大口徑HDPE管道設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

耿運(yùn)生，周玉濤，丁衛(wèi)巖

大口徑HDPE管道設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

耿運(yùn)生，周玉濤，丁衛(wèi)巖

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021)

HDPE管材在小口徑供水工程中被較多采用，隨口徑加大，HDPE相對(duì)小口徑有新的問題出現(xiàn)。筆者對(duì)邢清干渠大口徑HDPE管道設(shè)計(jì)、施工中的問題進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為管道采用熱熔連接是便捷可靠的，長(zhǎng)管建議采用鋼管合攏，支管直徑較大的旁通管宜采用鋼制結(jié)構(gòu)，必須加強(qiáng)控制管道溝槽回填質(zhì)量，同時(shí)建議在管內(nèi)具有一定水壓狀態(tài)下回填，水壓試驗(yàn)壓力采用DB13/T2162-2014規(guī)定，水壓試驗(yàn)的分段可結(jié)合檢修閥門井設(shè)置。

HDPE；熱熔；變徑接頭；大口徑

HDPE管道具有耐腐蝕、水力摩阻低、強(qiáng)度高、韌性好、施工快捷、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，在市政供排水工程中被大量應(yīng)用。

目前工程中采用的HDPE管道口徑一般較小，文獻(xiàn)［1］中管材的規(guī)格尺寸公稱外徑最大為1000mm，文獻(xiàn)［6］中管道直徑最大不超過630mm，文獻(xiàn)［2］中電熔管件最大直徑為630mm，法蘭接頭直徑為1000mm。在已實(shí)施的輸水、氣管道工程中以600mm及以下者為常用。

在河北省南水北調(diào)配套工程邢清干渠工程中，有43km管道采用的DN1400和DN1200 HDPE管道，管道的直徑和材料選擇皆超出了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，進(jìn)行了大量的科研和試驗(yàn)工作，并編制了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。作者對(duì)邢清干渠大口徑HDPE管道生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)中的有關(guān)問題進(jìn)行總結(jié)，供相關(guān)人員參考。

1 管材

目前供水工程中使用的PE管材多按照文獻(xiàn)［1］的規(guī)定進(jìn)行生產(chǎn)，規(guī)范中材料包括PE63、PE80和PE100等3個(gè)等級(jí)，管道最大公稱外徑1000mm，。對(duì)于大口徑PE管道，文獻(xiàn)［8］中適用范圍為公稱外徑1200～2500mm，適用的材料為PE100。在強(qiáng)度指標(biāo)上，文獻(xiàn)［8］相對(duì)文獻(xiàn)［1］增加了表觀拉伸屈服應(yīng)力一項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)于柔性的PE管，抗內(nèi)壓能力、不圓度、抗變形能力隨著口徑的增加而降低，所以對(duì)于材料的物理、力學(xué)性能提出了更高的要求。

在河北省南水北調(diào)配套工程邢清干渠工程中，采用了DN1400和DN1200的管道，全長(zhǎng)43km，管道工作壓力0.4MPa。工程設(shè)計(jì)中選用材料等級(jí)PE100，DN1200和DN1400管道的標(biāo)準(zhǔn)尺寸比(SDR)皆為26。所需管材在廠內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果顯示管材滿足要求。工程實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問題是管道豎向變形率較大，長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)尤其明顯，接口熱熔焊接時(shí)需要調(diào)圓，降低了工作效率。

2 管件及管件連接

為了滿足管道系統(tǒng)的使用和安裝要求，工程中需要大量的管件。根據(jù)文獻(xiàn)［2］，管件按照連接方式分為3類，即熔接連接管件、機(jī)械連接管件、法蘭連接管件，其中熔接連接管件分為電熔管件、插口管件和熱熔承插連接管件。標(biāo)準(zhǔn)熱熔管件的最大尺寸為630mm，機(jī)械連接管件的最大尺寸與PE管材相同，為1000mm。文獻(xiàn)［2］中規(guī)定了鞍形旁通出口應(yīng)具有符合規(guī)定的電熔承口，對(duì)鞍形旁通與主管的開孔率、連接結(jié)構(gòu)等未做規(guī)定。文獻(xiàn)［2］對(duì)管件以及管件與管材的連接應(yīng)做的試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定，包括靜液壓強(qiáng)度、熔接強(qiáng)度、對(duì)接熔接拉伸強(qiáng)度、鞍形旁通的沖擊強(qiáng)度、耐彎曲密封試驗(yàn)、耐拉拔試驗(yàn)等。

在邢清干渠工程中，管件主要包括排氣旁通(150mm)、進(jìn)人檢查旁通(600mm)、主管材的接口及彎管。工程中，主管連接一般采用熱熔連接方式，主管與閥門連接采用法蘭連接，主管合攏采用電熔套筒，旁通管采用PE鞍形電熔連接件。

