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对采用“ISO2531:2009”新国际标准的一些认识

发布时间:2011-04-19 21:58:00 浏览次数:0来源:
中国铸造协会铸管及管件分会 秘书处
我国的离心球墨铸铁管标准GB/T13295-2008采用ISO2531:1998(E)国际标准,并针对国情,增加和细化了部分要求。目前国际上已采用“ISO2531:2009新国际标准,这将对于我国的铸管和供水行业产生重大的影响。
一、ISO2531新国际标准修订的意义
1.离心球墨铸铁管的应用概况
离心球墨铸铁管在国内外得到迅速发展,其原因是与其他管材相比,它具有力学性能好(抗拉强度Rm≥420MPa,延伸率A≥10%);节省金属(比灰铸铁管平均重量轻40%);施工简便、综合工程造价低;可靠性高,可保证安全供水输气(较高的承压能力和一定的延伸率,又采用柔性接口);耐腐蚀性能好,使用寿命长等优点。尤其是在日本的十胜冲、阪神地区,中国的台湾、汶川大地震中,离心球墨铸铁管显示出具有较高的抗震能力。这些优点被广大用户――各地自来水公司所认可。
在中国城镇供水协会2005年编制的《城市供水行业2010年技术进步发展规划和2020年远景目标》中,推荐在DN300~1400mm管道中优先采用良好防腐措施的离心球墨铸铁管;在DN200mm以下或DN1600mm以上管道中,离心球墨铸铁管也可选择采用。
目前,离心球墨铸铁管已成为我国供水的压力管道的首选主力管材。我国离心球墨铸铁管2009年达到293.1万吨(加上未统计入的,预计全国年产量超过320万吨),超过美国占世界第一位。而且由于我国离心球墨铸铁管的整体质量(内在质量、尺寸精度和表面外观质量)与西方工业发达国家处于同一水平,全员劳动生产率也趋于相同水平,加上我国劳动力相对便宜,生产成本低廉,故我国离心球墨铸铁管在国际市场上有很强的竞争力,近2~3年的每年出口量平均增长15%以上,达到40~60万吨/年。
2.新标准修订的背景
目前国内外市场上离心球墨铸铁管的竞争非常激烈。除行业内在质量、价格方面的竞争外,还面临着塑料管、塑料-金属复合管和PCCP管等管材的竞争。
国际标准的修改,使离心球墨铸铁管的壁厚有不同程度的降低(特别是小口径铸管的壁厚降低幅度较大)。在保征铸管质量和管道安全性、可靠性的前提下,节约资源和材料,节能减排,实施低碳经济
3.ISO2531:2009新国际标准修订的考虑
新国际标准的修订是从以下几个方面进行考虑的:
1)从使用的角度,而不是生产的角度,定义产品的设计,提高产品的适用性能;
2)随着铸管行业的技术进步,提高标准,完成产品升级优化;
3)解决原有标准中的问题;
4)提高铸管行业的竞争力。
4.新国际标准修订的意义
1)国际标准的修改,实质上是进一步提高了中国离心球墨铸铁管产品进入国际市场的技术门槛,这将迫使我国的生产企业进一步提高铸管质量和降低生产成本。
2)国际标准的修改,即采用ISO2531:2009 C等级管道的生产,可以节约资源和材料,节能减排,是铸管行业迈向节能环保的一大步,它将提高离心球墨铸铁管与其他管材(如塑料管、塑料-金属复合管和PCCP管等)的竞争能力。
二、标准的主要修改内容
此次新国际标准草案对标准内容作了改动较大的是:
1)将原来的壁厚等级K改为压力等级C(C为允许工作压力)。
2)压力等级为C20、C25、C30、C40、C50、C64、C100,其中C25、C30和C40为推荐压力等级。
在1998版中,管道为K等级壁厚, K通常取值为7~12,最常用为9。壁厚公式为:
                  
