超大口徑長距離HDPE輸水管道材料與設(shè)計(jì)研究

朱永濤，　霍學(xué)平

(河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊　050051)

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超大口徑長距離HDPE輸水管道材料與設(shè)計(jì)研究

朱永濤，霍學(xué)平

(河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊050051)

通過對常用輸水管道以及有關(guān)管道規(guī)程的研究，分析總結(jié)超大口徑長距離HDPE輸水管道的材料選取與壁厚設(shè)計(jì)規(guī)定，并進(jìn)一步對有關(guān)HPDE管的管道設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，包括水利計(jì)算中的壓力設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度、抗浮、環(huán)向穩(wěn)定、抗滑、豎向變形等校核計(jì)算。最后，以南水北調(diào)實(shí)際工程中的邢清干渠南宮干線項(xiàng)目為依據(jù)，校核分析管道設(shè)計(jì)的可靠性。

HDPE；壁厚；水力計(jì)算；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0　引言

近年來，大口徑管、燃?xì)夤芤约肮腆w輸送管等已成為管材發(fā)展的主要趨勢，HDPE大口徑排水管道在當(dāng)今世界上得到了越來越廣泛的運(yùn)用，逐漸取代了水泥管在排水工程中的角色。HDPE管道目前在德韓以及日本的大口徑排水管使用率，其中德國最低為60%，日本最高為90%[1]。我國自20世紀(jì)70年代開始了對聚乙烯塑料管道的開發(fā)，經(jīng)過多年的研發(fā)與研究，已成功開發(fā)出了HDPE壓力管道，這一成就在很大程度上推動了我國塑料壓力管道的推廣與普及[2]。在南水北調(diào)配套工程的基礎(chǔ)上，對超大口徑HDPE輸水管道進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，提出公稱外徑DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2250、DN2500 HDPE輸水管道分別在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.25 MPa 、1.6 MPa 7種公稱壓力下對應(yīng)的公稱壁厚，并對有關(guān)HPDE管的管道設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

1　HDPE輸水管材材料選取及壁厚設(shè)計(jì)

HDPE輸水管道的設(shè)計(jì)使用年限一般為50 a，在塑料管道的設(shè)計(jì)中常引進(jìn)安全系數(shù)的概念，此系數(shù)是將材料的加工性能及安裝使用條件等影響因素相結(jié)合考慮的參數(shù)，設(shè)計(jì)應(yīng)力σS的一般計(jì)算公式為

(1)

大口徑聚乙烯給水管材和管件的配料選擇，一般要求選用最小要求強(qiáng)度為10.0 MPa的聚乙烯，當(dāng)輸水溫度為20 ℃時，C最小可取1.25，此時設(shè)計(jì)應(yīng)力σS的最大值為8 MPa[3]。

塑料管公稱壓力、允許環(huán)向應(yīng)力、管道幾何尺寸相互之間的關(guān)系，在ISO標(biāo)準(zhǔn)中表示以下標(biāo)準(zhǔn)公式[4]

(2)

式中，P為公稱壓力;σ為長期靜壓壓力值或具有一定安全系數(shù)保證的實(shí)際應(yīng)力值;D為管道公稱外徑;e為管道公稱壁厚。

定義管道的標(biāo)準(zhǔn)尺寸比SDR=D/e，代入式(2)得

(3)

由公式(3)可得，當(dāng)工程采用相同的標(biāo)準(zhǔn)尺寸比時，在一定的設(shè)計(jì)應(yīng)力下，其公稱壓力必然相同。工程選用PE100管材，在最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值8 MPa情形下，依照所選的公稱壓力，得出的公稱外徑分別為DN1000、DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2250和DN2500的管材公稱壁厚如表1所示。

表1　聚乙烯管材公稱壁厚尺寸表en　mm

2　HDPE輸水管道水力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1管道水力計(jì)算

水力計(jì)算中，需要進(jìn)行的主要工作為對于水頭損失的確定，包括沿程水頭損失及局部水頭損失，管道水頭損失hw的具體計(jì)算按照下式進(jìn)行[5]

(4)

式中，hf為管道沿程水頭損失；hj為管道局部水頭損失。

管道沿程水頭損失hf的計(jì)算應(yīng)按下列公式進(jìn)行

(5)

