聚乙烯管道縱向變形對施工的影響及解決措施

萬研新

摘 要：本文通過對聚乙烯管道不同溫度下縱向變形量和土壤摩擦力的理論計算，分析了聚乙烯管道在環(huán)境溫度變化時發(fā)生縱向變形對施工的影響和可能帶來的質(zhì)量問題，并針對這些問題提出了應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：聚乙烯；PE管道；施工變形

中圖分類號：TU996 文獻標(biāo)志碼：A

隨著我國塑料工業(yè)的發(fā)展，聚乙烯管道以其重量輕，耐腐蝕、韌性好，可熱熔焊接以及低成本等特點，在市政和給水領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在施工中由于對聚乙烯壓力管道特性認(rèn)識不夠和缺乏相應(yīng)的施工經(jīng)驗，常發(fā)生施工質(zhì)量問題，其中以管道外環(huán)境溫度變化引發(fā)的管道縱向變形導(dǎo)致管道接口漏水的問題最為棘手且難以找到原因。本文以晝夜溫差較大的戈壁灘某廠區(qū)PE管道施工中發(fā)生的真實案例來研究分析環(huán)境溫度變化與聚乙烯管道縱向伸縮量的關(guān)系及對施工帶來的影響。

1 工程實例介紹

該廠處在沙漠邊緣，全年和晝夜溫差極大，工程主要是對原老舊鑄鐵管道更換為PE管道。工程5月開工，10月完工，在10月份試運行時發(fā)生了穿越馬路的鋼制套管內(nèi)PE管與鑄鐵管接口處漏水問題，在問題歸零時我們認(rèn)真查閱了PE管道的相關(guān)資料，結(jié)合施工時的氣候、故障部位的工程特點，初步判斷是溫差導(dǎo)致PE管道縱向伸縮，使接口松動漏水，找到原因后在接口前加裝了波紋補償器，問題得到解決。事后進行了模擬理論計算證實了判斷的正確性。

2 理論計算分析

理論計算時收集了施工現(xiàn)場環(huán)境溫度和土壤特性，結(jié)合PE管道溫度特性對縱向變形量、縱向受力進行了計算和分析。

2.1 管道縱向溫度變形計算

通常由溫差引起的縱向變形量按下式計算：

ΔL=CP×L×Δt

式中：CP——聚乙烯管材線膨脹系數(shù)，m/m℃；ΔL—有溫差產(chǎn)生的縱向變形量，m；Δt—管壁處施工安裝與運行使用中的最大溫度差，℃；

Δt=0.65Δts+0.1Δtg

式中：Δts—管道內(nèi)介質(zhì)的最大變化溫度差，℃；Δtg—管道外環(huán)境溫度的最大變化溫度差，℃；

故障發(fā)生當(dāng)月相關(guān)數(shù)據(jù)測量統(tǒng)計見表1。

通過計算管道縱向位移為8.45mm，這個伸縮長度當(dāng)管道縱向受力足夠大時，足以將接口拉開導(dǎo)致漏水。

2.2 管道縱向受力計算

埋設(shè)的PE管縱向方向，主要受到由溫度變化引起的管道軸向力及管壁摩擦力。管道軸向力計算公式如下：

F=σA

式中：σ——溫度應(yīng)力，MPa；A——管道橫截面積，m2；

其中：

σ=EΔTa

A=（D2-d2）π/4

式中：E——管材彈性模量，MPa，PE管取900 MPa，20℃；ΔT——管道的溫度變化，℃；σ——管道的線膨脹系數(shù)，PE管取0.13mm/（m·℃）；D——管道外徑，m；d——管道內(nèi)徑，m。

故障段PE管外徑200mm，外徑15mm，以此算得管道軸向力為：47490.75N。

由于管道的伸縮而產(chǎn)生的摩擦力與管道上覆土層荷載成正比，其計算式如下式表示：

f=πNμdL

式中：f——管側(cè)摩阻力，N；μ——摩擦系數(shù)，與管材及土層性質(zhì)有關(guān)；N——管道上正應(yīng)力，Pa；d——管材外徑，m；L——管道計算長度，m。