式中:e——公称壁厚,单位为毫米(mm);不小于6mm.
      DN——公称直径,单位为毫米(mm);
     K——壁厚级别系数,取……9、10、11、12……。
新国际标准还删去了原标准中“离心球墨铸铁管最小壁厚6mm,非离心球铁管和管件最小壁厚7mm。”的限制要求。新老(原)标准中铸管的壁厚(mm)和6m管重量见表1。
1   新老(原)标准铸管的壁厚(mm)和单管重量(kg)的比较
规格
DN(mm)
80
100
150
200
250
300
350
400
450
500
600
700
壁厚(mm)
原标准
6.0
6.0
6.0
6.3
6.8
7.2
7.7
8.1
8.6
9.0
9.9
10.8
新标准
4.4
4.4
4.5
4.7
5.5
6.2
6.3
6.5
6.9
7.5
8.7
8.8
减薄(%)
26.7
26.7
25.0
25.4
19.1
13.9
18.2
19.8
19.8
16.7
12.1
18.5
重量(kg)
原标准
77
94
138
191
255
323
403
482
577
669
883
1123
新标准
58
71
106
146
210
282
335
394
472
565
784
932
减轻(%)
24.7
24.5
23.2
26.2
17.6
12.7
16.9
18.3
18.2
15.5
11.2
17.0
(续表1)
规格
DN(mm)
800
900
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
壁厚(mm)
原标准
11.7
12.6
13.5
15.3
17.1
18.9
20.7
22.5
24.3
26.1
27.9
新标准
9.6
10.6
11.6
13.6
15.7
17.7
19.7
21.8
23.8
25.8
27.9
减薄(%)
17.9
15.9
14.1
11.1
8.2
6.3
4.8
3.1
2.4
1.1
0
重量(kg)
原标准
1394
1691
2017
2758
3669
4517
5591
6784
8094
9529
11088
新标准
1165
1446
1759
2481
3403
4257
5248
6595
7945
9432
11088
减轻(%)
16.4
14.6
12.8
10.0
7.2
5.8
6.1
2.8
1.8
1.0
0
注:上表中以DN80~1400mm铸管为T型接口,DN1600~2200mm铸管为K型接口,公称铸管长度L=6000mm,计算单管重量(承口突部重量参用GB/T13295数据)。
 
3)删除标准中管道在燃气上应用。因为球墨铸铁管用于燃气输送的比较少,而且设计也不太一样
4)接口密封性能的型式试验中,增加了内负压试验。这样可以更好的模拟停水或间歇性供水时产生的内负压。内负压实验要求为:–0.9巴,2小时。
5)增加的C等级环刚度的计算方法,以帮助对管道设计及管线设计
6)法兰管的管身为C等级,法兰延用PN作为压力等级。法兰管按管身和法兰中工作压力低的取值。
7)将内外涂要求移至附录, 仅保留有ISO定义的
8)增加了对厂家质量保证体系的要求。
总体来说,新标准把管道的性能作为产品设计的基础,产品设计更加合理。
三、标准修订后,是否会影响离心球墨铸铁管道安全可靠性
国际标准的修改,特别是减薄了小口径离心球墨铸铁管的壁厚,是否会影响离心球墨铸铁管道安全可靠性,这是广大用户最为关心的问题,也是铸管行业每个人都关注的问题。国际标准已在下述的设计计算和试验检测规范等四个方面,论述了有关的技术问题。
1.铸管壁厚的强度计算
新标准把管道的性能作为产品设计的基础。以铸管的材质强度,计算离心球墨铸铁管公称壁厚enom=emin+1.3+0.001DN(emin为最小壁厚,可用Balow’s公式计算)。
球铁管的最小壁厚,emin 不应小于3.0毫米,通过公式(1)计算:
                                        (1)
式中
emin 为管道的最小壁厚,单位为毫米;
PFA 为允许工作压力,单位为巴;
SF 为安全系数,取3;
DE 为管道的公称外径,单位为毫米;
Rm  为球墨铸铁的最小抗拉强度,单位为兆帕(Rm取420兆帕)。
注:公式(1)通过Barlow公式推到得出,即环向应力,σ=PD/2t。
管道的耐压性能是由管道的最薄处决定的。保证了最小壁厚,就可保证管道有标准中规定的耐压能力。
2.新标准仍保持了对每根管都必须进行水压试验,并增加了对厂家质量保证体系的要求,以保证承受整条管道的运行可靠性。内部压力测定公式为:
 

P2.新标准仍保持了对每根管都必须进行水压试验,

 
                                            (2)

 

