球墨铸铁管及管件相关问题的商讨

何 维 华

　　摘 要：本文扼要介绍了国内外球墨铸铁管的发展概况；论述了球墨铸铁管是城市供水管网的主要管材，但城市供水管网也不一定选用单一管材；阐述了球墨铸铁管铸造质量的控制数据及控制点；提出了消失模负压实型铸造技术是当前提高球墨铸铁管管件质量的有效途径，叙述了它的工艺流程、相关设备及质量控制要点；概述了柔性接口防滑脱的一些措施；呼吁有关部门关注柔性接口胶圈质量问题，落实相关措施。

　　球墨铸铁是一种铁、碳合金，它是用低硫、低磷的优质铸铁熔炼后，经球化处理，使其中的碳以球状游离石墨存在，从而消除由片状石墨所引起金属晶体连续性被割断的缺陷，它具有铁的本质，钢的性能。使它不仅没有失去铸铁的铸造性、耐腐蚀性，还增加了抗拉性、延伸性、弯曲性和耐冲击性，也就是具备了钢的高强度及高韧性。
　　城市供水管网主要选用球墨铸铁铸造的管材、管件，得到各国城市供水行业的认同。目前国外球墨铸铁管铸造技术发展方面，主要是采用的水冷金属型离心铸管技术。但日本对大口径管用树脂砂衬离心铸造技术；独联体地区对大口径管却用半连续铸造技术（带热处理退火工序）。世界上最大的球墨铸铁管生产基地是法国的莫松桥铸管公司和日本玖保田铸管公司。
　　我国1985年开始从德国、美国等引进了水冷金属型离心铸管技术及设备；国内也自行研制开发了水冷金属型、热模法及树脂砂衬离心球管工艺生产线。现国内球墨铸铁管的生产能力达100万吨/年，口径从DN100～DN2200mm，使我国球墨铸铁管铸造技术，已赶上及达到国际较好水平，管材、管件除满足国内需求外，还有一定量的出口。

　　下面讨论三个问题：

1 球墨铸铁管是供水管网的主要管材

1.1 城市供水管网的功能需要球墨铸铁管
　　· 城市供水管道是输送饮用水的，必须内衬材料符合卫生要求。
　　球墨铸铁管内衬了水泥砂浆，管内输水符合卫生要求；若输送水的水质不稳定，则砂浆内表面应刷涂卫生级树脂保护，从而并不比非金属管材差。
　　· 城市供水管道是输送有压力的水，必须管道有承内压的功能。
　　　球墨铸铁管可承受内水压力超过2.0Mpa以上，它比非金属管材强。
　　· 城市供水管道是敷设在道路下面，必须管道有承受土壤静荷载及地面动荷载的功能。
　　　球墨铸铁管系延伸率、刚度、抗拉强度均较大的金属管道，承受土壤静荷载及地面动荷载的能力通常比其它管材强。当然若覆土过浅、过深时，也应通过结构计算确定相关措施。
　　· 城市供水管道的分支管件规格多、数量大。
　　　球墨铸铁管的管件规格齐全，能适应新安装需要，也能适应运行管道上不仃水引接分支的需要，它比非金属管材解决起来方便。
　　· 城市道路下面管线种类多、布置紧凑、立面交错、更改频繁，这些都要求管材的适应性强、折装方便。
　　　球墨铸铁管系柔性接口，折装方便、承受局部沉陷的能力好，特别在有地下水或管内有少量余水的状况下维修容易，它比化学管材维修难度小。
　　· 城市道路下面的雨、污水管道容易渗漏，土壤腐蚀性强，要求管道耐腐蚀性好。
　　　球墨铸铁管通常外表面首先喷涂锌层，再喷涂沥青保护，这方面比非金属管材弱，但比钢管强。
　　· 在城市道路已按规划定型的条件下，要求道路下面的管道能长期不维修。
　　　球墨铸铁管通常有50～100年的使用寿命，比化学管材及钢管使用寿命长。
1.2 当前城市供水管网组成状况，预示着球墨铸铁管的发展前景
　　· 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，大量使用球墨铸铁管。
　　· 我国台北市在1996年敷设3412km管道中，球墨铸铁管占84.82％。
　　· 日本东京市城市供水管网中，球墨铸铁管约占90％。
　　· 美国近几年内，年安装供水管道23万km，球墨铸铁管占47.7％。

