球墨铸铁管资料1.docx
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球墨铸铁管资料1
离心球墨铸铁管材
摘要论述了离心球墨铸铁管的进展历史，主要性能特点，重点论述了球铁管的防腐涂层。
通过离心球墨铸铁管材与其他管材的比较，论证了在其应用领域具有竞争优势。
关键词离心球墨铸铁防腐涂层
前言
球墨铸铁管作为目前世界上主要管材之一，它具有力学性能好，壁薄强度高、可大量节约铸造生铁，施工简便、施工费用低，靠得住性高、保证安全供水输气，耐侵蚀性好、利用寿命长等特点，普遍应用于输送饮用水、污水、煤气和天然气等领域。
随着科学技术的迅猛进展，各类新型管材不断涌现，球墨铸铁管面临着与日新月异的新管材的激烈竞争。
不同的管材有不同的利用条件和场所，在我国城市和工业输水供气工程建设上，离心球墨铸铁管仍是首选的管材，具有较强的竞争优势，且在其防腐涂层方面，尚具有必然的进展潜力。
1．球墨铸铁管材的进展历史
人类利用铸铁管的历史已有数百年，据资料介绍乃至可追溯到十四世纪。
见表1-1
表1-1最先利用铸铁管的国家
国家
中国
法国
英国
美国
日本
年代
明洪武年代1368～1399
1664
1810
1822
1885
地点
南京武庙闸渠
凡尔赛
伦敦
费城
横滨
铸铁管以其优良的耐侵蚀性能和良好的工艺性受到人们的青睐。
法国路易十四时期，为了给凡尔赛的街道和喷泉供水，铺设了大约十五英里的铸铁管线，用法兰和螺栓连接，铅作密封材料，在长期利用进程中接头部份通过修理，其利用寿命长达300余年。
1738年焦炭取代了柴炭作为炼铁的能源，人们能够廉价地精炼生铁，铸铁管的利用范围逐渐扩大。
最初的铸铁管采用卧式砂型铸造工艺，这种工艺持续了大约300连年。
随着铸铁管长度逐渐增加，铸造方式由卧式变成倾斜式，最后变成立式。
1849年英国人AndrewShanks造出了世界上第一台离心机，尔后离心铸造工艺逐渐淘汰了传统以手工操作为主卧浇、立浇砂型铸管工艺。
1922年离心铸造工艺达到了实用化程度，美国铸铁管公司开始采用砂型离心铸造工艺生产铸铁管，1933年金属型离心铸造工艺达到生产实用化，美国铸铁管公司率先采用，掀开了铸铁管生产新的一页。
在此期间，一方面铸铁管材由普通铸铁转变成高级铸铁，其强度提高近二倍；另一方面，随着管材水泥砂浆内衬的运用，橡胶工业的进展，机械接头性能的提高等，铸铁管综合性能不断提高，继续维持其最优铺设管材的地位。
铸铁的机械性能主要决定于其金相组织。
铸铁金相组织主要由基体和石墨组成（图1-1），提高铸铁性能能够从改善其基体组织和石墨的形状、大小及散布着手。
二十世纪二、三十年代珠光体铸铁和黑心可锻铸铁取得普遍应用。
图1-1依次为灰铸铁，带15%珠光体的球墨铸铁，球墨铸铁
德国亚琛工业大学的Adey博士于1938年研究出一种生产球铁的工艺，这是一种控制铁水冷却速度的工艺，对于工业应用来讲它是不成熟的。
球铁时期的发端与成熟是从KeithMillis及其国际镍公司的同事们的研究和于此同时期的英国Morouth博士及其周围的科学家们的独立研究开始的。
与英国科学家所建议的采用铈做球化元素相较，美国科学家们提出的用镁的方式在工业应用中要更合乎实际，由于镁在工业中容易取得，利用镁制造球墨铸铁的方式取得迅速进展，铸铁管材也慢慢进入球墨铸铁时期。
在铸管工艺进展进程中有两个转变具有划时期意义。
其一，由立式拉管向卧式离心铸造的转变；其二，由灰铸铁向球墨铸铁的转变。
铸造工艺的进展使铸管生产实现了大规模机械化生产，生产效率大幅度提高；材质的改变使铸铁机械性能接近了低碳钢。
从而引发了铸管产品由灰铸铁管向离心球墨铸铁管的产品转型。
发达国家在七十年代大体实现了灰铸铁管向离心球墨铸铁管的产品转型。
以日本为例见表1-2。
表1-2日本铸铁管比例转变情形
年份
1965
1970
1975
1980
灰铁管（吨）
193535
260060
7730
13730
球铁管（吨）
29935
502408
521453
752701
球管比例（%）
目前世界铸管年产量在700~800万吨，约为铸件总产量的15%。
