1、离心球墨铸铁管离心球墨铸铁管(下称球铁管)具有铁的本质，钢的性能，高强度、高延伸、耐腐蚀，是城市供水和低压供气的首选管材。球铁管是供水管网中使用量最多的一种管材，球铁管自20世纪40年代发明至今近60年历史。国外从二十世纪六十年代以来就得到迅速的发展，目前世界的球铁管产量约800万t，其中欧洲160万吨，北美250万吨，南美25万吨，中东20万吨，澳洲10万吨，亚洲330万吨。一、国内外生产概况：国外生产概况：国外工业发达国家从六十年代开始逐渐淘汰了普通灰口铸铁管，普遍采用了球铁管，法国莫松桥公司、日本久保田公司为世界上规模较大，技术先进的球铁管生产厂家。目前国外球铁管铸造技术主要是采用的水冷
2、金属型离心铸管技术；对大口径管用热膜法或树脂砂衬离心铸造技术。国内生产概况：据不完全统计，原有铸铁管生产厂家达200多家，绝大多数厂家是用连续铸造工艺。1983年，邢台钢铁厂首先引进了热模离心铸管工艺。1998年，新兴铸管集团公司利用自主技术开发的特大型热模离心球墨铸铁管生产技术，生产出了长8000mm，直径为2000mm的球墨铸铁管，应用于太原引黄工程。近10多年来，我国铸铁管厂家进行了技术改造，铸造方法由连续铸造转向离心铸造，连续铸造工艺已基本被淘汰。尤其是进入90年代，我国离心球墨铸铁管进入高速发展阶段，目前我国已经明令淘汰灰铸铁管，给离心球墨铸铁管带来良好的发展机遇，至2007年国内生
3、产厂家约30余家，110多台离心机，口径DN802200mm，产能约300万吨。2006年离心球墨铸铁管和球铁管件的出口量已达43.48万t，使我国球铁管铸造技术，已赶上及达到国际先进水平。二、优良的性能球铁管具有铁的本质，钢的性能，高强度、高延伸、耐腐蚀，是当今世界安全可靠用于输水供气的最佳选择。国内有关部门对1988年至1990年间30个主要城市供水管材发生的爆管、断管、泄漏等事故进行了统计，统计结果表明：平均事故率球铁管0.14次/Km，灰铸铁管0.55次/Km，钢管0.5次/Km。预应力管0.54次/Km，石棉水泥管1.72次/Km，塑料管4.68次/Km。球铁管平均事故率最低，是灰铸
4、铁管和钢管平均事故率的1/4，是塑料管平均事故率的1/33。表1 19881990年间30个城市使用几种管材发生事故的情况名称总长度(km)发生事故(次)平均事故率(次/km)总次数爆管折管口漏其它球墨铸铁管163.1424-1950.14灰口铸铁管22054.471220911572234468941290.55钢管775.504572357812960.59预应力砼管2587.321394108599093180.54石棉水泥管98.70172289819251.72塑料管318.7114948492103111244.681、优异的综合力学性能a）球铁管最小试验压力、延伸率和爆破水压表2
5、 球铁管最小试验压力和延伸率规格试验压力/MPa延伸率/%规格试验压力/MPa延伸率/%803005.010110020002.573506004.010220026001.8770010003.210表3 不同管径的爆破水压DNK9管最小壁厚 (mm)P1(bar)P2(bar)804.84112401004.83411921504.82371382004.91851093005.6144924006.4125865007.2114826008.0106797008.8100778009.6957590010.49274100011.29074120012.88672140014.48371
6、160016.08171180017.67970200019.27870注：P1-最小壁厚爆破水压，抗拉强度420MPaP2-最小壁厚减2mm爆破水压，抗拉强度420MPab）离心球墨铸铁管和钢管比较。表4 力学性能比较项目离心球墨铸铁管钢管抗拉强度/Pa4.21084.0207108水压试验/Pa3.92271083.9227108伸长率/%1024耐腐蚀性能好差比较可知，离心球墨铸铁管的耐腐蚀性能优于钢管，实践应用证明，离心球墨铸铁管使用寿命基于不同的使用条件可达50100年，是钢管的35倍。表5 球铁管、钢管的总体特点对比管材优点缺点球铁管1、耐内压强度高且能耐腐蚀；2、富有强韧性，耐冲