邢清干渠主管熱熔連接，在廠內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和測(cè)試，包括滲漏、拉伸、撕裂等試驗(yàn)，測(cè)試指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)施工按照廠內(nèi)測(cè)試時(shí)的工藝進(jìn)行控制。施工現(xiàn)場(chǎng)安裝1000m后進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)合格。廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，對(duì)于大口徑HDPE管道，采用熱熔連接是完全滿足工程使用要求的。

對(duì)于角度較小的轉(zhuǎn)點(diǎn)，利用PE管自身的柔性特點(diǎn)接轉(zhuǎn)，角度較大時(shí)，采用HDPE彎管。邢清干渠彎管采用加厚的主管材(SDR21)熔接制作，與主管材熔接連接，廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明滿足工程要求。

邢清干渠沿線平均800m設(shè)置一排氣閥(DN150)，沿程設(shè)置了9個(gè)進(jìn)人檢查孔(DN600)，排氣和檢查旁通管均為與主管材同級(jí)的PE材料，采用鞍形電熔連接件與主管材連接。在管線全部安裝完成后，進(jìn)行了整體水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.6MPa。檢查孔設(shè)于檢查井內(nèi)，上游1.5m為檢修蝶閥，下游1.4m為穿墻套管，試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)一個(gè)進(jìn)人檢查孔崩脫，分析原因主要為HDPE管承受內(nèi)壓時(shí)變形量較大，上下游受閥門和穿墻套管以及鞍形旁通自身剛度影響較大，使鞍形旁通與主管連接處變形率大，應(yīng)力集中明顯，加之旁通管與主管之間電熔連接質(zhì)量不易保證，造成旁通管與主管連接面撕裂并在壓力下崩脫。問題出現(xiàn)后，此旁通及主管更換為鋼管。經(jīng)過此問題總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)置大口徑旁通管時(shí)，建議主管采用鋼管，設(shè)置鋼制旁通管。

PE主管與閥門或者鋼管連接，常用的連接方式是通過套在HDPE管道上的法蘭盤與所需連接設(shè)備的法蘭連接，通過壓緊法蘭根實(shí)現(xiàn)止水，邢清干渠采用這種連接方式。但是這種方式存在以下問題：相同規(guī)格的HDPE管內(nèi)徑相對(duì)鋼管或閥門要小，若HDPE管與閥門直接連接，當(dāng)采用蝶閥時(shí)有可能造成蝶閥閥板不能完全開啟；HDPE法蘭根與法蘭盤接觸寬度小，不利于水密封，且容易剪切破壞。工程中使用了一種變徑接頭，并申請(qǐng)了專利。變徑接頭由變徑管及其上下側(cè)的鋼制法蘭組成，一側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)法蘭，與PE管連接的法蘭為內(nèi)徑與PE管內(nèi)徑相同的非標(biāo)法蘭，采用此變徑接頭能有效解決上述問題。

HDPE主管分段熔接，存在已連接較長(zhǎng)管段的合攏問題。邢清干渠合攏采用電熔套筒連接，電熔套筒長(zhǎng)度800mm，壁厚55.5mm。套筒在廠內(nèi)進(jìn)行了熔接工藝和效果試驗(yàn)檢測(cè)，在施工現(xiàn)場(chǎng)按照廠內(nèi)的工藝控制，現(xiàn)場(chǎng)完成套筒熔接十余處。整體水壓充水階段，發(fā)現(xiàn)套筒處存在不同程度的滲水問題。原因主要是施工現(xiàn)場(chǎng)管材和套筒存在豎向變形，造成主管外壁和套筒內(nèi)壁間隙不均，電熔時(shí)PE料的熔化粘結(jié)不完全，造成局部密閉性不足?，F(xiàn)場(chǎng)采用充填PE粉料、熱熔進(jìn)行修補(bǔ)，整體水壓試驗(yàn)合格。針對(duì)套筒熔接出現(xiàn)的問題，建議對(duì)于大直徑PE管道，合攏盡量設(shè)于閥門井處，同時(shí)建議合攏采用鋼管法蘭連接。

3 回填要求

對(duì)柔性管道，溝槽回填質(zhì)量對(duì)管道承載能力、變形率影響很大，管周回填中粗砂，壓實(shí)度較高，土的綜合變形模量大，管道豎向變形小，承載能力高。文獻(xiàn)［4］中規(guī)定，柔性管道支撐角采用中粗砂回填，兩側(cè)壓實(shí)度不低于0.95。文獻(xiàn)［7］中規(guī)定管周回填中、粗砂或者符合要求的原土，壓實(shí)度不低于0.95。邢清干渠HDPE管道沿線地層以砂性土為主，施工過程中，對(duì)DN1400管道兩側(cè)溝槽內(nèi)選用不同的回填料、不同的壓實(shí)度進(jìn)行了以下4種試驗(yàn)工況：①原土回填；②中粗砂墊層，管周兩側(cè)原土回填；③底部120度中粗砂支撐角，其余原土回填；④管道中心線高程以下中粗砂墊層，其余原土回填。檢測(cè)結(jié)果顯示，方案①豎向變形率最大，為1.4%，方案④豎向變形率最小，為0.2%。從檢測(cè)結(jié)果看，管溝內(nèi)回填中粗砂對(duì)減小豎向變形率效果明顯。規(guī)范規(guī)定，塑料管材的變形率不超過3%，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果以及預(yù)測(cè)變形，工程中選用原土回填。