其中，离心球墨铸铁管的产量为600万吨，占整个铸管产量的80%左右。
世界各地域离心球墨铸铁管的产量散布是：
欧洲约160万吨/年；北美约210万吨/年；南美约25万吨/年；澳洲约10万吨/年；亚洲约200万吨/年。
我国球铁管生产起步较晚，随着改革开放的进程，进入20世纪90年代我国离心球墨铸铁管开始进入了一个高速进展的阶段。
2．离心球墨铸铁管材性能特点。
球铁管之所以如此引人注目，进展速度如此之快，主如果因为具有以下性能特点。
大体性能
2.1.1化学成份球墨铸铁管不仅应具有较高的抗拉强度，同时应具有较高的延伸率，为了知足这些要求，对铁液的化学成份必需严格控制（表2-1）。
表2-1球铁管化学成份
成分
球墨铸铁管（%）
高级铸铁管（%）
C
~
~
Si
~
~
Mn
~
~
P
〈
〈
S
〈
〈
Mg
》
－
2.1.2机械性能离心球墨铸铁管的抗拉强度及耐压性能与钢管相当，与灰铸管相较，其延伸率较高，具有必然的韧性，克服了会铸铁管的脆性。
球铁管的机械性能见表2-2。
表2-2球铁管ISO2531和NFA48-801性能标准
ISO2531
NFA48-801
最小抗拉强度
（Mpa）
直管
管件
420
400
420
420
最小屈服强度
（Mpa）
直管
管件
300
270（δ≥12%）
300
最小延伸率
直管
管件
10%（DN≤1000）
7%（DN>1000）
5%
ISO
ISO
ISO
DN
K7
K8
K9
DN
K7
K8
K9
工厂水压试验
（bar）
直管
管件
80~300
350~600
700~1000
1200~2000
32
25
18
40
32
25
18
50
40
32
25
≤300
350~600
700~1000
1200~2000
50
32
25
20
50
40
32
25
60
50
40
32
80~300
350~600
700~1000
25
16
10
管体强度
表2-3中几种不同壁厚、内衬厚度的管材的管体强度见图2-1。
表2-3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
－
2
球铁管
－
3
水泥砂浆内衬球铁管
4
水泥砂浆内衬球铁管
5
高级铸铁管
－
6
钢管
－
图2-1管体强度
理论爆破水压
表2-4不同管径的最小爆破水压
DN
K9管最小壁厚（mm）
P1（bar）
P2（bar）
80
411
240
100
341
192
150
237
138
200
185
109
300
144
92
400
125
86
500
114
82
600
106
79
700
100
77
800
95
75
900
92
74
1000
90
74
1200
86
72
1400
83
71
1600
81
71
1800
79
70
2000
78
70
注：
P1---最小壁厚爆破水压，抗拉强度420MPa
P2---最小壁厚减２mm爆破水压，抗拉强度420MPa
接口安全性实验
ISO2531-1998和BSEN545-2002对球墨铸铁管接头安全性都规定了严格的实验方式（见表2-5）。
表2-5球铁管接头安全性实验方式
试验项目
试验要求
试验条件
1.正内静水压力
试验压力：
（+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：
－bar
保压时间：
2h
试验期间最大压力变化：
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：
2bar
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经受的最大静水压力水压。
PMA--最大允许工作压力。
部件在运行中能常常经受的最大压力，包括冲击压。
PEA---最大允许现场实验压力。
为保证管线的完整和密封性，新安装的部件在相对短的时刻内能经受的最大实验静水压力。
实验表明，随着管径的增大，PFA、PMA、PEA逐渐降低。
表2-6不同管径的接头安全性标准
规格
DN80
DN200
