1、 供水管道的全生命周期变化供水管道的全生命周期变化邱顺添、侯庆志、信常春、陈西风2024年3月21日IPTT 2024 济南2报告提纲一、我国供水管道现状二、管材结构力度变化三、管道内部变化（物理化学生物）四、小结IPTT 2024 济南一一一一3我国供水管道现状城市供水管网是输配生活饮用水的重要设施，也是保障城市正常运行的重要“生命线”之一。截至2022年我国城市供水管道总长度约为110万公里，比2019年增加18万公里。英格兰供水管道总长度约为46万公里，建成区约1.8万平方公里，密度约26公里/平方公里；更新投资580亿/年，32万/平方公里。0.01 0.37 0.40 1.08 1.
2、13 1.23 1.32 1.62 1.82 2.23 3.18 3.37 3.72 4.04 4.36 4.90 5.53 6.97 7.03 7.25 9.32 11.32 11.60 12.09 12.48 12.72 14.06 17.09 19.53 20.77 20.98 23.30 36.12 0.00 0.00 10.00 10.00 20.00 20.00 30.00 30.00 40.00 40.00 郑州市 深圳市 南昌市 青岛市 大连市 兰州市 西宁市 武汉市 宁波市 南京市 福州市 拉萨市上海市 杭州市 太原市天津市 成都市 呼和浩特市 重庆市 石家庄市 广州市 长春
3、市 厦门市 贵阳市 济南市 长沙市 沈阳市 南宁市 合肥市 西安市北京市 银川市 哈尔滨市单位长度供水管道投资（万元单位长度供水管道投资（万元/公里）公里）20222022年全国年全国3636个主要城市个主要城市单位长度供水管道投资一览单位长度供水管道投资一览IPTT 2024 济南一一4供水管道的全生命周期u 从管道设计到废弃的全生命周期变化进行考虑，为管道运行和维护提供科学依据，这对合理延长管道使用寿命具有重要意义！设计阶段设计阶段根据供水需求、地形等因素合理布置根据供水需求、地形等因素合理布置,选择抗压强度高、使用寿命长的优质管材选择抗压强度高、使用寿命长的优质管材施工阶段施工阶段保证管
4、道连接严密、埋设合理保证管道连接严密、埋设合理废弃阶段废弃阶段按设计寿命及时更换管道，废弃管道的处理、回收再利用。按设计寿命及时更换管道，废弃管道的处理、回收再利用。运维阶段运维阶段运行初期运行初期,管内水流通畅管内水流通畅,管材结构力学性能良好管材结构力学性能良好长期运行，内壁积聚沉积物，供水通道变窄；形成生物膜，加速腐蚀长期运行，内壁积聚沉积物，供水通道变窄；形成生物膜，加速腐蚀运行末期，管材老化运行末期，管材老化,抗压强度和耐腐蚀性下降，无法满足基本安全要求抗压强度和耐腐蚀性下降，无法满足基本安全要求IPTT 2024 济南一一一一5供水管道的全生命周期 饮用水在管道内输配过程中，存在爆
5、管、漏损、水压不足、水质二次污染等问题，直接影响了供水管道的使用寿命以及输水效率。图 1.供水管道爆管图 3.19962019 年中国城市平均管网漏损率图 2.“黄水”事件图4.铸铁管道管垢Jia et al.,(2021),Journal of Hazardous Materials,doi:10.1016/j.jhazmat.2021.127324IPTT 2024 济南二二6供水管道的设计与施工u 市政供水管道设计时应充分地了解城市现状及未来发展需要，并充分满足供水安全。应根据供水需求、地形等因素合理布置,选择抗压强度高、使用寿命长（预期50年以上）的优质管材。表表1.1.城市供水系统不
6、同管材性能对比城市供水系统不同管材性能对比管道类别 实物图管道种类优点 缺点 常见失效原因 钢管碳素钢管、不锈钢力学性能好，能够承受较大的荷载造价较高腐蚀老化不均匀沉降胶圈硬化铸铁管球墨铸铁管、灰口铸铁管（逐步淘汰）力学性能好，能够抵抗一定的不均匀沉降造价较高 不均匀沉降腐蚀老化混凝土管 钢筋混凝土管、预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管造价低，强度高，耐腐蚀性强重量较大，不便于运输和安装 不均匀沉降塑料管材管硬聚氯乙烯管、聚乙烯管、钢塑复合管耐腐蚀性强，内表面光滑，不易结垢强度低，线膨胀系数大，受温度影响影响大，易老化不均匀沉降材料硬化IPTT 2024 济南二二7供水管道的设计与施工u 严格