PFA: 允许工作压力
PMA: 允许最大工作压力 (=1.2×PFA)
FEA: 允许最大试验压力 (=PMA + 5 bar)
e: 管体最小壁厚
σ: 球墨铸铁最小极限抗拉强度 (=420MPa)
SF: 允许工作压力安全系数 (=3)
DE: 管体平均外径
3.新标准要求对管抵御外部载荷的能力进行径向刚度的计计算
管子径向偏差Δ设计公式:
                                                                  (3)
 
径向刚度:S=1000EI/D3
S:径向刚度KN/m2
E:材料弹性模量(170,000)MPa;
I:单位长度壁厚面积的二次矩,mm3
D:平均外径,DE–e,mm。
4.新标准要求对管进行型式试验
其目的是试验管道接口在下述最不利条件(最大承口,最小插口;最大设计偏转角;插口端外部载荷30xDN牛顿)下的密封性能。试验项目包括:在内正压(1.2PFA+5)bar,外正压2bar,内负压-0.9bar试验条件下。
四、新标准修订对我国的铸管和供水行业提出新的要求
新标准颁布前,铸管及管件分会和中国城镇供水协会设备材料工作委员会,曾多次召开有关会议,商讨对新标准修订的对策:
1)“ISO2531新国际标准”刚经其技术委员会通过,2007年4月我们就在河南省安阳市召开了“ISO2531新国际标准”研讨会。在会议上,中国城镇供水排水协会的专家认为,对新国际标准修改应抱的态度:一是必须要科学合理,应在保证管网质量和安全的前提下,提高铸管的材质质量(强度、刚度和韧度);二是生产厂家和广大用户要加强科学实验,提高工艺技术水平,结合中国施工水平和运输条件开展工作,利用新国际标准的修改这上契机,进一步提高我国离心球墨铸铁管的生产、质量和应用水平。同时大家认为:
由于铸管水压试验压力的要求标准产生变化,在管网及其使用寿命设计要重新计算和考核,以保证管网的质量和安全。
由于小口径铸管的壁厚减薄较多,必须加强对铸管的内外涂层防腐措施,以免因铸管的耐腐蚀能力不够而使整个管网过早更换。
由于铸管壁厚的减薄,对铸管理入地下后的承载能力(如路面过重载车)和能否抗击水锤问题,在管网设计中要重新计算和考核。
虽然铸管壁厚的减薄,使铸管的运输和安装更为方便,但要注意运输和安装时铸管的磕碰和变形问题。
广大用户希望对新国际标准生产的铸管有一个合理的考核期。
2)中国城镇供水协会设备材料委员会,曾于2007年12月22日在郑州市专门召开了球墨铸铁管新国际标准ISO2531会议。代表们认为:按中水协2010年规划要求和各地实际使用情况来看,目前国内在城镇供水管网上,≥DN300~1400mm主管网材基本上都使用离心球墨铸铁管,同时经过十多年使用考核,管网质量优异(无爆管、漏水等重大事故),所以说离心球墨铸铁管已在各地自来水公司等广大用户中建立起可靠的信誉度。此次ISO2531新国际标准的颁布,管壁的减薄,将迫使我国的生产企业促进铸管质量的提高,节约材料和能源,提高与其他管材的竞争能力。
五、ISO2531国际标准修订对“节材、节能减排和提高球墨铸铁管材竞争力”的意义
离心球墨铸铁管在采用ISO2531:2009  C等级管道标准后,不仅有“节材、节能减排”的效果,且生产成本会有所降低。离心球墨铸铁管与PE100塑料管在壁厚(mm)、单位重量(kg/m)和单位价格(元/m)比较见表2。
从表2中可见,对于DN100mm和DN200mm离心球墨铸铁管,新标准比原标准单位重量和价格要降低1/4左右。DN200mm球铁管的单位价格已接近PE100塑料管。DN200mm球铁管的承受测试水压为4.0MPa,而dn200mm PE100塑料管耐压能力较低:SDR17.6,承受压力≤0.6MPa;SDR11,承受压力≤1.0MPa。离心球墨铸铁管比PE塑料管具有现场安装方便、安装费用低等优点。这说明对DN200mm左右的小口径管材,采用新标准的离心球墨铸铁管,更具有竞争力。
 
