玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管承插接口滲漏處理措施

南彥波

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

0 引言

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（以下簡(jiǎn)稱玻璃鋼管，F(xiàn)RPM））具有重量輕、剛度好、糙率小、不影響水質(zhì)等特點(diǎn)，同時(shí)它還具有安裝方便、耐腐蝕使用壽命長(zhǎng)、綜合費(fèi)用適中、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用于城市給水、污水排放、工業(yè)水處理等工程中；目前還有向大型長(zhǎng)距離調(diào)水工程使用的趨勢(shì)，是鋼管、球墨鑄鐵管、PCCP、PE等多種管材中較為經(jīng)濟(jì)適用的新型管材。近年來玻璃鋼管已在全國(guó)多地給排水工程中應(yīng)用，使用最大口徑已達(dá)到2.8m，運(yùn)行基本穩(wěn)定。山西禹門口提水東擴(kuò)工程輸水管線末端澮河支線約6.0 km，使用直徑1.2m和1.0 m的玻璃鋼管，水壓試驗(yàn)及試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)個(gè)別接頭有滲漏水，后經(jīng)處理運(yùn)行情況良好。本文就玻璃鋼管接頭滲漏原因及處理方法進(jìn)行分析，供類似項(xiàng)目參考。

1 工程概述

禹門口提水東擴(kuò)工程位于山西省中南部，是向臨汾、運(yùn)城六縣市工、農(nóng)業(yè)以及農(nóng)村生活供水的保障性給水工程。年農(nóng)業(yè)供水量0.8億m3，工業(yè)供水量0.8億m3。工程沿線布置調(diào)蓄水庫2座，提水泵站4座，主管線長(zhǎng)48.8km，全部采用 DN2000、1800、1400的PCCP，澮河支線采用DN1200和1000的FRPM，長(zhǎng)度分別為5.0 km和1.0 km，管線為埋地式沿農(nóng)田布置。

工程沿線地層為第四系上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal）低液限黏土，局部夾低液限粉土透鏡體，結(jié)構(gòu)較松散，土質(zhì)均勻，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，厚度5～20 m。土層均存在濕陷性，等級(jí)為自重Ⅰ～Ⅳ級(jí)。地下水位埋深均在管基以下約10 m深。

2 工程設(shè)計(jì)

FRPM管道以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以不飽和聚酯樹脂等為基體材料，以石英砂及碳酸鈣等無機(jī)非金屬顆粒材料為填料，采用定長(zhǎng)纏繞工藝、連續(xù)纏繞工藝方法制成。管壁結(jié)構(gòu)由內(nèi)襯層（防腐層、防滲層）、結(jié)構(gòu)纏繞層（含夾砂層）及外部保護(hù)層三部分組成。管道直徑從200～4000 mm共分30個(gè)等級(jí)，壓力等級(jí)從0.1～2.5MPa共分11等級(jí)，環(huán)向剛度等級(jí)分1250、2500、5000、7500、10 000 N/m2五級(jí)，內(nèi)壁糙率為0.009，單節(jié)長(zhǎng)度12m。標(biāo)準(zhǔn)接頭連接采用雙膠圈承插式連接，彎頭等特殊部位采用現(xiàn)場(chǎng)裱糊處理，與閥門等設(shè)備的連接采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接。

2.1 管線橫斷面設(shè)計(jì)

采用常規(guī)的溝埋式設(shè)計(jì)，溝槽為梯形斷面，采用開挖原土回填（比重：19kN/m3），回填Ⅰ區(qū)壓實(shí)系數(shù)不小于95%，回填Ⅱ區(qū)壓實(shí)系數(shù)不小于90%，開挖回填橫斷面詳見圖1。根據(jù)縱斷布置，管頂覆土厚度按1.5m、2.0 m和3.0 m計(jì)算，回填土變形模量為3.0 MPa。