7、保证供水管道施工过程的质量，保证管道连接严密、埋设合理才能保证管道达到预期寿命！定线开挖沟槽下管接口覆土试压冲洗消毒工地清扫 下管：管材下管前作最后检查,有破损或裂纹的需剔除。接口：刚性接口（填料）受力时易损坏，柔性接口（如橡胶圈）能适应少量位移，不易损坏。试压：试压前应先检查管线中弯头和三通处的支墩筑造情况，否则因受力不平衡，可能引起接口松脱。图.供水管道安装IPTT 2024 济南三三8运维阶段管道内部变化管道性质基管类型内衬类型金属管道灰口铸铁管早期无内衬，后期以硅酸盐水泥砂浆内衬为主金属管道球墨铸铁管硅酸盐水泥砂浆内衬为主金属管道钢管硅酸盐水泥砂浆内衬为主金属管道不锈钢管无内衬塑料管道
8、PE无内衬塑料管道HDPE无内衬胡玲,(2024),净水技术,doi:10.15890/ki.jsjs.2024.02.003u 运行过程中从三个方面考虑管道内部变化3.1 物理变化3.2 结构力度变化3.3 化学和生物变化IPTT 2024 济南三三9运维阶段管道内部变化u 3.1 物理变化 由于城市规模逐渐扩大，供水管网拓扑结构日益复杂，在输配水过程中会发生压力变化、流速变化、过水断面缩小等一系列的物理变化。图.某市供水管网拓扑结构IPTT 2024 济南三三10 管材的结构力度变化是管道材料在长时间使用和各种环境因素作用下的性能衰减和老化，受到管材的材质、壁厚、连接方式、使用环境等多个因
9、素的影响。1、腐蚀：金属管壁变薄2、老化：环境影响下材料变硬、变脆3、疲劳：长期承压出现裂纹、断裂 4、变形：在外力作用（如土壤移动、不均匀沉降等）下，管道变形导致管道破裂、爆管风险增加DN1400供水管自身管裂侯广冰.给水管道结构安全性评价D.中国地质大学(北京),2018.自然灾害破坏管道腐蚀u 3.2 结构力度变化三三运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南11l依据建筑给水排水设计规范GB 50015-2003（2009年版）规定，3.3.5A 居住建筑入户管给水压力不应大于0.35MPa。l依据城市给水工程规划规范 GB50282-2016规定，3.0.3 用户接管点处的最小服务
10、水头按一层为10m（0.1MPa），二层为12m(0.12MPa），二层以上每增加1 层增加4m(0.04MPa)。u 3.1 物理变化：压力变化 供水管网中压力调节是管网运营调度的一种方式，合理降低管网压力和管道负荷，将有利于减少漏损，降低爆管的概率，延长管网寿命。而管网中瞬态压力（水锤）是导致管网老化和损坏的主要原因，并最终产生爆管。裂纹薄弱位置凸起凹陷向下水击向上水击爆裂图.由于瞬态压力导致的管道损坏三三运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南12图.阀门关闭引起的瞬变压力（水锤）u 3.1 物理变化：压力变化瞬变压力引起的管道问题：l 管道爆裂l 接头断裂l 密封件和衬垫损坏Sch
11、mitt C et al.,(2010),Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures,doi:10.1111/j.1460-2695.2006.01071.x.三三运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三13u 3.2 结构力度变化:腐蚀加速管道性能的衰减 如果管道内部压力高于设计预期，应力状态超过极限失效包络线（ultimate failure envelope），管道就会发生破裂。图 1.腐蚀坑尺寸对灰口铸铁管强度的影响图 2.灰口铸铁在工作载荷下的应力状态Balvant Rajani J M et al.,(2000)