其中：N=γz

式中：γ——管道所處土層的重力密度，kN/m3，一般黏土層取18kN/m3；z——管道中心線至地面的高度，m。

管道埋深1m時摩擦系數(shù)取0.4，管道長度25m，計算得出摩擦力為124344N。

管道軸向力與管壁摩擦力受力方向相反，如果僅考慮PE管受溫度應(yīng)力及管側(cè)摩擦阻力的影響，則管道所受合力為：

F=σA-f

從以上計算結(jié)果看，當(dāng)管道長度為25m時，其所受管壁摩擦力已遠(yuǎn)大于溫度變化而產(chǎn)生的管道軸向力，即F<0。這就表示在一般情況下，PE管的溫度變化所產(chǎn)生管道軸向變形完全可以被管壁摩擦力所限制，但在工程實際運用中，管道軸向拉力大于摩擦力的情況時有發(fā)生，如本工程實例中管道是穿越過路套管的，沒有覆土，管道摩擦力遠(yuǎn)小于軸向拉力，由于PE管道是熱熔連接的，所以對于PE管道部分來講可以認(rèn)為是一體的，那么PE法蘭以后安裝的套筒連接的部位就成了最薄弱點，由于當(dāng)月溫差較大，與PE法蘭連接的PE管道發(fā)生軸向伸縮產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致套筒連接處發(fā)生松動從而漏水。

3 軸向力大于摩擦力的情況分析

根據(jù)實地勘測及工程經(jīng)驗，管道軸向力大于摩擦力發(fā)生位移致使接口松動漏水的情況有如下幾種：

3.1 PE管道穿越套管

在穿越馬路等不便于經(jīng)常開挖的地帶或者為了增加承重減少對PE管的壓力，時常預(yù)先敷設(shè)直徑較大的鋼制套管，施工時將PE管拖入即可。由于套管內(nèi)PE管四周沒有覆土，管道只是底部與套管接觸，受到摩擦力遠(yuǎn)小于管道軸向力，當(dāng)溫差較大時易發(fā)生縱向伸縮。

3.2 管道敷設(shè)在河底或者沼澤地帶

PE管道柔韌性較好，可以直接穿越河底或者沼澤地敷設(shè)，由于水的存在使得回填土摩擦力很小，管道所受軸向力將大于摩擦力，管道周圍環(huán)境溫差較大時，將發(fā)生縱向伸縮。

3.3 定向鉆進非開挖敷設(shè)

定向鉆進施工技術(shù)是在非開挖的情況下，用定向鉆機導(dǎo)向儀引導(dǎo)鉆頭穿越土層，在泥漿護壁的作用下形成土孔，然后拖入PE管，以達(dá)到非開挖敷設(shè)新管道的目的。由于施工工藝的要求，鉆出的孔洞直徑必然大于管道直徑，這樣就使得管道四周的覆土很松散且空隙較多，管道與土壤接觸面小且接觸不緊密，從而使管道所受摩擦力小于管道軸向力。

4 應(yīng)對措施

針對上述管道發(fā)生收縮位移原因的分析，可選擇的施工措施有以下3種：

4.1 安裝管道伸縮器

管道伸縮器是管道連接中由于熱脹冷縮引起的管道尺寸變化給予補償?shù)倪B接件。施工中，根據(jù)管段長度，土壤特點，管溝形式，管道連接方式等設(shè)計或選用伸縮器，安裝在PE管道與金屬管道結(jié)合處等容易因溫差而易發(fā)生縱向位移的位置，從而防止管道的熱脹冷縮造成的管體位移，大大降低漏損風(fēng)險。

4.2 采用蛇形敷設(shè)

PE管道具有良好的柔韌性，宜采用蛇形敷設(shè)，并可隨地形彎曲敷設(shè)，但允許彎曲半徑須符合相關(guān)規(guī)定。這樣當(dāng)管道環(huán)境溫度變化較大發(fā)生熱脹冷縮時，管道彎曲部位可自然補償縱向位移量，起到了管道伸縮器的作用，從而避免管道焊口、平插接口或管件等薄弱環(huán)節(jié)因熱脹冷縮而損壞，發(fā)生漏損問題。

4.3 采用錨固裝置

錨固裝置由上部錨固節(jié)和下部錨固支墩組成，錨固節(jié)為帶法蘭鋼制短管，錨固支墩為現(xiàn)場混凝土澆筑并預(yù)埋與短管鏈接的固定支架，錨固節(jié)與錨固支墩預(yù)埋鐵件焊接連為一體，兩端通過法蘭與PE管道連接，設(shè)置在管道連接處兩側(cè)，這樣利用錨固支墩的穩(wěn)定性，限制了鋼、塑管道連接處發(fā)生位移，使其不再影響鑄鐵管道接口。

結(jié)語

通過管道軸向力、管壁摩擦力理論計算，驗證了故障發(fā)生的原因，舉一反三，分析了PE管道因溫度變化而發(fā)生縱向位移導(dǎo)致故障的幾種情形，通過安裝伸縮器，采用蛇形敷設(shè)，設(shè)置錨固裝置等措施可有效防止PE管道的漏損事故發(fā)生。

參考文獻

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