根據(jù)管道受力情況，作用于管道上永久荷載有土壓力、管道自重，可變荷載有靜水壓力、地面堆積荷載和車輛荷載及管道運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的真空壓力、地下水作用等。管道設(shè)計(jì)環(huán)剛度等級(jí)分別為5000、7500和10 000 N/m2，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為0.6MPa，試驗(yàn)壓力0.85MPa。

圖1 FRPM管道橫斷面圖

2.2 管道接頭設(shè)計(jì)

為降低自重濕陷性黃土危害，適應(yīng)基礎(chǔ)變形，本工程FRPM管道采用具有適應(yīng)一定基礎(chǔ)不均勻沉降變形的雙膠圈承插口柔性接頭，膠圈為雙“O”型實(shí)心橡膠密封圈，并按規(guī)范要求對(duì)接口間隙進(jìn)行密封，且標(biāo)準(zhǔn)承插接頭轉(zhuǎn)角要求不小于1°。

為避免因管道及接頭滲漏使管基及管線建筑物基礎(chǔ)變形，破壞管道影響正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)從管基處理、閥件連接、接頭允許轉(zhuǎn)角等方面提出了嚴(yán)格的要求：管基采用2∶8灰土墊層進(jìn)行處理，厚度按照自重Ⅳ～Ⅰ濕陷性等分別為0.5m和0.3m厚，墊層上部再鋪設(shè)0.15m厚的砂礫料；各類閥件閥室前后均采用1～2m短管過渡連接,以適應(yīng)因建筑物和管道地基承載力不均造成的局部變形；以便適應(yīng)管線的局部變形破壞，建筑物接頭詳見圖2。

3 存在問題

圖2 FRPM管道閥井連接示意圖

玻璃鋼管安裝于2011年4月開始，2011年7月完成，在2012年5月驗(yàn)收前的檢查過程發(fā)現(xiàn)局部管道內(nèi)壁變形超標(biāo)，敲擊存在空鼓、分層現(xiàn)象；2012年10月至2013年3月6次試通水過程中，共發(fā)現(xiàn)11處漏水，9處為承插接頭，個(gè)別造成管線地面沉降、形成大坑。進(jìn)管道內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)管道接頭沉降變形、間隙超標(biāo)、位移超標(biāo)，其中1個(gè)接縫可觸摸到橡膠圈。

4 原因分析

1）管道內(nèi)部變形超標(biāo)及局部空鼓，主要表現(xiàn)為管道內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外表層出現(xiàn)分層。其原因可能為：①管道制造過程中存在材料不均勻等質(zhì)量瑕疵。②管基局部處理不到位或管道溝槽回填壓實(shí)度未達(dá)到要求，使管道受力不均。③緊鄰管壁周圍回填土中存在硬質(zhì)雜物，造成管身局部受力不均勻。④管道安裝完成后空置時(shí)間較長(zhǎng)等。

2）管道接頭滲漏主要由接頭變形引起，其原因可能為：①接頭止水膠圈密封圈質(zhì)量存在問題，造成橡膠圈壓縮變形后不能恢復(fù)原有的彈性，無法適應(yīng)管道微變形情況。②管道受地基條件變化影響造成管道接頭拉開。③管道接頭受回填土壓實(shí)不均勻等影響，再加上承插口接頭本身預(yù)留的間隙，造成承口變形和插口變形不同步，從而使接頭局部橡膠圈壓縮量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，無法滿足止水要求，造成接頭滲漏水現(xiàn)象。

5 處理方法及措施

5.1 處理方法分析

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管道從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及進(jìn)度等方面考慮，多選用承插連接的管道。對(duì)于鋪設(shè)在濕陷性黃土地區(qū)的管道，為避免滲漏水造成管基變形損壞，多對(duì)承插口止水提出較高的要求：①在制造過程中，優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保管道剛度滿足要求；②優(yōu)化管道接頭間隙尺寸，嚴(yán)格控制膠圈質(zhì)量；③施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行溝槽回填，確保各區(qū)均在合理的壓實(shí)度范圍；④加強(qiáng)安裝過程接頭止水打壓檢驗(yàn)等措施確保管道安裝質(zhì)量。在滿足以上要求的同時(shí)，應(yīng)保證每個(gè)接頭均具有合理變形能力，以適應(yīng)一定程度的管基變形。

