、美国的应用经验证实，PCCP管的使用寿命均超过50年。
（4）施工方便快捷。由于可以利用PCCP管专有的铠接头来抵抗推力，所以在管线转向或分流等需要止推的地方均可免去支墩，从而方便安装，提高了施工速度。
PCCP管也存在较明显的缺点，即重量大。直径4000mm的PCCP 管其参考重量可超过9t/m，因此施工时需配合应用一些槽内安装的简易设备，运输费用相应也较高。另由于糙率大（糙率系数为
0.011~0.013），输水阻力相应较大。
PCCP管的生产已有行业标准可指导生产。标准号和名称为JC625-1996《预应力钢筒混凝土管》。标准对PCCP管的分类，规格尺寸、技术要求等都作了明确的规定。相信PCCP管的系列化、规范化生产必将为更大范围的推广应用奠定良好的基础。
3 FRPM管
FRPM管是玻璃纤维增强塑料夹砂管的简称，亦称玻璃钢夹砂管。
随着合成树脂和玻璃纤维工业的发展，二十世纪40年代后期，世界上一些工业发达国家在需要控制腐蚀的工程中，开始使用由合成树脂和玻璃纤维复合制成的玻璃钢管（FRP管）。随着生产原料、工艺技术和成型设备的改进和提高，70年代FRP管开始了工业化生产，在美国、日本、德国、意大利等国FRP管迅速进入了大规模生产和使用阶段。70年代以后，新型的FRPM管被开发成功并投入应用，FRPM管较之FRP管有着高刚度、低成本等优点，自问世起即得到了广泛的应用。到90年代中期，美国已安装了16万km的FRPM 管线，该管的产量还以每年10%的速度递增。英国使用FRPM管已占供水管道总长的30%。日本的FRPM管道已占大、中口径供水管道的25%。在中东地区，大、中型输水、排污、海水淡化等几乎都使用FRPM管。我国在二十世纪80年代开始引进FRP管生产线，90年代开始引进FRPM管生产线。目前已有河北石家庄、河南安阳、江苏连云港、浙江温州、吉林长春等二十多个厂家应用引进的或国产的设备生产FRPM管和FRP管。直径2000mm以下的FRPM管应
用较多，更大口径的FRPM管也已在一些输、供水工程中开始应用。如1999年河北石家庄引水工程中已应用了直径2500mm，刚度等级2500pa，在0.4Mpa内压下不渗漏的FRPM管。2002年，新疆引额济乌工程也已埋设直径3100mm、承受内压0.6Mpa的FRPM管10340m。郑州市输水干渠改造中也应用了直径1800mm 承受内压0.6Mpa的FRPM管。虽然FRPM管在国内应用时间尚短，但由于其优点明显，在长距离输水可选管材中正日益受到人们的关注。FRPM管的优点为：
（1）结构合理，承压能力强。FRPM管的管壁结构示意见图2。它由内衬层、内增强层、树脂夹砂层、外增强层、外保护层组成。致密的内衬层和增强夹砂层使FRPM管具有了较强的承压能力。
图2 FRPM管壁结构示意图
（2）重量轻。FRPM管的比重在2.0左右，因此，FRPM管单位长度的重量较同等压力、相同管径的刚性管轻。这个优点是极有利于施工安装的。
（3）内表光滑、糙率低。经绕成型的FRPM管，其内表面因有光滑的芯模保证，所以成管后内壁平滑光洁，糙率系数为0.008，输水阻力小，输送相同流量时管径相应可减小10%~25%。
（4）管段长接头少。缠绕成型的FRPM管其管长可达12m，接头数量较刚性管可减少很多，且接头以橡胶圈密封，因此，提高了安装速度，降低了安装成本，且密封安全可靠。
（5）耐腐蚀、寿命长。FRPM管的内衬层是增强的富树脂层，树
脂含量达80%以上。还可以根据不同的腐蚀介质选用相应的树脂，从而保证了强的耐腐蚀性延长了使用寿命。
为了保证FRPM管的生产质量，行业标准JC/T838-1998《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》和JC/T695-1998《离心浇铸玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂夹砂管》针对不同的生产工艺制定了相应的管材质量标准。行业标准CJ/T3079-1998《玻璃纤维增强塑料夹砂管》则将几种不同生产工艺的管材统一到一个标准中，为工程招标带来了方便。
根据实践经验，下面的问题是推广应用FRPM管中必须注意的。
（1）对制管用树脂应有清楚的了解。由于不饱和聚酯树脂的工艺性能好，且和许多材料相容性好，又有较好的力学性能，相对于环氧树脂又价廉，因此FRPM管使用最多的树脂是不饱和聚酯。但国外应用的不饱和聚酯性能高、品种全、系列化，且在FRPM管中，国外应用高性能的间苯型不饱和聚酯的数量已超过30%。而我国大多使用通用型的邻苯型不饱和聚酯。由于树脂厂家生产工艺和管理上的差异，树脂质量高低差别也较大。树脂质量上的差异势必影响FRPM 管的质量，因此在开发新规格的FRPM管时，首先应根据设计进行样管试制，并按标准进行性能检测，只有在各项指标均达到要求的前提下才可以定型批量生产应用。
（2）地下埋设的管道均应具有较高的抗外压能力。管刚度是衡量柔性管抗外压能力的一个基本指标。FRPM管仍属柔性管范畴，根据行业标准FRPM管的刚度最高可达10000N/m2，但此刚度值和刚
性管相比仍有一定的差距。因此，FRPM管在埋地后会产生一定的径向变形。标准CJ/T3079中对不同刚度等级的FRPM管允许的径向变形有具体的要求，为了保证管道长期安全运行，此要求一定要严格执行。另外，FRPM管的承受外压能力是管材本身刚度和回填材料的反作用力的组合。管道和沟槽回填材料构成统一的“管道——土壤系统”，为了防止管道变形过大，必须采用加大土壤阻力，提高土壤支撑力的办法。因此，在管道施工回填时应高度重视对回填材料和回填料密实度的控制。回填料应是粗粒土，回填料的压实度应达到95%。
综上所述可知，PCCP管和FRPM管由于所具有的突出优点已逐渐推广应用。只要针对两种管材的特点加以应用，作为长距离输水用大口径管，这两种管材都是比较理想的，其发展和应用前景值得乐观。