PE管与球墨铸铁管用于输水管道
的技术经济比较
吴永刚
2014年3月
一、前言
在市政给水管道领域，可供选择的管材种类很多，既有钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）、预应力混凝土（PCP）管、预应力钢筒混凝土（PCCP）管等传统管材，也有聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管等塑料管材。
在国内，市政管道以球墨铸铁管（DIP）为主，但是随着塑料管材生产、应用技术的成熟，塑料管以其经济性、优越的技术性能、安全性等诸多优点已逐渐成为市政管道的主角。聚乙烯（PE）管作为性价比最高的塑料管材，其应用遥遥领先。
二、PE管与球墨铸铁管的性能比较
与传统管材-球墨铸铁管相比，聚乙烯（PE）管有以下独特优点：●重量轻、搬运方便。
球墨铸铁管密度为7.2，PE管密度约0.95，球墨铸铁管是PE管的7.58倍。1.0MPa的dn315管材每米重量18.148公斤，而DN300mm 的铸铁管每米52.8公斤，管材按6m/根计算，PE管材每根重108.88公斤，两三个工人即可完成搬运；DN300铸铁管每根重量316.8公斤，必须依靠机械进行管材的吊装、运输，二次搬运很不方便。在地形复杂地区，塑料管道重量轻的优点更加明显，可极大降低管道的施工强度，减少施工费用。经验证明，相同口径PE管施工费用与铸铁管相比可降低40—50%。
● PE管安装简便、管道接口强度高于管体，安全性好。
PE管可采用热熔对接焊接、热熔承插焊接、电熔焊接等连接方式，只要按照正常的焊接参数进行操作，可确保接口100%合格，一次试压成功，明显降低管道二次施工费用。球墨铸铁管采用橡胶圈连接，管道接口容易拔开。三通、弯头、变径等受力部位必须严格按照设计要求设置混凝土支墩，以防止管道接口拔开漏水。日后管道接口也会产生因水锤、不均匀沉陷或地壳活动造成渗漏的运行维护费用。
●内壁光滑，水力性能好、运行能耗小。
PE管材的糙率n值0.008~0.009，球墨铸铁管的糙率为0.013。当管道输水流量、水头损失一致时，塑料管内径可比金属管内径小13%，即可采用较小管径的PE管材代替较大管径的球墨铸铁管；当管内径、水头损失一致时，塑料管过水流量可比金属管大44%；当管内径、输水流量一致时，塑料管水头损失可比金属管小52%，可考虑选择较小扬程的水泵降低投资或减少电费等管道日常运行费用。
●耐腐蚀性能好，使用寿命长。
腐蚀是生物、物理和化学过程相互作用的结果，严重的管道腐蚀不仅使管网水的浊度、色度、细菌种类和数量、有毒重金属含量等水质指标恶化，而且引起管壁变薄穿孔，增加水头损失和输水能耗等。PE管材具有天然的耐腐蚀性能，不受潮湿水分和土壤酸碱盐的影响，不导电，对电解质不敏感，管道铺设不需进行任何防腐处理，使用寿命长达100年以上。而球墨铸铁管正常使用寿命为30-50年，在地下水层浅或酸碱盐地区，管材内、外必须做高等级防腐处理，使用寿命会大大降低，一条PE管道相当于两条甚至几条球墨铸铁管道的寿命
总和，从而有效保证了管道输水的安全性。
●材质卫生、对水质无二次污染：
PE管材的原料和着色剂外不加任何辅料，因此安全卫生，对人体不会有任何危害，其卫生性能完全符合《GB/T 17219-1998 生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》的要求。
●柔韧性好、抗水锤破坏能力强、抗冲击。
PE管道较小的弹性模量造就了PE管材特殊的优势。良好的柔韧性使得PE管材具备普通管材不具备的曲率半径，对沟槽的平直度要求较低，可适应恶劣的地形环境，也是非开挖管材的首选；抗水锤能力是球墨铸铁管的5倍以上，可大大减少因突然停电或停泵造成水锤对管材的破坏。良好的抗冲击性能避免了管材在安装及运输过程中断裂或损坏，或者受到外力情况下不会大面积损坏，降低了维修难度；而球墨铸铁管道对地形要求极高，必须保证管道沟槽的平直才能施工，否则管道安装时易造成接口胶圈顶翻漏水。管道正常运行时遇到外力会出现爆管，造成大面积损坏，维修难度很高。
●适用性广，节省投资。
PE管材可分为0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa、1.6MPa、2.0MPa、2.5MPa等规格，也可根据工程实际情况生产0.4MPa、0.7MPa、0.9MPa等特殊规格压力管材。因此可根据输水管道的管线压力分布采用不同公称压力的管材，做到管尽其材，减少资源浪费。
●抗紫外线。
PE管道可有效抵抗太阳紫外线对管材的破坏，在阳光下正常寿
命可达20年以上，因此可以明敷或放置在户外使用，是临时管道或特殊工程的首选。
三、两种管材的技术比较
PE 管材内壁光滑，水阻系数小，在实际工程中，选用适当口径的塑料管材，可大幅降低常年运行费用。又塑料管材具有较小的弹性模量，可有效降低水锤对管材的破坏，提高管道长期运行的安全性能。
计算条件：
管线流量： Q 300 = 6000 m 3/d =0.069m 3/s ；
选用管材： DN300mm 球墨铸铁管材
dn315mm*18.7mmPE 管材
1、技术可行性分析
1）管道流速计算：
式中 d:管材内径（m ）
v ：管内水的平均流速（m/s ）
Q ：管材输水量（m 3/s ）
（1） D N300球墨铸铁管流速
v=4*0.069/3.14/0.32= 0.98m/s