2. 城市供水管网不可能使用单一管材

　　以上所述，球墨铸铁管是城市供水管网的主要管材，在国外DN50～2900mm之间均有球墨铸铁管的产品，在国内DN100～2200mm之间也有球墨铸铁管的产品，但并不说明城市供水管网要使用单一管材，其理由如下：
2.1 DN≥1400mm及DN≤200mm的球墨铸铁管，铸造难度大、相对价格高。
2.2 大口径球墨铸铁管的管件，铸造难度大、相对价格高。
2.3 大口径球墨铸铁管管壁簿，承、插口端容易变形，影响管道敷设。 通常在地下管道交错密布地段，管件复杂，大、中口径管道宜采用钢管敷设。
2.4 通常长距离输水管道，口径大、管件少，宜采用钢筒预应力管 （PCCP）或一、三阶段预应力管敷设；源水及工业用水管道也有使用玻璃钢管敷设。
2.5 在非道路地段敷设长距离配水管道，中、小口径管道有使用高密度聚乙烯（HDPE100）管敷设。
2.6 在庭院小区内，DN≤300mm的配水支管道，可使用柔性接口的高密度聚乙烯（HDPE100）管或硬聚氯乙烯（PVC-U）管敷设。
2.7 对于DN≤100mm进户支管，宜采用柔性接口的不锈钢管、柔性接口的高密度聚乙烯（HDPE100）管或硬聚氯乙烯（PVC-U）管敷设。
　　综上所述，在国内各城市供水管网中，球墨铸铁管目前宜适用于DN300～1200mm之内。

3 当前推广球墨铸铁管时应注意的几个问题

3.1 搞好管材质量控制是关键
　　· 球墨铸铁管不同于灰铸铁管的铸造，它是铸管行业的高科技产品，它从原料选择及每道工序的质量控制都有严格的要求。
　　· 球墨铸铁的原材料要求含磷≤0.1％、含硫≤0.015％，否则有脱磷、 脱硫措施。
　　· 熔炼的铸铁铁水，再以电炉提高铁水温度达1550℃左右。
　　· 随之添加镁、钙、铈等碱土金属或稀土金属的球化剂，使含在铸铁中的石墨组织从片状变成球状；
　　· 添加球化剂后的铁水应以光谱仪快速检验铁水中主要化学元素的含量及金相分析。
　　若主要化学元素含量符合要求（碳3.6～3.75%；硅1.8～2.1%；锰≤0.4%；磷≤0.05%；硫≤0.02%；镁0.03～0.05%；稀土元素0.01～0.03%）。
　　按GB9441-88标准进行金相检验，要求球化等级以二级为主；球化率大于80%；石墨大小为6～7级(在400倍视场下，球径为1.5～4mm)，石墨球数达600～800个/mm2；渗碳体≤1%；小口径管铁素体≥90%，大口径管为85%左右(球光体控制在8～12%内)。
　　· 上述快速检验合格后，则铁水在10-15分钟内倒入钢模中离心铸造成管坯。
　　· 这种管坯必须经热处理后成可延性的球墨铸铁管（中、小口径的管材延伸率应≥10％；大口径的管材延伸率应≥7％）。
　　· 根据ISO2531-91国际标准的要求，这种球墨铸铁管的力学性能指标为：抗拉强度≥420MPa；抗弯强度≥590MPa；屈服点强度≥300MPa；布氏硬度≤230。
　　· 根据ISO8179-1995标准，外涂层应为锌+沥青，喷涂应在管材表面洁净、予热的条件下进行，规定喷锌量≥130g/m2，焦油沥青喷涂层厚度约0.08mm。现不少用户忽略了喷锌这一要求，国外明确提出只有锌层与管表面结合为一体时，再喷涂沥青后才能对管材提供有效的保护。
　　· 根据ISO4179-1985标准，管内表面均应水泥砂浆衬里，日本还在砂浆表面喷涂卫生级不饱和树脂。
　　· 管材出厂前逐根试压检验、承口内清除铁瘤、抛光处理、刷涂卫生级的环氧树脂，口径≥400mm时建议管材运输与堆放期间，承口端应加内支撑。
3.2 管件问题
　　管件的问题包括管件质量及规格品种配套的问题。
　　· 管件质量长期影响着球墨铸铁管的发展，近五年运用消失模法（EPS）负压实型铸造球墨铸铁管件在国内得到可喜的成功，使管件质量赶上了管材的质量。
　　这种铸造法的工艺流程如下：