7、击强度大；3、机械接头的可挠性与伸缩性；4、接头施工方便；5、对于正常条件的土壤，无需再作专业的砂土管基，并且可使用掘出的土壤回填；6、霎头种类多。1、弯头、三通处需打水泥固定台防护。钢管1、耐内压强度高；2、富延展性，耐振动及冲击；3、接头可焊成一体，无须防止脱离。1、容易腐蚀；2、接头焊接、敷设防锈层费时，费用较高，涌水地带施工困难；3、为抵抗温度变化，需设置可挠管；4、大口径管容易鹿茸平；5、由于接头钢性，克服变形需使用沙子铺底，且要求用细沙回填并夯实。钢管在安装施工时采用现场焊接，为刚性联接。这种联接方式使本来就很棘手的防腐技术更增加了难度，防腐质量难以保证。同时钢管焊接后形成一条很长
8、的导电体，在城镇地下杂散电流和泄漏电流作用下，使钢管产生电腐蚀现象，加剧了对钢管的腐蚀速度。这就是钢管埋于地下寿命只有1525年的主要原因。如果将钢管埋于腐蚀性强的土壤中，其寿命会更低。c）离心球墨铸铁管与塑料管部分性能对比表6 球铁管与塑料管的部分性能对比管子公称内径mm100200300400500600700800壁厚mm球铁管6.16.47.28.19.09.910.811.7塑料管6.312.820.125.531.740.245.351.0重量kg/m球铁管15.832.353.880.3111.5147.0187.1232.0塑料管2.088.2221.234.052.584.4
9、107.0136.0使用压力MPa球铁管5.05.05.04.04.04.03.23.2塑料管0.68压力稳定性球铁管使用压力基本与年限及常规介质温度无关塑料管随年限与介质温度提高，使用压力明显下降热膨胀系数球铁管11.510-6K-1塑料管标准要求12.5310-4K-1，国外0.62.010-4K-1管线必须考虑温度补偿塑料管的允许使用的压力是随着使用年限的增长和介质温度的提高而降低。塑料管线被鼠类啃咬酿成事故的现象也是时有发生的。而这些缺陷对于离心球墨铸铁管材来说是不存在的。d）离心球墨铸铁管与PCCP管对比表7 球铁管与PCCP管的比较管子种类球墨铸铁管PCCP管备注承压能力10.60
10、.7单位重量13以DN1200为例，前者为420.1Kg/m，后者为1229 Kg/m运输中损伤01015%柔性接头转角350最大1.50对地基要求低要求砂基或混凝土基，且平整PCCP管不适合于复杂地形注：以球墨铸铁管为基准进行对比水泥管价廉、耐腐蚀，过去曾用于输水，近期主要用于污水的输送上。但与球墨铸铁管相比，它仍有很多不足之处e）管材的管体强度对比表8 不同种管材的壁厚编号管子种类管子壁厚（mm）水泥砂浆厚度（mm）1球铁管8.52球铁管7.03水泥砂浆内衬球铁管8.56.04水泥砂浆内衬球铁管7.06.05高级铸铁管11.56钢管6.0图1 管体强度2、抗震防冻性能优异球铁管具有较高的承
11、压能力和一定的延伸率，又采用柔性接口，橡胶圈密封柔性接口的特点是轴向偏移角为35，对于DN40DN300，不小于330；对于DN350DN600，不小于230；对于DN700DN2600，不小于130，T型柔性接口是滑入式接口的型式之一，该接口具有比刚性连接的管材更适应于管基局部不均匀沉降的特点，具有良好的密封性、延伸性，根据管径的不同，管子偏转角可达到14度，能吸收因地基沉降而产生的应力，避免管道破裂，接口的设计允许一定拔出量，可以补偿管线的热胀冷缩，因此管线具有柔性结构，输水供气的安全可靠性大大提高，并且具有较强的抗震和防基础下陷的能力，以及防止雨冻的现象。球墨铸铁管的接口类型较多，如果设