DN400
DN800
DN1600
PFA（bar）
85
62
42
32
27
PMA（bar）
102
74
51
38
32
PEA（bar）
107
100
56
43
37
偏转角
3o30’
3o30’
2o30’
1o30’
1o30’
图2-2接口安全性实验
图2-3偏转角实验
耐侵蚀性
管道埋设在土壤中，管道的侵蚀第一受到土壤物理化学性质的影响，包括土壤的性质、类别、比电阻、PH值、含水率、微生物繁衍情形和杂散电流和干扰电流等；就管道方面来讲，当管子排成长距离的管线形成一条持续的通电实体时，土壤特性的不同将形成氧浓差电池，管线中会产生长线电流，而该电流的阳极部份将会形成超级激烈的侵蚀。
但球墨铸铁管采用橡胶圈接口密封，接口具有绝缘性，使整条管线不能成为通电实体，也就不易受到壮大电流的影响。
实验表明，浸入海水并进行机械搅拌，钢管的侵蚀速度是球墨铸铁管的2倍，球墨铸铁管随着时刻的延长侵蚀速度降低，而钢管不存在这种情形（见表2-7）。
表2-7几种管材的海水侵蚀比较
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
灰铸铁管
钢管
ASTM（美国材料与实验协会）在农村、海岸和工业等不同地域进行的球铁和钢的大气侵蚀实验也呈现出相似的规律（表2-8）
表2-8不同管材在不同地域的大气侵蚀比较
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
State
College
Point
Keyes
Calif
Kure
Beack
Newyork
lnd
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
铁素体球铁
加工
珠光体球铁
铸态
珠光体球铁
加工
低碳钢
轧制
接口形式
a）柔性滑入式接口其代表是T型接口（图2-4）。
该种接口安装方便、经济、靠得住并具有必然的柔性，适用于没有特殊要求的地势平缓地带，适用规格：
DN80～1400。
图2-4柔性滑入式接口
b）柔性机械式接口其代表有K型、N1型和S型等。
该种接口除具有滑入式接口的长处外，还具有必然的防滑脱能力，适用于地势较复杂的地域。
图2-5机械柔性接口
c）自锚式防滑脱接口该种接口适用于穿越河流或有坡度的施工地段，具有良好的防滑脱能力。
图2-6自锚式防滑脱接口
d）U型接口属于内接口，用于DN700以上管道，可在狭小地段施工，如穿越隧道等。
图2-7U型接口
e）顶管能够不开挖地面直接将管子顺序顶入。
可用于穿越道路等。
图2-8TD型顶管
图2-8顶管工作状态想象图
3．离心球墨铸铁管与其竞争管材的比较
评价一种管材的好坏应从以下几个方面综合考虑：
其一，安全性。
从国家利益考虑管材及管线应具有优良的耐久性，国家重要基础设施建设，专门是中大口径管线应优先考虑其安全性，不仅要考虑管线泄漏损失、保护和维修等因素，还应考虑管网系统抵御地震等自然灾害的能力；其二，卫生稳固性。
输送饮用水的管线必需考虑其对应用水卫生的影响；其三，经济性。
包括管线建设投资、运行本钱和经济寿命；其四，环境因素。
应考虑废管材是不是可再生利用和对环境的影响。
目前，球墨铸铁管材主要竞争产品见表3-1
表3-1各类管材比较
管径
材质
（12~75）/mm
（100~300）/mm
（400~1000）/mm
（1000~2600）/mm
塑料管
√
√
√
铝塑复合管
√
钢塑复合管
√
√
钢管
√
√
√
√
铸铁管
√
√
√
√
水泥管
√
玻璃纤维管
√
√
下面对离心球墨铸铁管竞争管材的性能特点进行简要分析。
塑料管
目前所利用塑料管材质多为PVC（聚苯乙烯）、PE（聚乙烯）及PP（聚丙烯，有PP-R和PP-S）。
它们的长处是质轻、耐侵蚀，制管时管长可在12米以上。
塑料的比重~1.6g/cm3,仅是钢铁的1/3～1/5，易于运输安装；耐侵蚀是塑料比之其它管材的最大特色，所以它第一被采用在化工、石油、海水、污水、生产循环水的输送；塑料管采用挤出工艺，故它的长度仅取决于生产场地和运输工具，此刻最长的管子已接近50米，这无疑能减少安装工作量和相应的费用。
