球墨铸铁管与钢管比较-与新兴铸管商榷

最近有输水管道业内人士传给我一份新兴铸管写的《球管与钢管的技术比较》，期间我还在网上看了两个新兴铸管的PPT，《球墨铸铁管与钢管比较》和《球管以PCCP管的比较》。本来认为这些材料是企业的市场宣传，管道工程技术人员在设计管道时会理性判断，正确加以选择。其实不然，很多业内专业人士甚至认可这其中的观点，因此，本人认为有必要与新兴铸管商榷，澄清几个有关的说法和问题。

1?球墨铸铁管在欧美地区使用比例达到90%以上

输水钢管在北美使用超过160年，1858年第一条输水钢管安装在加州当时的淘金地区，这条水管用铆接钢管制成，直径为280－560mm，壁厚1.6mm。这条输水钢管一直使用到1970年代，寿命超过100年。第一条焊接输水钢管于1926年生产，管道长近130Km，管径1549－1651mm，当时由加州东湾水务局安装在莫凯勒米水道。到了1940年，美国大概安装有5630Km长的输水钢管。1970年代有差不多8850Km长的输水钢管在使用。北美大口径输水管道市场主要是由螺旋焊管提供，其它还包括钢筒混凝土压力管（PCCP），球墨铸铁管的份额很少。球墨铸铁管通常在DN600或DN800以下口径相对钢管有成本优势，因此口径超过DN1000以上的球墨铸铁管在欧美国家很少，反观国内由于没有太多输水钢管的竞争，大口径球墨铸铁管已生产到DN2600。

从上图可以看到，北美主要的4家生产输水管道的企业都有焊接钢管的生产工厂。美国最大的铸管企业American有2家生产输水钢管的工厂。从另一个侧面可以看出，没有钢管产品的企业不是一个完整的输水管道生产企业。

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球墨铸铁管比钢管耐腐蚀，不需要阴极保护

这种说法目前在国内非常流行，深入人心，似乎球墨铸铁管中添加了什么神奇的元素使其耐腐蚀性能大大提高。生产球墨铸铁时需要进行球化处理，即向铁水中加入一定量的球化剂（镁或稀土等）和促进石墨化，减少白口的孕育剂，以获得细小均匀分布的球状铸铁。这些元素并不能提高球墨铸铁管的防腐性能。在讨论抗腐蚀能力时，首先须澄清一个问题，实际应用中不允许使用没有防腐的金属管道（无论是球墨铸铁管还是钢管），50年的设计寿命不是靠裸金属管道来实现的，而是由金属防腐层的好坏所决定的。美国通过对159个铸管埋地管道进行的监测结果表明，黑色金属的各种铸管腐蚀速率和钢管是一样的，虽然金属大量流失，但球墨铸铁管看上去外观要好一些（参看 Review of the Bureau of Reclamation's Corrosion Prevention Standards for Ductile Iron Pipe 2009）。下面的几张球墨铸铁管腐蚀失效的照片是这个报告中的附图。

高质量生产的球墨铸铁管基本能够满足输水管道的一般应用。而质量管控差的铸管企业生产的球墨铸铁管基本上与手工防腐钢管相差无几。因此，不要以为球墨铸铁管就一定比钢管耐腐蚀。当电阻率小于100欧姆米时，美国垦务局（类似于国内水务公司）建议普通防腐的球墨铸铁管采取阴极保护，而重防腐（聚合物涂层）球墨铸铁管当土壤电阻率小于25欧姆米时也需要阴极保护（参见 Corrosion Considerations for Buried Metallic Water Pipe 2004）。

新兴铸管在文章和报告中用工厂生产的球墨铸铁管与国内手工防腐（外防腐为三油两布，内防腐为水泥砂浆或IPN8710涂料）的输水钢管做比较，一个是工厂程序化机械生产，质量管控严格的的球墨铸铁管，另一个是手工操作，防腐质量无法把控的输水钢管。由于加工手段不同，虽然它们采用的防腐材料基本相同，但实际防腐效果相差甚远。不过从另一方面提醒我们，除了现场补口施工，手工防腐的输水钢管应当全面禁止生产和使用。

　　