12、计一条管线，可根椐地质报告提供的情况, 在管基土壤抗垂直承载力特差的局部地段，且置换也达不到设计要求时,在该地段设计时，可考虑选用一部分抗地基变动能力较强的自锚柔性滑入式接口的球管，这种接口的球管功能是使管线形成一种链式构造，从而在地基不良，发生大地震地情况下也能安全使用。表9 不同管径的允许拔出量规格拔出量/mm规格拔出量/mm8018600191002170034150278003920025900492502810005330028110061350281200704002114008245031150086500241600921979年6月12日宫城大地震后，日本自来水协会报告中的各
13、种管材发生事故统计数据，表明球墨铸铁管损耗率最低(见表15)。表10 地震对各种管材损耗率统计表 管材球墨铸铁管钢管灰口铸铁管PVC管每公里管道损耗率0.041.240.170.173、耐腐蚀性能好，使用寿命长球铁管的耐腐蚀性主要取决于两个方面：一是其金相组织中的球状石墨质点形成一个惰性保护层，成为一个阻止进一步向内腐蚀的屏障，从而大大减缓了化学腐蚀的速度：二是接口的密封采用橡胶圈密封，它又起到了管与管之间绝缘体的作用，防止了长电流的形成，使电腐蚀现象大大减弱。由于抗腐蚀能力的提高，也使球铁管的使用寿命延长至50100年。1）球墨铸铁管本体在海水中的耐腐蚀性：浸入海水并进行机械搅拌，钢管的腐蚀
14、速度是球墨铸铁管的2倍，球墨铸铁管随着时间的延长腐蚀速度降低，而钢管不存在这种情况。表11 几种管材的海水腐蚀比较管子种类不同浸入时间腐蚀量毫克平方分米天毫米年进入时间90天180天360天90天180天360天球墨铸铁管24.016.113.20.1220.0810.066灰铸铁管24.916.414.50.1270.0830.073钢管30.220.727.30.1400.0970.130离心球墨铸铁管比其他材质的铸管，具有更好的耐腐蚀性能。2）球墨铸铁管本体大气腐蚀试验：ASTM（美国材料与试验协会）在农村、海岸和工业等不同地区进行的球铁和钢的大气腐蚀试验也呈现出相似的规律。 表12 不
15、同管材在不同地区的大气腐蚀比较 试验地区农村地区（微克平方分米天）海岸地区（微克平方分米天）工业地区（微克平方分米天）试验地点StateCollegePointKeyesCalifKureBeackN.CNewyorkN.JE.Chicagolnd试样种类状态1年3年1年3年1年3年1年3年1年3年铁素体球铁铸态9.01.018.85.115.14.812.91.211.22.2铁素体球铁加工5.61.87.32.29.05.08.81.013.51.7珠光体球铁铸态6.21.411.32.09.63.211.47.014.32.3珠光体球铁加工5.00.96.82.28.23.07.00.9
16、9.31.4低碳钢轧制9.73.024.421.730.215.117.63.414.73.83）球墨铸铁管防腐措施：管道埋设在土壤中首先受到土壤物理化学性质的影响，土壤的物理化学性质包括土壤性质、土壤类别、比电阻、含水量、PH值、植物根系、杂散电流及干扰电流和微生物繁殖情况等。从防腐机理上可将防腐涂层分为积极性防腐涂层和被动性防腐涂层。积极性防腐涂层防腐原理可分两种：其一，改变其保护表面的电极电位，如水泥砂浆涂层可升高金属表面电极电位使其钝化而不易被腐蚀；其二，降低涂层的电位使其低于管子金属表面，达到保护金属表面的目的（牺牲阳极）；被动防腐是将金属与其腐蚀环境隔绝，防腐效果取决于防护材料的电
17、绝缘性能和水密性。球铁管在在产品出厂时，已经做好了防腐涂层，传统的防腐工艺包括球铁管外表面喷金属锌和涂沥青。喷锌加沥青防护层具有两个相辅相成的防腐机理。其一，锌层的均匀腐蚀在铸管表面形成稳定的锌盐保护层，即使在金属锌完全消耗后，锌盐保护层也能为管子表面提供长时间的有效防护；其二，锌与铁之间的电化学反应产生的电流作用使破损涂层产生自我修复机能。在施工时，不必再做额外的防腐，可以直接安装。 另外，可根据用户的不同要求，提供不同内外涂层如外涂层：锌环氧防腐漆外涂层、聚乙烯套、聚乙烯覆膜管、聚氨酯涂层、锌铝粉沥青漆、锌冷缠带、锌铝合金环氧树脂涂层、预装隔热层等；内涂层：水泥砂浆内衬、水泥砂浆内衬封面涂