式中，λ為沿程阻力系數(shù)；l為管段長度；di為管道內(nèi)壁直徑；g為重力加速度(9.81 m/s2)；v為管段平均流速。

局部水頭損失hj應(yīng)按下式計(jì)算

(6)

式中，ζ為局部水頭損失系數(shù)。

沿程水頭損失中，當(dāng)局部水頭損失所占比例小于5%時，可不將局部水頭損失考慮在內(nèi)。

2.2管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行聚乙烯管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，按照柔性管道對其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，且采用基于概率之上的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來衡量，除管道整體穩(wěn)定外，都采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[6]。具體條件按下列規(guī)定進(jìn)行。

(1)聚乙烯管道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用極限狀態(tài)計(jì)算表達(dá)式

(8)

式中，γ0為管道安全重要性系數(shù)；S為在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；R為管道結(jié)構(gòu)的抗力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

轉(zhuǎn)化為應(yīng)力公式時，具體可表達(dá)為

(9)

式中，σθ為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下管壁截面上的環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)值；γ0t為聚乙烯管材抗力分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)不同水溫t按表2確定；f為管材環(huán)向長期抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取f=10 N/mm2。

表2　不同水溫情況下聚乙烯管材抗力分項(xiàng)系數(shù)

(2)對于埋設(shè)在地下水位以下的聚乙烯管道，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件，對管道的抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行校核分析，對于各項(xiàng)荷載均取其荷載標(biāo)準(zhǔn)值，并且結(jié)果需滿足抗浮穩(wěn)定抗力系數(shù)Kf不低于1.1的要求。具體應(yīng)滿足如下公式要求

(10)

式中，∑Fg為各項(xiàng)抗浮作用的標(biāo)準(zhǔn)值之和；Kf為抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)；Ffw為地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)對于埋設(shè)在地下的聚乙烯管道，需要對管壁的環(huán)向穩(wěn)定性進(jìn)行校核分析，在進(jìn)行環(huán)向穩(wěn)定計(jì)算時，對于各i項(xiàng)荷載均取其荷載標(biāo)準(zhǔn)值，且結(jié)果需滿足環(huán)向穩(wěn)定性抗力系數(shù)Kst不低于2.0的要求，詳細(xì)計(jì)算如下

(11)

(12)

式中，F(xiàn)cv為管壁臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Kst為管壁抗穩(wěn)定抗力系數(shù)；qv為管頂處單位面積豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Fv為管內(nèi)真空壓力，取0.05 MPa；n為管壁失穩(wěn)折皺波數(shù)，其取值為使Fcv最小且不小于2的整數(shù)；Ep為彈性模量；νp為管側(cè)回填土的泊松比；νs為管側(cè)回填土的泊松比；Ed為管側(cè)土的綜合變形模量。

(4)當(dāng)聚乙烯管道采用柔性接口時，若需要對其鋪設(shè)方向進(jìn)行改變，則需要對其進(jìn)行相應(yīng)的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。對于各項(xiàng)荷載均取其荷載標(biāo)準(zhǔn)值，并且抗滑驗(yàn)算的穩(wěn)定性抗力系數(shù)Ks不應(yīng)小于1.5。具體應(yīng)滿足如下公式要求

(13)

(14)

(15)

(16)

式中，F(xiàn)p為被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Fep為主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；Ff為滑動平面上的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值；Ks為抗滑移穩(wěn)定性抗力系數(shù)；Fwp為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下管道承受的水平推力標(biāo)準(zhǔn)值；P、Pmin、Pmax為支墩作用在地基土上的平均、最小、最大壓力；fa為經(jīng)過深度修正的地基土承載力特征值，按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007—2011的規(guī)定確定。

(5)在正常使用極限狀態(tài)下，應(yīng)對聚乙烯管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行管道環(huán)向截面豎向變形校核，具體應(yīng)滿足如下公式要求

(17)

(18)

或

(19)

