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铸铁管的工程分析
栢诚马萨诸塞州波士顿市分公司
SteveMckelvie(mckelvie@pbworld.com)
很多目前仍在使用的旧铸铁管,如果可以被适当地修复的话,仍然能够提供许多年
具成本效益的服务。本文提供了一些早期标准和铸铁生产技术的历史,对进行修复
时所需的结构分析有所帮助。此外作者亦对分析步骤作出解释。
在供水系统中米用铸铁管已有悠久的历史。铸铁管安装的第一个正式记录可追溯至
1455牛德国的 Siegerland市。法国国王路易十四于1664年建造了一条24公里长,
从水泵站延伸到凡尔赛宫的铸铁管。这条管道一直沿用至今。美国也早在1817年已
经在费城的供水系统中采用铸铁管
昔日的保守设计和生产过程令管道的设计寿命远远超越现今的标准。很多旧的铸铁
管适宜被复修,而且据估计仍然可以提供许多年具成本效益的服务。不过要让修复
成功,我们有必要了解铸铁管的历史,以及昔日的设计标准和生产过程。
20世纪的标准与生产技术
最早的铸铁管设计标准可追溯至美国供水协会( American Water Works Association
简称AWWA)1890年的标准。在1902年,新英格兰供水协会( New England Water
Works Association,简称 NEWWA)采纳了一套较详细的标准,称为「铸铁管与特殊
铸件的标准规范」,反映了当年的设计常规。在1908年,AWWA的铸铁管与配件标
准7C.1-1908获得批准。这项标准一直被沿用至1950年代初,期间并无经过任何修
NEWWA的1902年标准
标准规定管道尺寸为「供应波上顿市和方圆10理内其它城镇的大都会供水公司所采
用的管壁厚度」。编写该标准的三人委员会成员包括大都会供水公司的 Dexter
Brackett这些管壁的厚度是根据下列公式计算的,比现在采用的延性铸铁管厚很多:
+0.25
3.300
t=壁厚(英寸)
p=静压(傍/平方英寸
p'=为水锤预留的压力(傍/平方英寸)
r=管道内半径(英寸)
3,300=铸铁抗张强度(为16,500磅/平方英寸的1/5)
0.25=为锈蚀和其它因素而预留的管壁厚度(英」)
采用厚管壁有儿个原因,其中之一是当年所用的设计步骤仍在发展中。一个关于
NEWWA的1902年标准的初步报告说明:「静压头或压力可以被精确地估算,但是
水锤、车辆交通经过管道时所造成的影响、管道下的沉降物、管道内的结节形成(由
局部性锈蚀导致的结节状锈蚀物)、管道外的电分解,以及管道的年龄等等,都无法
根据现吋的知识用数学方法定量」。 NEWWA的1902年标准没有说明铸铁管管壁的
允许应力,但是从该标准所附的报告中,我们得知它是基于16,500磅/平方英寸的抗
张强度。
计算管道垂直土压力的 Marston公式(也许是分析刚性管道的最重要设计步骤)直
到1913年才面世。 Spangler对刚性管道荷载系数所作的研究也要到1933年才被刊
AWWA的1908年标准
在十九世纪初,管道材料市场的党争并不大,因此灰铁管工业不需与其它材料制成
的压力管道进行激烈竞争。AWWA的1908年标准明确地描述了灰铁管的地坑浇铸
生ア产方法。这种管子的壁厚是采用 Fanning公式计算的,只考虑到管道的内压。此
外公式在算出的抗压厚度上叠加了一个随意系数,足以包含当年还未被认识到或至
少不能被满意地算出的应力。
1939年的规范
1921年出现的离心铸造方法取代了一直被采用的地坑浇铸方法。这种新方法加上对
铁冶炼的更深认识提高了铁的强度,使离心铸铁管虽然管壁较薄,但是和地坑铸铁
管同样坚固。
随着这种进步,人们认识到在设计管道吋必须考虑管身的外压荷载。因此在1926
年在美国标准协会(现为关国国家标准协会 American National Standards Institute,简
称ANSI)领导之下成立了一个委员会,为灰铁管制订新的规范。委员会在其后的十
年里赞助了一系列的研究项目,发展了灰铁管设计的综合荷载分析。委员会在1939
年也第一次出版了「铸铁管强度与壁厚的计算」标准( ANSI A21.1)。
决定管道是否适宜被修复
决定一根金属水管是否适宜于被修复时,必须评价管道的外部和内部情况,如图1
所
轴=管内压力
轴=管外荷载
(w,P)
Structural
曲线=管道结构承载力
Capacity
W=无内部压力时的管外荷载能力
P=无外部荷载时的管内荷载能力
实际的管外荷我
实际的管内荷载
w'=内压力p下的管外荷载极限
外荷载w下的管内压力极限
O
w'/w=内压力p下的管外荷载安全系数
Internal Pressure
p=外压力w下的管内压力安全系数
图1铸铁管的设计与分析
金属管的表面会产生锈蚀。锈蚀可能全面地损坏管道的表面导致管壁变薄,或者
局部地损坏某些地方。两者中又以局部的锈蚀损坏较难被确认。在另ー方面,锈蚀
物黏附在铸铁管表面,可以帮助保护下面的金属。而可观数量的石墨(约占体积的
10%)加上相对地非活性的氧化铁与磷酸盐,亦令灰铸铁的耐蚀能力较高。这种对
抗锈蚀的耐力,加上较厚的管壁,使这些旧铸铁管非常适合于被修复。
水泥砂浆内衬修复技术是1922年首先在南卡罗米纳州的 Charleston市被采用的。虽
然已知用这方法修复的水管在使用一段时间后可能会出现内部结节,但是尽管管道
的内观较难看,结节对水质的影响却十分轻微。不过,由于减小了内径的尺寸和增
加了内表面的粗糙度,管道的水力运行会受到显著的影响。
刚性压力管道的结构分析
进行设计与分析时,铸铁管道会被视为刚性管道。利用综合荷载方法,我们可以分
別计算管道的最大允许内压力和最大允许外荷载,然后合并这两个数值去评佔管道
典型的铸铁管综合荷载曲线,显示了随着外荷载的增加,最大允许内压力必须相应
减少(见图1)。如果综合荷载超越了此曲线所示的最大承载力,管道的交全性便会
成疑。可接受的安全系数应按照业主提供的资料拟定。这程序将向业主提供了解管
道情况所需的资料,让业主决定可接受的安全水平,以及有关修复管道的事宜。主
要步骤包括下列各项:
管道宽度预留值
在设计铁管时,必须考虑以下两项预留值以应付实际情况:
锈蚀预留值2亳米(0.08英寸)