| 标题 | 聚乙烯管道纵向变形对施工的影响及解决措施 |
| 范文 | 万研新 摘 要：本文通过对聚乙烯管道不同温度下纵向变形量和土壤摩擦力的理论计算，分析了聚乙烯管道在环境温度变化时发生纵向变形对施工的影响和可能带来的质量问题，并针对这些问题提出了应对措施。 关键词：聚乙烯；PE管道；施工变形 中图分类号：TU996 文献标志码：A 随着我国塑料工业的发展，聚乙烯管道以其重量轻，耐腐蚀、韧性好，可热熔焊接以及低成本等特点，在市政和给水领域得到了广泛应用，但在施工中由于对聚乙烯压力管道特性认识不够和缺乏相应的施工经验，常发生施工质量问题，其中以管道外环境温度变化引发的管道纵向变形导致管道接口漏水的问题最为棘手且难以找到原因。本文以昼夜温差较大的戈壁滩某厂区PE管道施工中发生的真实案例来研究分析环境温度变化与聚乙烯管道纵向伸缩量的关系及对施工带来的影响。 1 工程实例介绍 该厂处在沙漠边缘，全年和昼夜温差极大，工程主要是对原老旧铸铁管道更换为PE管道。工程5月开工，10月完工，在10月份试运行时发生了穿越马路的钢制套管内PE管与铸铁管接口处漏水问题，在问题归零时我们认真查阅了PE管道的相关资料，结合施工时的气候、故障部位的工程特点，初步判断是温差导致PE管道纵向伸缩，使接口松动漏水，找到原因后在接口前加装了波纹补偿器，问题得到解决。事后进行了模拟理论计算证实了判断的正确性。 2 理论计算分析 理论计算时收集了施工现场环境温度和土壤特性，结合PE管道温度特性对纵向变形量、纵向受力进行了计算和分析。 2.1 管道纵向温度变形计算 通常由温差引起的纵向变形量按下式计算： ΔL=CP×L×Δt 式中：CP——聚乙烯管材线膨胀系数，m/m℃；ΔL—有温差产生的纵向变形量，m；Δt—管壁处施工安装与运行使用中的最大温度差，℃； Δt=0.65Δts+0.1Δtg 式中：Δts—管道内介质的最大变化温度差，℃；Δtg—管道外环境温度的最大变化温度差，℃； 故障发生当月相关数据测量统计见表1。 通过计算管道纵向位移为8.45mm，这个伸缩长度当管道纵向受力足够大时，足以将接口拉开导致漏水。 2.2 管道纵向受力计算 埋设的PE管纵向方向，主要受到由温度变化引起的管道轴向力及管壁摩擦力。管道轴向力计算公式如下： F=σA 式中：σ——温度应力，MPa；A——管道横截面积，m2； 其中： σ=EΔTa A=（D2-d2）π/4 式中：E——管材弹性模量，MPa，PE管取900 MPa，20℃；ΔT——管道的温度变化，℃；σ——管道的线膨胀系数，PE管取0.13mm/（m·℃）；D——管道外径，m；d——管道内径，m。 故障段PE管外径200mm，外径15mm，以此算得管道轴向力为：47490.75N。 由于管道的伸缩而产生的摩擦力与管道上覆土层荷载成正比，其计算式如下式表示： f=πNμdL 式中：f——管侧摩阻力，N；μ——摩擦系数，与管材及土层性质有关；N——管道上正应力，Pa；d——管材外径，m；L——管道计算长度，m。 其中：N=γz 式中：γ——管道所处土层的重力密度，kN/m3，一般黏土层取18kN/m3；z——管道中心线至地面的高度，m。 管道埋深1m时摩擦系数取0.4，管道长度25m，计算得出摩擦力为124344N。 管道轴向力与管壁摩擦力受力方向相反，如果仅考虑PE管受温度应力及管侧摩擦阻力的影响，则管道所受合力为： F=σA-f 从以上计算结果看，当管道长度为25m时，其所受管壁摩擦力已远大于温度变化而产生的管道轴向力，即F<0。