12、,Canadian Journal of Civil Engineering,doi:10.1139/cjce-27-6-1259运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三14u 通过人工方式在镀锌钢管（壁厚3mm）内外壁制作缺陷，模拟腐蚀损伤。u 管道腐蚀缺陷深度与管道极限承载力负相关，同等深度下内腐蚀对极限承载力的影响比外腐蚀大，缺陷的存在使管壁应力呈现非线性变化关系。u 腐蚀深度达到管壁的60%时管道失效压力达到拐点。图 1.含腐蚀试件对比荷载应变曲线深度（mm）管道失效压力（MPa）内腐蚀试件外腐蚀试件杨润芳等,(2022),科技通报,doi:10.13774/j.Cnki.kj
13、tb.2019.03.039运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三15图 1.管材所受应力S与疲劳寿命N曲线图 2.不同服役时间聚乙烯管的力学性能张学敏 等,(2022),中国塑料,doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.02.008.u 3.2 结构力度变化:运行阶段管材疲劳变化 管材疲劳变化与其所受的荷载和应力类型及大小有关；与管道自身对于荷载和应力的承载能力有密切关系。管道所处的疲劳极限状态决定管道是否存在破坏的风险或其所处的疲劳破坏程度。极限状态可分为四种：塑性变形破坏、疲劳破坏、管线失稳（屈曲或皱折）、变形和偏差。在一定循环特征下，最大应力 S
14、 越高，疲劳寿命 N 越短。管材服役9年后，其屈服强度和拉伸模量均下降。运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三16u 3.2 结构力度变化:不均匀沉降导致的力学性能变化 供水管道不均匀沉降影响因素包括城市隧道施工、冲蚀空洞、等；供水管道的弯矩最不利状态一般由双线隧道中地层移动量较大的隧道控制，后行隧道施工后会减小管道的受力状态；冲蚀空洞会导致管道产生纵向应力，当空洞长度增大到一定程度时，纵向应力成为主控因素。随着空洞长度的增加，不同内压和埋深下钢管应力增幅显著朱战魁.不均匀沉降和腐蚀耦合作用下埋地供水管道力学性能研究D.天津大学,2022.DOI:10.27356/ki.gtjdu.
15、2020.000759.空洞引起的纵向应力增长速率更快双线隧道施工下 DN800 钢管管道弯矩运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三17u 3.2 结构力度变化:流体及环境因素加速腐蚀司晓东.高温单相流管内流场对流动加速腐蚀影响研究D.东南大学.DOI:10.27014/ki.gdnau.2020.000167.流体动力学因素：流体流动主要影响可溶性溶解产物从金属壁面向主体溶液传质过程，主要影响因素包括：流速、管道表面粗糙度、管道的几何形状、流型、孔隙率以及两相流的含汽率等。环境因素：主要影响电化学反应过程，影响因素包括流体的pH 值、温度、氧含量、碱化剂、水中杂质以及氧化还原电位等
16、。pH25=8.7,不同流量下单相流流动加速腐蚀的变化。流速增加，腐蚀效率变大不同 pH 值碳钢管道含 Fe 离子释放较高的 pH 值有利于抑制管道腐蚀速率运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三18 供水管道如同一个密闭的反应器，在其内部会发生复杂的化学反应与生物反应，进而影响管道结构力度及水质。二二消毒副产物管壁微生物腐蚀化学腐蚀化学变化微生物变化细菌群落结构演替生物膜形成u 3.3 化学与生物变化运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三19u 3.3 化学与生物变化：化学腐蚀图.20年镀锌光管管垢腐蚀产物的形貌l 管垢结构由管中心向管壁依次为:薄而疏松的腐蚀表面层、致密层