（2） d n315mm*18.7mmPE 管材的流速
2
4di Q v π=
v=4*0.069/3.14/（0.315-0.0187*2）2= 1.14m/s
两种管材的流速均在其最佳经济流速范围内，完全满足输水要求。
2）水力计算：
● DN300球墨铸铁管水力计算
球墨铸铁管内流速＜1.2 m/s 时，管内水的流态属于紊流过渡区，单位水头损失可由下式计算。
3.03.12)867.01(000912.0v di
v i += 式中: i ：每米管道的水头损失(米)
di ：管材内径（m ）
v ：管内水的流速（m/s ）
代入得单位长度水头损失：
3.03.12)98
.0867.01(3.098.0*000912.0+=i = 0.0051m/m ● dn315mm PE 管，流量为0.069m 3/s 时的水头损失：
761.4761
.12
239.000093.02304
.0i
i f e i
E d q i g
v d L h R d v R ?=??==
?=得：
代入达西公式和水力摩阻系数将雷诺数λλγ
△i=0.0051-0.00375 = 0.00135 m/m
计算结果表明，在输水流量相同条件下， dn315mm PE 管材水头损失比DN300球墨铸铁管小，水力性能更佳，在同样水头损失下，流量更大，更适用于管道输水。
2、安全性分析
1）抗水锤能力计算：
当设计一条管道系统的时候，应该考虑由于水锤引起的压力波动。当液体快速开始流动或停止时（因事故或停电造成的开停泵）液体动量引起管道瞬时压力上升，往往造成管道破坏，因此管道的抗水
锤能力对管道的运行安全影响很大。
对停泵水锤压力增值可由以下公式计算：
v g
a F ??=? 其中压力波回流速度
)1
(1
n p i w e E d K g a ?+=γ
式中 F ?：水锤压力（m ）
v ?：流速变化，取平均流速
a ：压力波回流的速度（m/s ）
w γ：水的重力密度取10×103N/m 3 m m i /00375.0)
2*0187.0315.0(069.000093.0761.4761
.1=-?=
K ：水的体积模量取2200×106 N/m 2
Ep ：管材的弹性模量，铸铁管材取16×1010 N/m 2，PE 管
取8-9×108 N/m 2
d i ：管材内径
e n ：管材壁厚
压力波回流速度计算：
球墨铸铁管 DN 300mm*7.2mm
)2.7101600003001022001(8.910101
663??+??=a
=1170.76m/s
则水锤压力增值
98.08
.93.1072?=?F =117.08米水柱 PE 管材 dn315×18.7mm
)7.181085027.183151022001(8.910101
663???-+??=a =233.86m/s
由于PE 管材较铸铁管材具有更低的弹性模量，水锤压力的增值明显降低，可有效防止水锤压力波动对管材本身造成的危害，提高管道长期运行的安全性。
2）管道连接安全性
米水柱20.2714.18
.986.233=?=?F
PE管道采用焊接连接，无论是对接焊还是电熔焊或者承插焊接，
其焊接原理相同，均为同体熔融连接，一体性好，管道运行后基本不
需要特别维护；而球墨铸铁管道的橡胶圈接口是活口，必须做好管道
的回填及弯头、三通等处的支墩设置工作，否则日后管道接口在遇到
水锤、地基沉陷、重荷载、地震等因素容易拔开漏水。
综上情况，从输水技术角度来看，PE管道无论在水力性能，还
是运行安全性上均优于同规格球墨铸铁管。
四、管道经济分析
1、管材材料费
单位：元
上表可知，当管径≤DN300mm管径，管径越小，PE管材价格优势越明显。
2、管网常年运行费用分析
管网常年运行费用是一般是通过泵站电能消耗来维持的，PE管
材比铸铁管常年运行耗电量的节约按照下式计算：
?
=43
.1
E?
H
Q
式中
E：年运行耗电量（KWh）
Q：日供水量（m3/d）
H ：水泵工作全扬程差（m ） H=（△h 铸铁-△h 塑）×L
（1）PE dn315管材与铸铁管DN300相比，PE 管材节电量 KWh E 万58.111000000135.0600043.1=???=
如果电费按0.57元/KWh 计算，年运行费用可比铸铁管节约
11.58万KWh ×0.57元/KWh=6.6万元
由此可见，合理使用PE 管材代替铸铁管，日常运行费用仅用电量一项每年即可降低6.6万元。
(2) 常年运行费用差额折现。
PE 管道使用寿命为100年，铸铁管道使用寿命为30-50年；本计算均取30年使用寿命。折现率取i=7%（公益性，如商用则为12%），残值为零，管道按当年投资当年运行计算。
则：DN300球墨铸铁管材与dn315mm 管材相比
△E=6.6×13.278=87.6万元
即当保证6000 m 3/d 的输水状况下，DN300mm 铸铁管（按30年计算）比PE 管材多支出的运行费用（仅电耗）折现值为87.6万元。如按照100年计算，考虑常年维修、维护费用，将节约更多。
3、施工费用
根据经验，塑料管材是同规格球墨铸铁管材的1/3,管径越小差距越大。
从以上经济比较，中小口径PE 管材在管道材料成本、运行能耗、管道施工等方面均优于球墨铸铁管材，是塑料管道的最佳应用领域。
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