塑料管也有其专门大的不足的地方。
虽然能够添加各类性能的改善剂，但塑料管的力学性能、抗老化性能、稳固、变形和钢铁材质相较仍有专门大的差距。
例如PE、PP管计算壁厚用的相对强度仅为~5Mpa（国标要求球铁管σ为270MPa），仅是球墨铸铁的1／50~1／100。
因此用塑料管来输送压力流体时，它的壁厚和其直径、输送压力及管子铺设条件紧密相关，必需增加厚度。
而单位价钱相较，塑料是钢铁的3~5倍，所以在承压较高、管径较大时，塑料在价钱上毫无竞争优势。
值得注意的是，它的利用压力随利用年限与介质温度的不同而变化。
表３-2列出了德国KUNSTSTOFFWERKHOEHNGMBH公司的企业标准（该公司年产13000吨管子及管件，2～3%利用在水输送上）。
表3-2德国KHG塑料管企业标准
介质温度
℃
使用时间
年
HDPE
PP-R
压力级别
PN4
PN6
PN10
PN16
PN4
PN6
PN10
PN16
20
1
5
>
10
25
>
50
>
>30
1
5
>
>
10
25
50
>
考虑50年利用年限的压力，仅为一年的70～90%，温度从20℃提高到30℃，允许利用压力下降15%，而对于钢和球墨铸铁管不存在这些问题。
加上利用中的噪音及防火安全问题，塑料管将在输送压力低（≤）、介质侵蚀性强、输送量较小（DN300以下）的场合下应用。
德国2000年塑料管的能力是12万吨/年，有20%用于输水（包括饮用水）上，大部份用于输气、工业废水及电缆等保护管上。
我国在塑料本身质量与添加剂上和国外仍有专门大差距，近50%的塑料原料还需入口。
在性能上，尤其是耐老化、防变形、对缺口敏感性上远不及国外产品。
铝塑和钢塑复合管
铝塑复合管是近几年进展起来的新管材，它由内外两层塑料管和中间一层铝管组成，目前国内已有很多条生产线，口径在12~75mm，耐压,它具有良好的弯曲性能，施工方便、美观。
为改善水质，在国外，它和铜管一路正取代户内用镀锌钢管。
鉴于本钱与制造技术，铝塑复合管在此刻与未来都不会对球墨铸铁管组成竞争，相反到是彼此兼容、彼此配合的产品。
中国户内用管已明文规定不用镀锌管，但用何种材质，铜管、塑料管仍是铝塑复合管还有待观察。
钢塑复合管用钢带代替铝带，焊接后再敷以塑料，它的承压能力强，将用在高压输送的强侵蚀介质上，也不会对球墨铸铁管组成要挟。
钢管
是另一种可普遍利用的管材。
世界上已有能生产直径3658毫米的、最长达50米、年能力15万吨的工厂。
钢管可有整个系列尺寸范围的产品，能经受各类压力与冲击，在性能上无疑是球墨铸铁管的竞争对手。
它已被普遍采用于供水业中，有的单独利用，有的和其它管材配合利用。
但钢管供水线的综合本钱限制了它的应用。
表3-3是日本久保田公司实验的结果。
表3-3球墨铁管与焊接钢管对比实验结果
材质
材料费
施工费
维修费
使用年限
漏水率/公里·年
球铁管
100
50～60
0～10
40
钢管
90
100
100
25
钢管安装时采用焊接。
这种连接方式，也使本仍是问题的防腐技术更增加了难度。
天津1983年引滦工程利用两条钢管供水线，由于没采用昂贵的阴极保护，而只利用“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~，土壤比电阻4~10Ω·M及细菌侵蚀），难于维修等原因，防腐层已老化防腐作用可言，管壁平均减薄0.5mm,在焊缝周围有达直径15mm的深坑，坑深大于7mm，即年侵蚀0.4mm。
原管壁厚18~20mm，若再不采取额外办法，其寿命也恰好和表3-3中的25年相合。
水泥管
水泥管价廉、耐侵蚀，过去曾用于输水，近期主要用于污水的输送上。
由于水泥管的长处，人们在如何提高它的耐压能力和防渗透上进行了研究，开发成功带钢筒的予应力混凝土管（prestrssedconcretecylindepipe,简称pccp管）。
它是由嵌埋薄钢筒的管芯、缠在管芯内外的予应力钢丝及随后的离心水泥砂浆保护层各部份组成。
为便于安装，管子两头别离焊有钢制承口圈和插口圈，柔性连接采用胶圈密封。
在工作状态下，钢制管芯防渗并能作为水泥背衬一路经受工作压力，所以它兼有水泥管与钢管的某些长处。