針對(duì)本項(xiàng)目存在的管身變形超標(biāo)分層及接頭滲漏水問題，主要進(jìn)行了以下處理：①對(duì)管身局部變形超標(biāo)問題，對(duì)已破壞的位置剝離清除，然后再采用制管用樹脂材料從內(nèi)部裱糊加固處理；②對(duì)接頭滲漏問題，常規(guī)多采用制管用樹脂材料從內(nèi)部裱糊堵漏，但處理后接頭形成剛性連接，造成局部較長(zhǎng)管段剛度提高，在基礎(chǔ)變形情況下使管道承受較大的軸向剪力，容易在后期產(chǎn)生剪切破壞；本工程通過新材料、新工藝調(diào)研，創(chuàng)造性地提出柔性接頭滲漏處理措施，采用聚脲復(fù)合胎基布和高強(qiáng)聚氨酯，對(duì)玻璃鋼管接頭進(jìn)行柔性防滲處理，取得了良好的效果，處理后的接縫詳見圖3。

圖3 處理后的接縫照片

5.2 柔性處理措施

管道接頭滲漏處理從內(nèi)部進(jìn)行，首先對(duì)承插口接頭臺(tái)階處采用高強(qiáng)聚氨酯過度找平，然后在管內(nèi)壁接口左右表面涂刷寬300 mm、平均厚度2.6mm（其中中間部位3mm、兩側(cè)2mm）的SK手刮聚脲材料。聚脲分兩層涂刷，聚脲內(nèi)部貼復(fù)合胎基布，詳見圖4。

圖4 玻璃鋼管承插口接頭柔性防滲處理示意圖

5.3 施工工藝

（1）底材處理：玻璃鋼管表面處理首先用角磨機(jī)對(duì)表面進(jìn)行打磨，清除表層氧化層及表面的棱角，直到出現(xiàn)新的界面，用丙酮將表面的灰塵、浮渣擦干凈，要求管壁表面平整、堅(jiān)固、無孔洞。

（2）界面劑施工：SK手刮聚脲涂層與玻璃鋼管之間的粘接面,采用專用界面劑進(jìn)行處理?；嫣幚砗笤诓Ａт摴鼙砻嫱克⒔缑鎰?，涂刷寬為350 mm，厚度要求薄而均勻，無漏涂現(xiàn)象。

（3）臺(tái)階處理：界面劑表干后，在玻璃鋼管承插接口的臺(tái)階處嵌填高強(qiáng)聚氨酯，形狀為三角形，要求表面平整。

（4）SK聚脲施工：待界面劑表干和高強(qiáng)聚氨酯固化到80%后，直接刮涂第一層SK手刮聚脲，隨后在承插接口部位150 mm范圍內(nèi)鋪蓋胎基布，并用刮板將胎基布按壓、刮平到與管壁貼緊，再涂刷2～3遍SK手刮聚脲。每次涂刷SK手刮聚脲的允許作業(yè)時(shí)間在2h以內(nèi)完成，直至承插接口中間寬度150 mm部位聚脲厚度達(dá)3mm、兩側(cè)寬度各75mm部位厚度不小于2mm。寬度為300 mm，平均每平方米用量0.8kg。

施工注意事項(xiàng)：①在SK手刮聚脲涂刷范圍的周邊，保證SK手刮聚脲涂層與玻璃鋼管的搭接牢固可靠，避免在高速水流沖刷下開口掀起。界面劑寬度不小于350 mm。②保證承插接口部位涂層厚度不小于3mm。③涂刷均勻，且一次成型，不要來回涂，防止出現(xiàn)氣泡。④管內(nèi)施工要求具備良好的通風(fēng)條件。