式中，wd,max為組合作用下最大豎向變形；Dl為變形滯后效應(yīng)系數(shù)，可取1.0～1.5；Kb為管底弧形土基的基床系數(shù)；D0為管道計(jì)算半徑；D1為管道外徑；I為管壁縱向截面單位長度截面慣性矩；Fsv為管道單位長度管頂處豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；qi為地面車輛荷載傳遞到管頂?shù)呢Q向壓力標(biāo)準(zhǔn)值與地面堆積壓力標(biāo)準(zhǔn)值兩者中的較大值；φq為準(zhǔn)永久值系數(shù)，可取0.5；Sp為管材環(huán)剛度。

3　管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

邢清干渠工程位于河北省南部，是河北省南水北調(diào)配套工程的主要組成部分。該工程包括3段，渠首～調(diào)壓井干線、清河干線和南宮干線，其中南宮干線從調(diào)壓井引出，南宮干線試驗(yàn)段全長44 km，采用DN1200、DN1400的HDPE輸水管道管。結(jié)合聚乙烯管在南宮干線的應(yīng)用，從實(shí)際出發(fā)分析研究超大口徑長距離HDPE輸水管道的材料與設(shè)計(jì)研究。

3.1水力計(jì)算成果

依據(jù)邢清干渠初步設(shè)計(jì)批復(fù)的南宮干線首端水位54.04 m，末端水位33.85 m。變更后干線首端水位54.04 m不變，末端水位為33.89 m，較初設(shè)批復(fù)的末端水位高0.03 m，過流能力滿足要求。

表3　聚乙烯(HDPE)管材公稱壓力和規(guī)格尺寸　mm

用水戶按照設(shè)計(jì)規(guī)模運(yùn)行工況確定管道規(guī)模大小，具體計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表4　管道水頭損失計(jì)算及規(guī)模成果表

3.3管道結(jié)構(gòu)計(jì)算及選擇

埋設(shè)在地面以下的管道主要承受來自土、水、地震、車輛、檢修以及地面堆積物等的荷載，并且以內(nèi)水壓力以及覆土荷載為主。

設(shè)計(jì)過程中選取的參數(shù)：(1)地面堆積荷載10 kN/m2，(2)工作內(nèi)水壓力0.4 MPa。

工程選用DN1400和DN1200的HDPE管材，依據(jù)HDPE管所處的工作環(huán)境和受力狀態(tài)根據(jù)《大口徑聚乙烯(PE)給水管道工程技術(shù)規(guī)程》(DB13/T 2162—2014)的公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算，工程HDPE管道的強(qiáng)度、環(huán)向穩(wěn)定以及變形均滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5　HDPE管道結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表

注：SDR26對應(yīng)的計(jì)算覆土深度為4 m，SDR21對應(yīng)的計(jì)算覆土深度為6 m。

4　結(jié)語

(1)結(jié)合邢清干渠南宮干線試驗(yàn)段工程，對超大口徑HDPE輸水管道進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，提出了公稱外徑DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2250、DN2500 HDPE管道分別在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.25 MPa、1.6 MPa 7種公稱壓力下對應(yīng)的公稱壁厚。

(2)總結(jié)概括了輸水管道的水力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，包括水頭損失以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、抗浮、環(huán)向穩(wěn)定、抗滑、豎向變形等校計(jì)算。

(3)對南水北調(diào)配套工程中HDPE輸水管道的管道選擇以及水力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

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Research of Ultra-Large Diameter Long-Distance HDPE Pipes Material and Design

Zhu Yongtao,Huo Xueping

(Hebei Provincial Academy of Water Resources, Shijiazhuang 050051, China)

Through the study of common pipeline and related regulations, the material selection and the wall thickness design rules of ultra-Large diameter long-distance HDPE pipes were analyzed and summarized. An analysis on pipeline design of HDPE pipe was conducted, including the pressure design in the hydraulic calculation and structural design of strength, anti-floating, ring stability, resistance to sliding and vertical deformation. Finally the reliability analysis of pipeline design was checked based on the Xingqing trunk in South-North Water Transfer Project.

HDPE;wall thickness;hydraulic calculation;structural desig

2015-10-12責(zé)任編輯:車軒玉DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.08

朱永濤(1974-)，男，正高級工程師，主要從事水利工程方向的研究。E-mail: 2284531406@qq.com

TV4

A

2095-0373(2016)03-0045-05

朱永濤，霍學(xué)平.超大口徑長距離HDPE輸水管道材料與設(shè)計(jì)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(3):45-48.