它能经受压力,比水泥管高，其柔性接头比钢管的刚性连接好。
但与球墨铸铁管相较，它仍有很多不足的地方（表3-4）。
综合造价也与球铁管相近，故用于球铁管直径达不到的大管径输水线上。
1995年深圳就利用了DN2000的PCCP管1.2KM，而那时国内尚未同口径的球墨铸铁管。
表3-4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
1
～
单位重量
1
3
以DN1200为例，前者为420.1KG/M
后者为1229KG/M
运输中损伤
～0
10～15%
柔性接头转角
3～50
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
使用年限
1
1
玻璃钢管
玻璃纤维管也是近几年进展起来的新管材，它能够用短切玻璃纤维离心浇注成型（HOABS管），也可用玻璃纤维缠绕而成。
前者是一种新工艺，力学性能更好。
此类管的最大长处是质轻、耐侵蚀。
我国最先应用的是从深圳到香港的供水管，又在浙江两个水厂工程中利用，管径为DN600~DN1400，输送压力为。
玻璃纤维管也有自己的弱点：
若要增加输送压力，就要增加壁厚，增加本钱；他要求有高的管道基础，以便避免浮管及不均匀沉降引发的漏水；它的刚度差、经受冲击能力差，不能经受较强的剪力和弯扭力，故在穿越道路、桥梁、倒虹管、弯头配件处都需要金属制品。
老化是另一个必需考虑的问题。
世界上玻璃纤维生产先导者荷兰Ameron公司，仅建议30年的寿命。
因此从久远利益看，它在输水业中，不会占到很多地位。
4离心球墨铸铁管防腐涂层
为了最大限度地提高离心球墨铸铁管的性价比，知足不同用户的要求，世界上各大球铁管生产厂家对其防腐涂层都进行了大量的研究工作。
管道埋设在土壤中第一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衍情形等。
对于球墨铸铁管而言一般可采用土壤比电阻、PH值、氧化还原电位、土壤水分和硫化物含量等进行综合打分的方式。
见表4-1。
表4-1球铁管的防腐性
序号
项目
标准
分值
1
土壤比电阻
（Ω*cm）
小于700
10
700～1000
8
1000～1200
5
1200～1500
2
1500～2000
1
大于2000
0
2
PH值
0～2
5
2～4
3
4～
0
～
0
～
0
大于
3
3
氧化还原电位
（mv）
大于100
0
50～100
0～50
4
（－）
5
4
水分
排水不好经常湿润
2
排水不好一般湿润
1
排水不好一般干燥
0
5
硫化物
（＋）
痕迹
2
（－）
0
从防腐机理上可将防腐涂层分为踊跃性防腐涂层和被动性防腐涂层。
踊跃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侵蚀；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（捐躯阳极）；被动防腐是将金属与其侵蚀环境隔间，防腐效果取决于防护材料的电绝缘性能和水密性。
下面将球铁管常常利用防腐方式和我公司特殊防腐涂层进行简要介绍：
外表面喷锌加沥青防护层
外表面喷锌后涂沥青防护层是铸铁管传统的防腐工艺，属于踊跃性防腐涂层。
早在1938年法国就着手研究埋在地下的螺栓在涂沥青之前是不是需要镀锌以增强其抗侵蚀能力的课题，1962年制定了喷锌加沥青防护层的铸管防腐标准。
喷锌加沥青防护层具有两个相辅相成的防腐机理。
其一，锌层的均匀侵蚀在铸管表面形成稳固的锌盐保护层，即便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刻的有效防护；其二，锌与铁之间的电化学反映产生的电流作用使破损涂层产生自我修复性能。
见示用意4-1
图4-1锌盐保护层原理示用意
只涂沥青防护而无锌层的铸管，其涂层表面一旦破损会形成电化学侵蚀的阳极，从而造成局部点蚀；与此
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