一、引言

以传统管材（球墨铸铁管、混凝土管道）为计算准则，在传统管材最优实用流速下，以相同输水能力为基准，结合同规格PVC-U管材进行分析比较。

原始数据：管线流量取Q总=50000 m³/d =0.5787 m³/s；

管材选择：球墨铸铁管材DN800（K9级）；

混凝土管DN800

PVC-U管材Φ800×19.6mm

管线长度：L =19000m

参考依据：《室外给水设计规范》中华人民共和国国家标准

《埋地硬聚氯乙烯给水管道工程技术规程》中国工程建设标准化协会标准

二、管道的技术可行性分析

1、流速计算：

式中  di:管材内径（m）

u：管内水的平均流速（m/s） 

Q：管材输水量（m³/s）

球墨铸铁管DN800（K9级）流速

            =1.15 m/s

混凝土管DN800 流速

PVC-U管材 流速

Φ800×19.6mm（0.63Mpa）管材

=1.27米/秒

结果表明,三种管材流速均在经济流速范围之内,是可行的。

2、水力计算：

球墨铸铁管水力计算

球墨铸铁管内流速＜1.2 m/s时，单位水头损失可由下式计算。

式中: ：每米管道的水头损失(米)

：管材内径（m）

：管内水的流速（m/s）

代入得水力坡降系数

  =0.0029m

钢筋混凝土管水力计算

流速系数C可按下式计算

式中: ：每米管道的水头损失(米)；

：管材内径（m）；

R：水力半径 满流取d/4；

：管内水的流速（m/s）；

C：流速系数。

代入得单位水头损失

  =0.00222m

PVC-U管材水力计算

塑料管的沿程损失可计算如下：

水力摩阻系数λ由下式计算

先确定管内流体的雷诺数Re

=966216

式中   Re：管内流体的雷诺数

di:管材内径（m）

u：管内水的流速（m/s）

υ：水在20℃下的粘度=1×10^-6  （m²/s）

故Φ800×19.6mm管材λ

=0.011

沿程水头损失由下式计算：

=0.0012米水柱

结果表明，PVC-U管材由于内壁相当光滑，单位长度水头损失小于同口径铸铁管材或混凝土管，可有效降低水泵的扬程，节约运行成本。

3、水锤压力计算：

对停泵水锤压力增值可由以下公式计算：

其中压力波回流速度

式中    ：水锤压力（m）

          ：流速变化，取平均流速

a：压力波回流的速度（m/s）

：水的重力密度取10×10³N/m³ 

K：水的体积模量取2200×10⁶ N/m²

Ep：管材的弹性模量，PVC-U管材取3000×10⁶ N/m²，球墨铸铁管材取160000×10⁶ N/m²，混凝土管取206000×10⁶ N/m²

d_i：管材内径

e_n：管材壁厚

压力波回流速度计算：

球墨铸铁管材

=889.8m/s

则水锤压力增值

 =104.4米水柱

钢筋混凝土管

      =1374m/s

则水锤压力增值

=161米水柱

PVC-U管材  Φ800×19.6mm：

  =267m/s

水锤压力增值

=35米水柱

计算结果表明：因为PVC-U管材较球墨铸铁管材、钢筋混凝土管材具有更低的弹性模量，水锤压力的增值明显降低，可有效防止水锤压力波动对管材本身造成的危害，提高管道运行的安全性能。