本次是在管頂覆土厚度0.5m條件下、填土后2個(gè)月內(nèi)的檢測(cè)成果，如果填土高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求并完成沉降穩(wěn)定后，變形率還會(huì)有一定的增加。在管溝回填完成后，進(jìn)行管道整體水壓試驗(yàn)時(shí)，地表出現(xiàn)一條沿管道方向的裂縫，縫寬2cm左右，分析原因主要由管道受到內(nèi)壓后產(chǎn)生了變形所引起的。這種變形一部分為管道回填后豎向變形在內(nèi)壓下復(fù)原，另一個(gè)部分為管道本身在內(nèi)壓下均勻的拉伸膨脹，以前者為主。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于大口徑HDPE管道，建議管周回填中粗砂，回填時(shí)，建議管道內(nèi)充水至一定壓力，減小因管道自重和上部填土造成的豎向變形。

4 水壓試驗(yàn)

管道整體水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)管道工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)［4］中規(guī)定化學(xué)管材的試驗(yàn)壓力為1.5P (P為工作壓力)且不小于0.8MPa，規(guī)范適用范圍對(duì)HDPE管不大于1000mm直徑。對(duì)于大口徑HDPE管，應(yīng)按照文獻(xiàn)［7］的要求，試驗(yàn)壓力取1.5P。試驗(yàn)方法、合格標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［7］的規(guī)定一致。

邢清干渠HDPE管段工作壓力0.4MPa，試驗(yàn)壓力取0.6MPa。HDPE管段長(zhǎng)度43km，沿程設(shè)置了8個(gè)檢修閥門井，工程整體水壓分為9段。水壓試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)按照文獻(xiàn)［4］規(guī)定的30min內(nèi)剩余壓力是否上升以及90min內(nèi)壓力降是否容許2種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。試驗(yàn)結(jié)果顯示30min內(nèi)剩余壓力稍有回升，90min內(nèi)壓力降不大于0.02MPa，工程滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

大口徑HDPE管道對(duì)原材料、管件的制作和安裝、現(xiàn)場(chǎng)工藝控制等方面較常規(guī)小口徑管道嚴(yán)格，當(dāng)超出規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)邢清干渠大口徑HDPE管道設(shè)計(jì)、施工中的問題，有以下體會(huì)和建議：①管道連接采用熱熔連接是便捷可靠的；②長(zhǎng)管合攏采用電熔套筒質(zhì)量不易控制，建議采用法蘭連接，并設(shè)置變徑接頭；③支管直徑較大的鞍形旁通管，在內(nèi)外壓作用下，因管道變形率過大引起應(yīng)力集中，致鞍形旁通與主管容易撕脫，建議有條件的采用整體注塑加工，或者采用鋼制管件；④管溝回填建議采用中粗砂，嚴(yán)格控制回填質(zhì)量，建議回填時(shí)管道內(nèi)有一定的壓力，減小因管道自重和回填土重引起的管道豎向變形；⑤管道整體水壓試驗(yàn)壓力建議采用文獻(xiàn)［7］規(guī)定，水壓試驗(yàn)的分段可結(jié)合檢修閥門井設(shè)置。

［1］GB/T13663-2000.給水用聚乙烯(PE)管材［S］.

［2］GB/T13663.2-2005.給水用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第2部分：管件［S］.

［3］CJJ101-2004.埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］GB50268-2008.給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［5］河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.河北省南水北調(diào)配套工程邢清干渠工程水壓試驗(yàn)技術(shù)方案［R］.2014.

［6］CJJ63-2008.聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程［S］.

［7］DB13/T2162-2014.大口徑聚乙烯(PE)給水管道工程技術(shù)規(guī)程［S］.

［8］DB13/T2027-2014.大口徑聚乙烯(PE)給水管材［S］.

［9］朱永濤，耿運(yùn)生，馬述江.超大口徑長(zhǎng)距離HDPE輸水管道工程關(guān)鍵技術(shù)研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2015.

［10］河北省水利科學(xué)研究院.邢清干渠南宮試驗(yàn)段HDPE管道溝槽回填壓實(shí)及管道變形率檢測(cè)報(bào)告［R］.2014.

［11］河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.連接高密度聚乙烯管與閥門的變徑接頭：ZL201520024309.4［P］.2015.

TV672+.2

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1672-2469(2017)03-0070-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.026

2017-01-17

耿運(yùn)生(1973年—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。