　　消失模法负压实型铸造的主要设备有：制模设备（予发机、成型机）；
　　模型粘结组合设备（简易或自动粘结机）；涂料及涂层制备设备（涂料研磨机、涂料箱）；造型设备（振动台、加砂装置）；落砂设备（翻箱机、底泄砂装置）；砂处理设备（筛分设备、冷却装置、水平及垂直输送设备）；负压浇注设备（真空系统）；抛丸除锈设备；环保设备（除尘系统、浇注尾气净化装置）。
　　消失模法负压实型铸造的主要原辅材料有：泡塑模型原材料（可发性聚苯乙烯珠粒EPS）；模型粘结胶；模型粘结胶带纸；模型表面修补剂、修补膏；型砂等。
　　利用消失模法负压实型铸造球墨铸铁管件，表面平整，可使管件厚度减少1/4，法兰盘端面及法兰盘孔不另行加工，承、插口工作面可不加工或少加工。
　　消失模法负压实型铸造属精密铸造工艺，目前主要在中、小口径管件上应用，各个工序上质量控制较严，泡塑模型原材料的质量、模型粘结胶的质量、模型成型的质量、涂层的质量、造型工艺、浇注工艺等对铸件的质量影响是不可忽视的，只有严把质量关才能使铸件质量稳定。铸件外观质量好了，还不能说明铸件质量的全面情况，法兰盘的平整度及尺寸、柔性接口工作面尺寸，都应核查，特别是产品的水压检验不可免除。
　　消失模法铸造的管件售价较高，但管件重量轻、免机械加工，工程造价基本持平，它应是当前球墨铸铁管件的较理想的铸造工艺。
　　大口径管件目前较好的铸造是采用树脂砂成型，质量较好。
　　近年国内有厂家试用金属模上高压喷射树脂砂，一方面使金属模重复使用，再方面使管件表面质量提高，也是很有前途的铸造工艺。
　　· 管件的规格品种一定要与管材的口径配套，一定要与异形管件柔性接口防滑脱的措施衔接好。
3.3 柔性接口防滑脱问题
　　柔性接口的优点己经得到公认，但在异形管处支礅尺寸较大，有时在道路下面无法实施，因此研究柔性接口防滑脱问题十分迫切，归纳起来有以下几种方式：
　　· 承插接口处加拉箍------利用拉箍与管表面的摩擦力来减少柔性接口滑脱力，从而减小支礅尺寸。如若管道口径不大，多个承插接口处又加拉箍，甚至免砌筑支礅。
　　· 带止退槽的螺旋式接口------管承口端有内螺扣，螺纹压兰压紧挡环，使密封胶圈限位，若插口端加工有止退槽，则具有防滑脱功能。
　　· 自锚式接口-----它是一种特殊的机械式接口，它由焊接于管插口端的挡环、外形带曲率的锁紧环、特殊的压兰及螺栓组成，它通过压兰、锁紧环实行自锚，较好地结合了柔性接口的密封性与防滑脱性。
　　· 座圈卡固接口----它也是一种特殊的机械式接口，承口较长，承插口间用座圈卡固，其抗剪强度大，抗滑脱性能好，适用于较大口径管道上。
　　· 复合接口----它是承口端用传统的T型接口外增加了防滑脱接口，因此承口较长，防滑脱接口系防滑脱胶圈与锥形钢环组成。
　　· 防滑脱胶圈-----它是不改变管承插口T型接口的形式，仅是传统的T型胶圈的内斜面均匀分布了数个防滑脱钢钉，从而具有8-9倍传统的T型胶圈的防滑脱力。
　　除以上列举的方式外，尚还有一些方式，这些方式均有待在研制、实践中去鉴别与完善。
3.4 胶圈问题
　　球墨铸铁管可使用50-100年的问题可以理解，橡胶圈能否达到这样的寿命？没有把握，这也是所有柔性接口存在的同一疑问。因此厂方提供配套胶圈时应向用户说明以下内容：
　　· 胶圈由那个橡胶厂供货，该厂的相关证件；
　　· 胶圈是选用什么材料制作，执行的什么标准，该批胶圈化学、物理检验数据，用于供水管网的胶圈通常选用三元乙丙及丁晴橡胶，切勿掺和再生胶；
　　总的而言，当前胶圈重视的程度是不够的，产品标准中对此规定得亦不细，建议相关部门应指定专业科研单位作进一步工作，用管单位在订货时应有明确要求，在大批量订货时，应委托省、市质检部门作化学、物理抽验。

　　当然，用好一种管材与设计、施工、管理部门也有一定关系，因时间关系没有述及，以上意见仅供参考，不当之处望指正。

2002年5月27日