 
2   离心球墨铸铁管与PE100塑料管比较
规格DN(mm)
100
200
300
400
500
600
700
800
壁厚(mm)
离心球墨铸铁管
原标准
6.0
6.3
7.2
8.1
9.0
9.9
10.8
11.7
新标准
4.4
4.7
6.2
6.5
7.5
8.7
8.8
9.6
PE100塑料管
SDR17.6
6.3
11.4
17.9
22.8
28.4
35.8
SDR11
10.0
18.2
28.6
36.4
45.5
57.3
塑料管(另一资料提及)
6.3
12.8
20.1
25.5
31.7
40.2
45.3
51.0
耐压
能力
(MPa)
离心球墨铸铁管
原标准
5.0
4.0
3.2
新标准
4.0
3.0
2.5
PE100塑料管
SDR17.6
 
~0.6
 
 
 
 
 
 
SDR11
 
~1.0
 
 
 
 
 
 
塑料管(另一资料提及)
~0.68
单位
重量(kg/m)
离心球墨铸铁管
原标准
15.8
32.3
53.8
80.3
111.5
147.0
187.1
232.0
新标准
11.8
24.3
47.0
65.7
94.2
130.7
155.3
194.2
塑料管(另一资料提及)
2.08
8.22
21.2
34.0
52.5
84.4
107.0
136.0
单位
价格(元/m)
离心球墨铸铁管
原标准
94.8
177.6
264.0
401.5
557.5
735.0
937.5
1160.0
新标准
70.8
133.7
235.0
328.5
471.0
653.5
776.5
971.0
PE100塑料管
SDR17.6
37.6
123.3
304.0
491.4
765.5
1214.6
SDR11
57.2
189.0
467.1
754.6
1189.4
1870.3
注:1.PE100塑料管壁厚和价格摘自山东阳谷恒泰PE管材实业有限公司2010年新价格表
    2.离心球墨铸铁管价格,以DN100mm:6000元/吨;DN200mm:5500元/吨;≥DN300mm:5000元/吨计算。其单位重量(kg/m),已计入承口重量。  
 