17、、疏松多孔层、铁基体。l 主要成分：-FeOOH、-FeOOH、-Fe2O3、Fe3O4、Fe CO3Fan et al.,(2012),Water Research,doi:10.1016/j.watres.2012.07.031谭浩强 等,(2014),中国给水排水,doi:CNKI:SUN:GSPS.0.2014-03-017田一梅 等,(2022),中国给水排水,doi:10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2022.02.004 管道腐蚀导致管网水中的铁、锰离子浓度升高是产生“黄水”红水”问题的主要原因。另外管道腐蚀还会将微量重金属离子如铬、钒、钴、镉、铅等的释放到
18、管网水。l 在SO42-与Cl-影响下，管垢中铁离子释放：运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南20 自来水管道发生局部腐蚀后，在管壁面上生成一个个凸起的腐蚀瘤，其高度可达2030mm，导致管壁糙率大幅增加。大面积腐蚀后生成高低不平的锈瘤层，管道的有效过水横断面积将明显缩小，水头损失增加。严重的腐蚀过程会导致管道材料变薄，甚至出现穿孔。运行30年的铸铁管道有效直径可能降低为新管直径的3050%。图.供水管道腐蚀与结垢1铁腐蚀铁的氧化物与氢氧化物2锰沉积锰氧化物（MnOx）3钙/镁离子沉积碳酸钙、碳酸镁4颗粒物泥沙表 1.腐蚀瘤与管垢组成于甜甜,(2022),天津大学,doi:10.273
19、56/ki.gtjdu.2022.000649.三三运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三21u 3.3 化学与生物变化：生成消毒副产物 氯消毒剂与水中消毒副产物前体物（有机物或无机物）反应生成具有毒性的消毒副产物，当前已有 700 多种消毒副产物于饮用水中被检出。主要包括三卤甲烷类(THMs)、卤乙酸类(HAAs)、卤乙醛类(HALs)、卤乙腈类(HANs)和卤代酮类(HKs)物质等。饮用水中DBPs浓度一般在 ngL 1 至 gL1级水平。序号种类浓度1三卤甲烷类(THMs)0.8107.0 gL12卤乙酸类(HAAs)0.4559.6 gL13卤 乙 醛类(HALs)ND10.
20、4 gL14卤乙腈类(HANs)ND6.7 gL1何洪威 等,(2012),环境科学,doi:CNKI:SUN:HJKZ.0.2012-09-027Kaliet al.,(2021),Environmental Pollution,doi:10.1016/j.envpol.2021.116950楚文海 等,(2021),环境科学，doi:10.13227/j.hjkx.202103034表.我国饮用水中常见消毒副产物的浓度水平2、无机前体物溴离子 当原水中溴化物浓度超过 100 gL1 时，溴代三卤甲烷（Br-THMs）是总三卤甲烷的主要成分，其细胞和遗传毒性是同系氯代消毒副产物的 10 倍以
21、上。1、腐殖质是消毒副产物的主要有机前体物，1 mg 腐殖质能产生 108.24 g 的三卤甲烷。运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三22u 3.3 化学与生物变化：产生生物膜Prest et al,(2016),Frontiers in Microbiology,doi:10.3389/fmicb.2016.00045 产生微生物腐蚀；为条件致病菌提供生长场所；消耗余氯；脱落后可作为消毒副产物的前体物；需要重点关注管网系统中生物膜的生长与脱落。给水管网中生物膜的反应过程运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三一一23u 3.3 化学与生物变化：微生物腐蚀 微生物主要通过电
22、极电位和浓差电池发生变化而间接参与腐蚀作用，管道被微生物腐蚀后会导致管网水浊度升高、金属离子浓度增加，产生嗅和味，甚至为条件致病菌提供生长场所，构成严重的健康风险！金属管道内壁腐蚀4FeCO3+6H2O+O24Fe(OH)3+4CO2铁细菌4Fe+SO42-+4H2OFeS+3Fe(OH)2+2OH-硫酸盐还原菌张可佳 等,(2020),给水排水,doi:10.13789/ki.wwe1964.2020.12.019.运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南24图1.激光共聚焦生物膜厚度检测u 波动流速条件促使了生物膜生长，反向流也会导致生物膜脱落。u 波动流速条件下生物膜中细菌总数分别比