18、层、聚氨酯内衬、环氧树脂内衬、环氧陶瓷内衬等。4、施工简便、综合工程造价经济钢管可有整个系列尺寸范围的产品，在性能上无疑是球墨铸铁管的竞争对手。它已被广泛采用于供水业中，有的单独使用，有的和其它管材配合使用。但钢管供水线的综合成本限制了它的应用。表3是日本久保田公司试验DN1000以下的球铁管与钢管的对比的结果。表13 球墨铁管与焊接钢管对比试验结果材质材料费施工费维修费漏水率/公里年球铁管10050600100.01钢管901001000.3表14 国内某工程不同方案造价(元米)比较方案灰口铸铁管DN300SDRII聚乙烯管31528.6钢管3258K9级球铁管DN300项目管材费254.4
19、5463.80218.89275.52管件费12.72230.1910.9413.77安装费17.4031.4011.4031.40防腐费127.42合计284.52518.40388.65303.69使用压力，MPa0.20.40.40.4使用寿命，年30502050钢管安装时采用焊接。这种连接方式，也使本还是问题的防腐技术增加了难度。天津1983年引滦工程使用两条钢管供水线，由于没采用昂贵的阴极保护，而只使用“三油二布”石油沥青防腐，现由于沿线地理环境恶化（水质的PH值在5.56.0，土壤比电阻410M及细菌腐蚀），以及难于维修等原因，防腐层已老化，无防腐作用可言，管壁平均减薄0.5mm,
20、在焊缝周围有达直径15mm的深坑，坑深大于7mm，即年腐蚀0.4mm。原管壁厚1820mm，若再不采取额外措施，其寿命为25年。5、接口型式球铁管接口型式种类很多，接口为整体铸造，可满足不同的需要，每种接口在应用之前，必须经过严格的型式试验：表15 不同管径的接头安全性标准规格DN80DN200DN400DN800DN1600PFA（bar）8562423227PMA（bar）10274513832PEA（bar）107100564337偏转角3o 303o 302o 301o 301o 30注：PFA PMA PEA表16 球铁管接头安全性型式试验方法试验项目试验要求试验条件1.正内静水压力
21、试验压力：（1.5PFA+5）bar保压时间：2h无可见渗漏接口最大尺寸公差直线拔出接口施加剪切应力接口最大尺寸公差最大偏转角2.负内压试验压力：0.9 bar保压时间：2 h试验期间最大压力变化：0.09 bar接口最大尺寸公差直线拔出接口施加剪切应力接口最大尺寸公差最大偏转角3.正外静水压力试验压力：2 bar保压时间：2h无可见渗漏接口最大尺寸公差直线排列接口施加剪切应力4.循环内压24000次循环试验压力：PMA(PMA+5) bar之间无可见渗漏接口最大尺寸公差直线拔出接口施加剪切应力注：PFA-允许工作压力。部件在持续运行中能承受的最大静水压力水压。PMA-最大允许工作压力。部件在
22、运行中能经常承受的最大压力，包括冲击压。PEA-最大允许现场试验压力。为保证管线的完整和密封性，新安装的部件在相对短的时间内能承受的最大试验静水压力。目前常用的接口T型接口柔性滑入式接口、柔性机械式K型接口、自锚式防滑脱接口、U型接口、顶管等图2 柔性滑入式接口 图3 机械柔性接口图4 自锚式防滑脱接口 图5 U型接口图6 TD型顶管三、当前城镇供水管网组成状况当前城市供水管网组成状况，预示着球铁管的发展前景，我国城市供水管网中，铸铁管占80以上，近几年逐渐淘汰了灰铸铁管，大量使用球铁管。我国台北市至1996年敷设3412km管道中，球铁管占84.82。日本东京市城市供水管网中，球铁管约占90