六、针对新国际标准应采取的措施
采用新的国际标准是大势所趋。为适应新的国际标准,我国的铸管和供水行业必需要做好以下工作:
1.提高思想认识,积极应对
这次国际标准的修改对中国铸管行业来说,既是一次挑战,又是一次机遇。标准内容的改动必将对铸管的生产厂家、自来水公司(广大用户)、运输公司和施工单位带来较大的影响。
新标准提高了生产工艺质量控制和使用上的要求,总的看是技术上的进步。有利于“节能减排”有利于降低原材料消耗和工程成本,有利于球墨铸铁管的推广与应用。我们应该抱积极的态度,同时在推广应用中要结合我国国情,保证稳妥推进新标准。
鼓励生产企业积极按照“球墨铸铁管新国际标准ISO 2531:2009组织试生产,鼓励供水企业积极试用。在试生产和试用中改进产品的质量。
在企业生产和工程应用成熟的基础上,着手对GB/T13295-2008国家标准进行修订。
2.国内离心球墨铸铁管生产企业应采取的措施
在6m长轴向方向上,浇注壁厚4.4mm(负公差时仅3.0mm)的离心球墨铸铁管,对铸铁的离心铸造技术提出了更高的要求,不仅要成型好,而且要求壁厚的均匀度好,否则会影响铸管的椭圆度和轴向变形,甚至铸管的打压合格率,使废品率难以控制。由于新ISO2531:2009标准的壁厚较薄,铸造难度增加,故铸管综合废品率会相应地提高些。要求生产厂家要提高工艺控制水平,提高设备的精度和可靠性,加强对铸管壁厚和质量的控制。主要措施应包括以下几个方面:
(1)提高原辅材料的质量
1)应有效地控制高炉铁水或铸造生铁的质量,特别是含硫量(S应≤0.025%)和含钛量(Ti应≤0.07%)。因为含硫量高会影响铁水球化率、降低铁水纯净度和使铁水回硫严重。Ti是球化干扰元素,含钛量高会降低铸管的球化率。
2)控制铸管用各种原辅材料的成分范围、杂质含量和块(粒)度。
3)各种加入炉内和包内的金属和合金料都要仔细(筛)分开,并烘烤、干燥。
4)废钢应为普通低中碳素钢(不含各种合金元素),必须清除表面铁锈。
5)如采用冲天炉熔化铸造生铁方法制备铁水,熔化用的焦碳应当是高质量的(如固定碳量≥85%一级冶金焦,或最好采用固定碳量≥88%铸造焦;含硫量≤0.6%)。
(2)提高铁水质量
1)提高铁水的纯净度。用于球化的原铁水含硫量应≤0.025%,以减少球化后的铁水渣量;同时应减少铁水中各种的夹杂物含量。
2)采用更先进的球化处理工艺和方法。
由于历史原因,我国的铁水的纯净度一般较差(含硫量较高,杂质元素和夹杂物量较多,铁水氧化较严重),故国内普遍采用稀土-镁冲入法的球化处理方法。由于稀土氧化物和硫化物的密度与铁水的密度相近,常悬浮在铁水中,故很难通过扒渣方法清除干净。因此随着铁水纯净度的提高,应当适当地降低稀土-镁球化剂中稀土含量(如RExOy量为1.0%~2.0%)。
建议采用以含镁量较高球化剂的球化处理工艺和方法,如转包法和喷镁法(纯镁),以及喂丝法(含Mg25%~35%),以进一步提高铁水的纯净度,同时也可提高石墨球化的圆整度(即提高球化级别,一般可达1~2级)。
3)提高电炉的调控能力和手段。
适当提高电炉的升温功率,使铁水有一定的过热温度和保温时间,以利于提高铁水的纯净度;同时按铸管的管径大小,快速调整出铁温度和浇注温度。
提高熔炼铁水的成分精度和控制范围,特别是控制原铁水的C、Si、S量,以便快速调整废钢加入量、炉内补加的Si-Fe量、球化剂和孕育剂的加入量。
4)加强对生产过程中铁水质量的控制 
在铁水质量控制的中,详细规定检测的次数和频率,以及超出控制范围时的调整和补救措施。
定期对检测的铁水质量进行统计分析,找出影响铁水质量的主要因素,以便从原辅材料的质量或熔炼规范、工人操作等方面进行改进。
(3)提高生产装备的先进性、可靠性和稳定性,加强对壁厚的工艺控制
1)提高离心铸管机的运行精度(如管模的径跳,主机速度和浇包角速度的不均匀性等)控制和维护
从离心铸管机的结构设计和制造、管模的制造和维修(如管模的壁厚差和平直度、按装时的径跳)等方面提高其运行精度。对离心机参数的进行分析和优化。
在液压和电气系统,采用国内外先进的技术和质量可靠性好的公司优质产品,以保证离心铸管机在生产中的可靠性和稳定性。
2)采用中间包技术,保证离心铸管机的生产连续性,控制并优化生产节奏,减少铁水的化学成分和浇注温度的波动范围(如浇注温度控制在≤±15℃范围内)。
3)提高精整线和喷漆线上各种生产设备的设计、制造和安装精度,提高设备的可靠性和稳定性。
4)研究和发展壁厚的检测技术,加强对壁厚的工艺控制。
(4)提高生产中的工艺技术水平和工人的操作水平,提高生产企业的管理水平
加强对新工艺、新技术、新材料和新装备(工装)的研究、开发和应用,提高企业的工艺技术水平。
降低生产过程中的材料和能源消耗,提高企业的经济效益。
工人的操作水平关系到铸管的最终质量水平,因此生产企业必须加强对职工的职业道德、质量意识和操作技术的教育和培训。
加强对整个铸管生产过程中的生产、技术、质量、成本和经济效益的监控。
3.国内客户――自来水公司应采取的措施
1)积极选择先进的产品。根据新国际标准的要求,选择采用各先进工艺和技术生产的优质产品,特别是要考察和采购质量可靠、质检严格企业生产的产品。鼓励供水企业积极试用新国际标准生产的铸管,在试生产和试用中改进产品的质量。
2)积极选择环保的产品。根据新国际标准的要求,选择采用节能、减排、低碳的产品。
3)规范现场操作。按新标准要求,制定或修改国家有关设计、施工、验收规范。使按C等级管道生产的管材在工程应用中,有与之相匹配的规范和技术保证。
 
 
                                                 2011.4.19