5.4 材料指標(biāo)

（1）SK手刮聚脲性能指標(biāo)

SK手刮聚脲為單組分，分為“抗沖磨型”和“防滲型”兩種。玻璃鋼管承插接口防滲建議采用抗沖磨型SK手刮聚脲，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1，其中最主要的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及附著力指標(biāo)均可滿足止水、變形的功能要求。

（2）高強(qiáng)聚氨酯性能指標(biāo)

高強(qiáng)聚氨酯密封膠為柔性防水材料，是單組分高觸變膏狀體，其接觸空氣后，在空氣中濕氣作用下固化成一種高彈性的密封膠，作為接縫處理中的填料使用。高強(qiáng)聚氨酯密封膠主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

5.5 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

（1）手刮聚脲基層（聚氨酯密封膠填料）應(yīng)牢固，基面應(yīng)潔凈、平整，不得有空鼓、松動(dòng)、起砂和脫皮現(xiàn)象。

（2）手刮聚脲涂層應(yīng)與基層粘結(jié)牢固，表面平整、涂刷均勻，不得有流淌、皺褶、鼓泡、露胎體等缺陷，粘接強(qiáng)度不小于2.0 MPa。

表1 SK手刮聚脲（抗沖磨型）主要技術(shù)指標(biāo)

表2 聚氨酯密封膠主要技術(shù)指標(biāo)

（3）手刮聚脲的平均厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，最小厚度不得小于設(shè)計(jì)厚度的90%。厚度可用針測(cè)法或割取20 mm×20 mm實(shí)樣用卡尺測(cè)量。

6 結(jié)論與建議

采用以上方法對(duì)出現(xiàn)滲漏的接頭進(jìn)行了仔細(xì)的處理，后經(jīng)驗(yàn)收和靜水壓檢測(cè)，滲漏量為0.87L/（min.km）遠(yuǎn)低于規(guī)范允許滲漏量3.0 L/（min.km）的要求，并在后期通過多次輸水檢驗(yàn)也未發(fā)生管道滲漏現(xiàn)象，放空管道后進(jìn)管檢查，聚脲處理位置完好，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，說明采用高強(qiáng)聚氨酯密封膠和SK手刮聚脲材料對(duì)玻璃鋼管道接頭滲漏處理是可行的。

鑒于玻璃鋼管承插口接頭周圈安裝間隙較大，最小約2mm，若在安裝和回填過程造成管道軸線發(fā)生一側(cè)偏移，此接頭局部最大間隙將可能達(dá)到6.4mm。具體計(jì)算：DN1200管道承口內(nèi)徑1266±0.3mm，插口外徑1263+0.3～-0.8mm，橡膠圈長(zhǎng)度1130×3.14mm，膠圈直徑20 mm，插口膠槽寬度尺寸30 mm，深度（1263＋+0.3～-0.8-1242）/2=10.5+0.3～-0.8mm，計(jì)算膠圈均勻拉伸就位在膠槽的直徑為19.07mm，按照承插口結(jié)構(gòu)尺寸，若承插口圓度均勻，接頭局部可能最大間隙為4.1mm，膠圈最小壓縮量為4.17mm；若承口橢圓，插口圓度均勻，接頭局部可能最大間隙達(dá)到6.4mm，此處膠圈最小壓縮量為1.8mm，膠圈壓縮量偏小就會(huì)產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。由此可看膠圈設(shè)計(jì)就顯得非常關(guān)鍵，建議廠家針對(duì)不同管徑、管體環(huán)向剛度、工作內(nèi)壓等做好對(duì)應(yīng)管道的膠圈設(shè)計(jì)，包括膠圈長(zhǎng)度、直徑、最小止水壓縮量等相關(guān)指標(biāo)的確定，同時(shí)做好膠圈材料質(zhì)量控制。