球墨铸铁管防腐形式除了常规的内衬水泥砂浆和管外喷涂沥青外还有其它多种防腐，重防腐为内外喷涂环氧或聚氨酯。

而新型的输水钢管内外防腐通常为聚氨酯，或内防腐采用离心衬里的水泥砂浆（如下图所示），与球墨铸铁管的最高防腐等级相同。

输水钢管内外防腐建议采用的国内相关标准规范如下：

· SY/T 0457-2010 钢制管道液体环氧涂料内防腐层技术标准

· SY/T 4106-2005 管道无溶剂聚氨酯涂料内外防腐层技术规范

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球墨铸铁管比钢管机械性能高，承压能力大

球墨铸铁管是通过球化处理使得球状铸铁中的石墨呈球状，提高了强度，塑性和韧性。其综合力学性能接近于钢，因其铸造性能好，成本较低生产方便，在工业中得到了广泛应用。

铸造金属组织是无法与热轧卷的轧制金相组织相比的，因此其机械性能将全面落于下风，输水钢管一般采用Q235钢级，这是热轧卷中强度最低一级的钢材，因为输水压力不高，它的强度足够，所以没有必要再提高钢级。如果工作压力较大（如水电行业输水管道和油气管道），我们可以选用高钢级的管线钢（加入稀土元素，控制轧制），比如X80钢级（西气东输三线管道压力12MPa）的屈服强度达555Mpa，目前国内已生产出X100钢级的热轧卷。因此，不建议球墨铸铁与钢材比机械性能，而且球墨铸铁不能弯曲和焊接，低温抗冲击性能很差。

输水钢管的壁厚计算公式为，

t = PD/2S

式中：

P—管道内压

D—管道直径

S—许用应力

按照AWWA输水钢管壁厚设计，在正常工作压力下，输水钢管钢材设计许用强度为50%的屈服强度（意味着安全系数＝2）。

S＝0.5σs

在水压试验和瞬时压力（如水锤）下，钢材许用强度提高到75%的屈服强度。

S＝0.75σs

假设计算输水内压1Mpa，采用Q235钢级，选取安全系数2，当管径D为1000mm时，壁厚t为4.3mm；当管径为2000mm时，壁厚为8.5mm。

而实际上国内输水钢管径厚比（D/t）约为100，当管径D为1000mm时，壁厚t为9.0mm；当管径为2000mm时，壁厚为18.0mm，换算成安全系数为4.2。

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球墨铸铁管承插连接比钢管安装方便，抗震性能高

新兴铸管在《球管与钢管的技术比较》一文最后的结论中这样写道：

“钢管是传统管材，技术经验成熟，是业主和设计单位优先考虑的管材；球墨铸铁管是新兴管材，许多性能不为人熟知，随着大量工程使用，在管材使用中的各个方面的比较和印证，球墨铸铁管更胜一筹。钢管性能优越，主要的问题在于接口，接口现场焊接强度不高对管线运行压力的影响，以及接口二次防腐不佳对长期使用寿命的影响，到目前为止，各个钢管厂家无法拿出更好的解决方案。”

上述观点相当中肯，同时也指出了国内输水钢管需要解决的问题。

国外都采用工厂生产和防腐的输水钢管，根据需要还可以在管端加工承插接口，与国内输水钢管相比，其特点是减壁，防腐和接口。这三方面是我国输水钢管今后的发展方向。可喜的是，国内目前借鉴油气管道的技术开始采用高分子聚合材料进行内外防腐，并且开发了多种承插接口用于输水管道领域。

回到新兴铸管的第4点说法，实际工程设计中并不是所有场合都适用承插柔型连接（非限制性接口），即使是承插连接的管道，间隔一定距离须设置止推支墩来限制位移防止管节脱扣，或者采用限制性接口（铸铁管的自锚接口）进行管道连接（参看上图）。

行业内流行的另一种说法是柔性承插接口抗震性能高，并且用汶川地震后的球墨铸铁管照片（下图）做注解。

实际上，强震会破坏承插柔性接口，设计规范要求选用材料强度和韧性好的管材，采用刚性连接，从这点来看，由于钢管优越的梁强度，采用钢管和焊接连接是合适的。在强震多发地区须选用限制性接口，日本在铸铁管自锚接口的研发方面处于世界领先。

总结

球墨铸铁管的两个主要优势是小口径成本低和商品化的库存生产。与钢管相比，口径DN600及以下球墨铸铁管比钢管便宜；由于是按照管径系列做库存生产，对于应急管道敷设和修复反应迅速。

对于大口径输水管道来讲，水力计算设计的管径往往与球墨铸铁管尺寸系列不能吻合，因此选用钢管（大口径焊管可以定制任意直径）是经济合理的方案。

当初开发铸铁管和PCCP管的的历史背景是钢铁产量有限，钢材价格过高。由于输水管道要求相对不高，为了减少用钢量，降低生产成本，先后开发出了铸铁管和PCCP管。因此，考虑综合工程造价和服务期内的运行成本，当钢管具有价格优势时，输水管道应当优先选用钢管。焊接钢管是大口径输水管道的第一选择。

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· 中国大口径输水钢管的新机遇  —  减壁，防腐和接口

· 输水钢管与PCCP和球墨铸铁管的优劣对比

· 输水钢管与PCCP和球墨铸铁管的优劣对比（续）

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中国大口径输水钢管的新机遇