4、PVC-U管材最大埋深计算

管道在外压荷载作用下的竖向变形计算公式：

式中   D_L：变形滞后系数，取1.2

Kb：管底弧型土基的基床系数，当土基支撑角≥90°时,一般采用0.1

E_P：管材弹性系数，取3KN/mm²

I_P：管壁单位长度惯性矩e³/12（e为管材壁厚）

Ed：回填土综合变形模量，取3×10^-3KN/mm²

D：管材外径mm

r₀：PVC管计算半径 (D-e)/2  mm

W：作用在管顶的最大土载荷KN/m

γ：土的容重取18×10^-9KN/mm³ 

H：管顶最大埋深mm

F：作用在管顶的最大动载荷，当埋深大于3米时不考虑动载荷

塑料管材在外压载荷作用下的竖向变形量不宜大于管直径的5%，当计算管材的最大埋深时，取F=0，计算Φ800×19.6mmPVC-U管材的最大埋深：

   =5m

以上计算均为保守计算，如考虑柔性管“管-土共同作用”，实际最大埋深可大于理论计算埋深。不难看出，PVC-U管材具有良好的抗外压性能。

二、经济性能比较

1、 工程造价比较 元/米

注：上述主材价格为编者收集，根据市场动态应做适当调整。

工程选用PVC-U管材Φ800mm  19000米

工程费用：986.12×19000米 =18736280元

工程选用球墨铸铁管

工程费用: 1097.9×19000米 = 20844710元

工程选用钢筋混凝土管

工程费用:561.55×19000米 = 10669450元

2、常年运行费用（能耗）比较

管网常年运行费用是通过泵站电能消耗来维持的，泵送压力输水部分管线为19公里， PVC-U管材取代球墨铸铁管材及钢筋混凝土管常年运行耗电量的节约按照下式计算：

式中   E：年运行耗电量（KWh）

Q：日供水量（m³/d）

H：水泵工作全扬程差（m）H=（Δh_球-Δh_塑）×L

Kd：供水日变化系数取1.2

η：机泵效率取70%

PVC-U管材与球墨铸铁管相比

PVC-U  Φ800×19.6mm管材年节电量

  = 193 万KWh

PVC-U管材与钢筋混凝土管相比

PVC-U  Φ800×19.6mm管材年节电量

  = 115.4 万KWh

由此，合理使用PVC-U管材替代球墨铸铁管材及钢筋混凝土管材，日常运行费用仅用电量一项每年即可大幅降低。

3、常年运行费用差额折现

在目前各种管材的服务寿命无权威资料明确说明的情况下，取管道全寿命期均为n=30年（据报道德国发现二战时所铺设pvc-u管材，经检测管材各项标准均在DIN标准之上，寿命已超过其50年的设计寿命），折现率取i=7%（公益性，如商用则为12%），残值为零，管道按当年投资当年运行计算。

则：△E’=△E×[1+1/(1+i)+1/(1+i)²+1/(1+i)³+…1/(1+i)²⁹]

PVC-U管材与球墨铸铁管相比

PVC-UΦ800×19.6mm管材年节电量193 万KWh则

△E’=192×[1+1/(1+7%)+1/(1+7%)²+1/(1+7%)³+…1/(1+7%)²⁹]

=192×12.409=2382.3万KWh

PVC-U管材与钢筋混凝土管相比

PVC-UΦ800×19.6mm管材年节电量90.5 万KWh则

△E’=115.4×[1+1/(1+7%)+1/(1+7%)²+1/(1+7%)³+…1/(1+7%)²⁹]

=1432万KWh

结果表明，当保证50000吨/天的输水状况下,球墨铸铁管及钢砼管在全寿命期间比塑料管多支出的运行费用(电耗)折现值如下:

球墨铸铁管

与PVC-UΦ800×19.6mm管材相比多支出2382.3万KWh

钢砼管   

与PVC-UΦ800×19.6mm管材相比多支出1432万KWh

a)三种管道成本净现值比较

三种管材的常年运行费用差额折现值与主材工程费用存在下列关系：

△   F-△E’

工程费用球墨铸铁管较PVC-U管材多支出210.843万元：

△   F-△E’=210.843+2382.3万KWh*0.57元/KWh

               =1565.754万元

工程费用钢筋混凝土管较PVC-U管材多支出-806.683万元

△ F-△E’=-806.683+1432万KWh*0.57元/KWh

           =9.557万元

注：工业用电取0.57元/KWh

如考虑到钢筋混凝土管道实际寿命小于30年（酸碱盐地区更短），仅为塑料管材寿命的一半，则铺设一条塑料管道相当于两条水泥管道。

△F-△E’=-806.683万元+1066.945万元+1432万KWh*0.57元/KWh

                 =1076.5万元

这表明：

1、塑料管道在全寿命期工程总造价中将年运行费用折现为工程建设时的值能大大降低成本。

2、由于塑性管水力坡降较小，相对与其它传统管材而言在出厂水压相同时，在管网相同的地点上用户水压会高于传统管材，可以保证更多用户对水压的要求。

3、常年运行费用（即水力坡降、能耗）、管径相同时的输水能力，塑料管输水能力较传统管道高。

4、流量、常年运行费用相同时，塑料管材较传统管道小。

四、综合评述与结论

从以上技术经济分析：PVC-U管材的优点明显，其粗糙系数仅为0.008—0.009，与同规格的球墨铸铁管及钢砼管材相比有更好的输水能力及更低的运行费用；而其耐腐蚀性、重量轻、安装简便、施工费用低的特性均优于球墨铸铁管及钢砼管材。

由上可知：大口径 PVC-U管材用于给水工程，在技术上是完全可行的，并可提高工程进度，降低施工费用，节约运行成本 。

编制结论：

（1）管道技术经济比较时应重视“动态分析法”的应用，各单位应立足未来，对常年运行费用等动态经营性成本作出准确的量化分析，把他作为方案评价的重要内容。

（2）管材选择时，应尽可能选择低摩阻管材，在相同管径的条件下它可有效降低常年运行费用，节约能源，大幅提高输水能力，切实保证管道投资的经济性与功能性的统一。

（3）在出厂水压相同条件下，低摩阻管道可以保证更远距离用户的水压要求，减少二级泵站的设置，有效避免管网中的资用水头（可利用的水压）的浪费，节约能源。

致谢  本文在完成过程中，就有关问题多次得到高长全总工及张俊君副总经理和刘竟超部长的悉心指教，在此表示衷心的感谢！

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