23、。美国近几年内，年安装供水管道23万km，球铁管占47.7。有关部门在2002年对全国592个城市供水使用管材进行了统计，球铁管占10.05%，灰铸铁管占41.70%，钢管占14.96%，预应力管占9.50%，石棉水泥管占0.83%，塑料管占8.80%。统计情况说明：10年来，虽然使用球铁管的增长速度很快，正经历着由球铁铸管代替灰铸铁管的转变，但是球铁管在实际使用中，所占比重仍然偏低。与中国台湾、美国、英国、法国、德国、日本相比，还有很大的市场发展空间。国内有关部门对1993年至2003年全国30个主要城市供水管材实际使用情况进行了统计。1993年全国30个主要城市共铺设球铁铸管163Km，2
24、003年30个城市共铺设球铁铸管4595Km，增长了28.2倍，而灰铁管只增长了2.8倍，塑料管增长了16.6倍。统计结果说明，球铁铸管正逐步成为城市供水和低压供气的首选管材。表17 日本铸铁管比例变化情况年 份1965197019751980灰铁管（吨）193535260060773013730球铁管（吨）29935502408521453752701球管比例（%）13.465.998.598.2在建设部城市供水行业2000年技术进步发展规划中DN300DN1000mm，球墨铸铁管是理想的管材，确定这个规格段的球铁铸管作为今后城市供水管网的主要管材。在建设部城市供水行业2010年技术进步发展
25、规划及2020年远景目标也指定球墨铸铁管是未来供水行业的主导管材。球墨铸铁管以其优良的机械性能、安装简易密封完美的接头方式以及适用广泛的防腐措施，越来越得到市场的认同。四、球铁管在自然灾害中的优异表现2008年初湖南发生冻雨自然灾害期间，长沙水司进行了各种管道损坏抢修3001处，统计结果表明3001处中球墨铸铁管无一处，充分显示了球墨铸铁管柔性接口热胀冷缩性适应能力。据经济参考报平时工夫到灾时损失小，南昌“大灾无大碍”报道，高起点是财富，低起点是包袱“当其他城市自来水管像爆竹一样四处爆裂时，南昌市2100公里主要水管没有受到任何影响，整个水网处于正常使用状态。”为了提高城市供水保障能力，南昌市
26、从2003年开始，利用市政道路大面积改造的时机，对全市80%以上主水管进行同步改造，众多50年历史的自来水管网得到更新，还新建了300公里的主水管网。在改造过程中，南昌市采用国际最新材料高抗压性球墨铸铁管，取代原定的PVC塑料管，并深埋地底一米以下。2008年5月12日汶川特大地震灾害给四川省城镇供水设施造成了重大损失，都江堰、北川、什邡、绵竹、汶川等21个重灾县市的水厂震损、管网断裂，造成城区大面积停水，有的市县震后管网漏损率高达80以上，灾区居民及救援部队面临严重的饮水困难。其中，灰铸铁管和钢筋水泥管破坏最为严重。绵阳市是四川省第二大城市。根据卫星图测算，绵阳市距震中汶川直线距离为109.
27、4km，距此次地震重灾区北川县城直线距离为45.4km。根据国家地震局公布的汶川地震8.0级地震烈度分布图显示，绵阳市地处78度地震烈度区域。绵阳市水务集团有限公司现有供水规模为日供水20万m3d；年供水量4000余万m3y、供水面积56km2。根据2008年城市供水统计年鉴，供水区域中，管径在DNl00mm以上管道460km，主要管材为钢管、球墨铸铁管、预应力混凝土管，其中球墨铸铁管占供水主干管的80；其他管材以水泥管居多；还有部分PE管、PPR管。表18 绵阳市管网干管主要破坏维修记录序号管材维修记录数破坏部位接口管体1铸铁管198112钢管3213水泥管3304PE管4045球墨铸铁管000都江堰市地处10-11度地震强度区域，在这次地震中，管网破坏严重，城区内DN100以上的主干管，只有50%尚能使用，其余均因爆管等原因而瘫痪。不同的管道震后受损程度不同，从损坏严重由重到轻排序为：水泥管（特别是自应力水泥管）、灰口铸铁管、硬聚氯乙烯（PVC-U管）、聚乙烯管（PE管）、球墨铸铁管。