这就表示在一般情况下，PE管的温度变化所产生管道轴向变形完全可以被管壁摩擦力所限制，但在工程实际运用中，管道轴向拉力大于摩擦力的情况时有发生，如本工程实例中管道是穿越过路套管的，没有覆土，管道摩擦力远小于轴向拉力，由于PE管道是热熔连接的，所以对于PE管道部分来讲可以认为是一体的，那么PE法兰以后安装的套筒连接的部位就成了最薄弱点，由于当月温差较大，与PE法兰连接的PE管道发生轴向伸缩产生较大的位移，导致套筒连接处发生松动从而漏水。 3 轴向力大于摩擦力的情况分析 根据实地勘测及工程经验，管道轴向力大于摩擦力发生位移致使接口松动漏水的情况有如下几种： 3.1 PE管道穿越套管 在穿越马路等不便于经常开挖的地带或者为了增加承重减少对PE管的压力，时常预先敷设直径较大的钢制套管，施工时将PE管拖入即可。由于套管内PE管四周没有覆土，管道只是底部与套管接触，受到摩擦力远小于管道轴向力，当温差较大时易发生纵向伸缩。 3.2 管道敷设在河底或者沼泽地带 PE管道柔韧性较好，可以直接穿越河底或者沼泽地敷设，由于水的存在使得回填土摩擦力很小，管道所受轴向力将大于摩擦力，管道周围环境温差较大时，将发生纵向伸缩。 3.3 定向钻进非开挖敷设 定向钻进施工技术是在非开挖的情况下，用定向钻机导向仪引导钻头穿越土层，在泥浆护壁的作用下形成土孔，然后拖入PE管，以达到非开挖敷设新管道的目的。由于施工工艺的要求，钻出的孔洞直径必然大于管道直径，这样就使得管道四周的覆土很松散且空隙较多，管道与土壤接触面小且接触不紧密，从而使管道所受摩擦力小于管道轴向力。 4 应对措施 针对上述管道发生收缩位移原因的分析，可选择的施工措施有以下3种： 4.1 安装管道伸缩器 管道伸缩器是管道连接中由于热胀冷缩引起的管道尺寸变化给予补偿的连接件。施工中，根据管段長度，土壤特点，管沟形式，管道连接方式等设计或选用伸缩器，安装在PE管道与金属管道结合处等容易因温差而易发生纵向位移的位置，从而防止管道的热胀冷缩造成的管体位移，大大降低漏损风险。 4.2 采用蛇形敷设 PE管道具有良好的柔韧性，宜采用蛇形敷设，并可随地形弯曲敷设，但允许弯曲半径须符合相关规定。这样当管道环境温度变化较大发生热胀冷缩时，管道弯曲部位可自然补偿纵向位移量，起到了管道伸缩器的作用，从而避免管道焊口、平插接口或管件等薄弱环节因热胀冷缩而损坏，发生漏损问题。 4.3 采用锚固装置 锚固装置由上部锚固节和下部锚固支墩组成，锚固节为带法兰钢制短管，锚固支墩为现场混凝土浇筑并预埋与短管链接的固定支架，锚固节与锚固支墩预埋铁件焊接连为一体，两端通过法兰与PE管道连接，设置在管道连接处两侧，这样利用锚固支墩的稳定性，限制了钢、塑管道连接处发生位移，使其不再影响铸铁管道接口。 结语 通过管道轴向力、管壁摩擦力理论计算，验证了故障发生的原因，举一反三，分析了PE管道因温度变化而发生纵向位移导致故障的几种情形，通过安装伸缩器，采用蛇形敷设，设置锚固装置等措施可有效防止PE管道的漏损事故发生。 参考文献 [1]CJJ101—2016，埋地聚乙烯给水管道工程技术规程[S]. [2]GB/T13663—2000，给水用聚乙烯（PE）管材[S]. [3]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2010. |
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