23、低流速与高流速条件高6.64%94.38%和16.8767.73%。图2.生物膜中细菌总数检测u 3.1 物理变化：流速变化Khu ST et al.,(2023),Journal of Water Process Engineering,doi:10.1016/j.jwpe.2023.103882三三运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南25u 3.1 物理变化：流速变化 流速产生的剪切力会使管壁上附着的锈蚀物、生物膜、管垢脱落至管网水，进而影响水质，如浊度、色度、细菌总数等。图 1.管道在低流速（0.25 m/s）和高流速（0.65 m/s）运行条件下，经流速为1.78 m/s的水流
24、两次（10min与20min）冲刷后管网水中浊度与细菌总数变化.图 2.不同流速下生物膜脱落对管网水中细菌总数的影响Zhu et al.,(2014),Advanced Materials Research,doi:10.4028/ 2024 济南26 供水管网的流速范围通常根据管道直径和供水需求来确定。以下是一些常见的经济流速范围：图.南方某市典型的变化水力条件u 3.1 物理变化：流速变化序号管径流速1大于DN4000.9m/s到1.4m/s2DN100与DN400之间0.6m/s到1.0m/s3小于DN1000.8m/s到1.0m/s 然而，在实际供水管网中由于水泵启闭、阀门操作、用户用
25、水量变化时，供水管网中流速经常出现变化，如流速的波动、反向流等。流速越大对管壁的剪切力越大，冲刷管壁降低管道强度。1=28 其中1 为施加在管壁的剪切力；是水的密度；V是平均流速；为阻力系数。Khu ST et al.,(2023),Journal of Water Process Engineering,doi:10.1016/j.jwpe.2023.103882三三运维阶段管道内部变化IPTT 2024 济南三三27u 3.2 结构力度变化:温度导致的管材变化Benamor A et al.,(2018),Journal of Electroanalytical Chemistry,doi
26、:10.1016/j.jelechem.2017.12.009Guermazi N et al.,(2009),Materials&Design,doi:10.1016/j.matdes.2008.09.003温度达到零摄氏度时，事故数量往往更多（即故障率在冬季较高）主要原因：冻胀导致的荷载和应力、管土壤温差产生的应力图1.每个温度下记录的天数和故障数量图2.不同温度下抗拉强度随时间的变化温度升高引起力学性能退化主要原因：溶剂分子扩散到涂层中产生塑化机制图3.(a)碳钢在不同温度下的极化曲线(b)不同温度下的腐蚀速率温度升高，加速腐蚀速率主要原因：温度升高时金属溶解和氧化还原反应加快运维阶段管
27、道内部变化IPTT 2024 济南一一供水管道维护与修复28u 供水管道维护前后状态变化图3.生命周期内供水管道失效动态演变与维护效果图2.管道修复后最大周向应力及内压对比图1.管道修复前后的状态及极限内压对比四四Shamsuddoha M et al,(2013),Composite Structures,doi:10.1016/pstruct.2012.12.019褚俊英 等,(2022),水资源保护,doi: 2024 济南一一结论291.供水管道运行过程中会发生一系列物理变化（压力变化、流速变化、过水断面缩小）、化学变化（化学腐蚀、产生消毒副产物）和生物变化（微生物腐蚀）2.供水管道受到外部环境、内部反应条件的影响，会出现腐蚀、老化、疲劳、变形等结构力度的变化。3.为合理延长管道使用寿命，除了采取修复手段外，也应考虑管道的全生命周期变化。IPTT 2024 济南感谢聆听感谢聆听祝大家工作顺利！祝大家工作顺利！IPTT 2024 济南
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