鋼管頂管中繼間閉合方式探討

彭夏軍

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

長(zhǎng)距離鋼管頂管工程,采用設(shè)置中繼間保證頂管頂力是目前主要的施工方式,待施工完成后,中繼間再按要求進(jìn)行封閉。收集近年來的工程案例,在管道運(yùn)行期間,鋼管頂管工程發(fā)生漏水的現(xiàn)象很普遍,主要發(fā)生部位都集中在管道中繼間處,探討中繼間的受力情況及閉合方式很有必要。

1 常用中繼間結(jié)構(gòu)型式和閉合存在的問題

目前,通用的中繼間結(jié)構(gòu)型式如圖1 所示。一般由中繼間的內(nèi)套、外套承插連接,并設(shè)置不少于二道的密封膠圈,類似于鋼筋混凝土管的F 型承插口,管道內(nèi)側(cè)設(shè)置加勁板,加勁板之間設(shè)置油缸,中繼間不啟用時(shí),采用螺栓緊固。

待施工完成后,拆除管內(nèi)油缸、加勁肋板后,進(jìn)行中繼間閉合,如圖2 所示,其中內(nèi)套的焊縫1、2 為工廠焊縫,焊縫3 為現(xiàn)場(chǎng)焊縫。

圖1 中繼間總成縱剖面示意Fig.1 Longitudinal profile of intermediate pipe-jacking station’s assembly

圖2 中繼間閉合縱剖面示意Fig.2 Longitudinal profile of intermediate pipe-jacking station at the closed stage

由于中繼間在工廠內(nèi)制作,可以隨便轉(zhuǎn)動(dòng)方向,因此焊縫1、2 可以確保最佳的焊接方式,焊接條件也較好,施工質(zhì)量可以得到保證。而焊縫3 在管內(nèi)施焊,施工條件很差,而且存在仰焊的工作,在管道上半圓的10 點(diǎn)至2 點(diǎn)范圍內(nèi),往往焊接質(zhì)量不能保證。目前設(shè)計(jì)要求是45°的飽滿角焊縫,但現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常做成內(nèi)凹弧形焊縫或者30°以下的角焊縫,如圖3 所示。

圖3 中繼間角焊縫Fig.3 Fillet weld of the intermediate pipe-jacking station

2 管道縱向應(yīng)力分析

查《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246:2008)8.2.3 條,鋼管管壁的縱向應(yīng)力計(jì)算按:

式中:σx為鋼管管壁縱向應(yīng)力(N/mm2);νp為鋼管管材泊松比,可取0.3;σθ為鋼管管壁橫截面最大環(huán)向應(yīng)力(N/mm2);φc為可變荷載組合系數(shù),可取0.90;γQ為可變荷載分項(xiàng)系數(shù),可取1.40;α為鋼管管材線膨脹系數(shù),α=12 ×10-6;Ep為鋼管彈性模量,Ep=206 ×103MPa;ΔT為鋼管的計(jì)算溫差;D0為管道中心直徑(mm);R1為鋼管施工變形形成的曲率半徑(mm);f1為管道頂進(jìn)允許偏差(mm);L1為出現(xiàn)偏差的最小間距(mm),視管道直徑和土質(zhì)決定,一般可取管線中繼間之間的距離并不小于50m。

查《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 141: 2002)6.1.4 條,鋼管管壁的縱向應(yīng)力計(jì)算按:

式中:σΔ為地基不均勻沉降引起的縱向應(yīng)力(N/mm2),可按彈性地基上的長(zhǎng)梁計(jì)算確定。

比較頂管鋼管和埋地鋼管縱向應(yīng)力公式,公式(1)是針對(duì)頂管正常使用工況進(jìn)行的管道縱向應(yīng)力計(jì)算: 第一項(xiàng)是管道環(huán)向應(yīng)力的泊松效應(yīng)引起的縱向應(yīng)力;第二項(xiàng)是溫度應(yīng)力,主要與中繼間閉合時(shí)的溫度和管道輸送介質(zhì)的溫度差有關(guān);第三項(xiàng)是施工偏差引起鋼管彎曲產(chǎn)生的縱向應(yīng)力。在中繼間閉合式時(shí),原緊固的螺栓全部拆除、設(shè)置的加勁板全部割除,管道縱向應(yīng)力在一定程度上釋放,即第一、第三項(xiàng)釋放,可忽略不計(jì)。因此,頂管中繼間閉合完成后的正常使用狀態(tài)下,中繼間處承受的管道縱向應(yīng)力主要是溫度應(yīng)力。公式(3)是針對(duì)埋地鋼管正常使用工況進(jìn)行的管道縱向應(yīng)力計(jì)算: 第一項(xiàng)和第二項(xiàng)和頂管鋼管一致,第三項(xiàng)是考慮地基不均勻沉降引起的縱向應(yīng)力,由于這項(xiàng)計(jì)算復(fù)雜,設(shè)計(jì)計(jì)算過程中一般取為0?？紤]到頂管穿越原狀土,未增加任何附加應(yīng)力,在地面不增加附加荷載的情況下,管道一般不會(huì)存在地基的不均勻沉降,因此頂管鋼管未計(jì)入此項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容。綜上所述,頂管管道在中繼間處承擔(dān)的縱向應(yīng)力主要是溫度應(yīng)力。

3 中繼間閉合應(yīng)力計(jì)算

由圖1 中繼間總成縱剖面示意可知,中繼間的內(nèi)套、外套壁厚一般不小于管道壁厚,承插范圍內(nèi),實(shí)際上是不小于兩倍的管道壁厚,管道環(huán)向應(yīng)力應(yīng)該同管段,本處不再重點(diǎn)計(jì)算分析。僅對(duì)中繼間閉合處的縱向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核,分析中繼間承擔(dān)抵抗溫度應(yīng)力的能力,以便更好地明確中繼間的閉合要求。

以DN2000/DN3000/DN4000 鋼管為例,管道實(shí)際壁厚取管道內(nèi)徑的1%,計(jì)算壁厚取實(shí)際壁厚-2mm,設(shè)計(jì)參數(shù)如下: 焊縫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值= 160MPa、母材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值=205MPa,分別計(jì)算管道母材的縱向強(qiáng)度和縱向角焊縫強(qiáng)度以及縱向溫度應(yīng)力,見表1、表2。根據(jù)表1、表2 中的計(jì)算結(jié)果,可以得出:

(1)中繼間內(nèi)套的制作主要由沿管道內(nèi)徑一周的焊縫1 和沿管道外徑一周的焊縫2 共同受力,由表1 可知,焊縫高度不小于管段壁厚,內(nèi)套板厚度不小于管段壁厚(這個(gè)基本上都能滿足)時(shí),采用內(nèi)外各一周45°角焊縫,總體強(qiáng)度為母材強(qiáng)度的66%×2=132%,大于母材強(qiáng)度,此處不是最薄弱點(diǎn)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)中繼間的內(nèi)套、外套進(jìn)行封閉,僅能進(jìn)行內(nèi)側(cè)施焊,即如圖2 的焊縫3,沿管道內(nèi)徑一周,無法達(dá)到母材強(qiáng)度,僅為母材強(qiáng)度的66%。由于施工條件惡劣,存在仰焊的工作量,焊接質(zhì)量不容易保證,在焊縫不飽滿的情況下,管道的縱向強(qiáng)度一般只有母材強(qiáng)度的38%～50%。因此,對(duì)于整個(gè)管道區(qū)段來說,管道縱向在中繼間處是最薄弱點(diǎn)。

表1 管道母材和焊縫強(qiáng)度Tab.1 Strength of the pipe’s base metal and weld

表2 管道溫度應(yīng)力Tab.2 Temperature stress of the pipe

(3)管道在正常運(yùn)行期間,管道本身的溫差變化是不大的,主要影響管道溫差的是管內(nèi)輸送介質(zhì)的溫差?！督o水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的溫差是ΔT= ±20℃,前提條件是管道閉合時(shí)的溫度宜在20℃±2℃(規(guī)程沒有提及),這樣管道的溫度變化范圍是T= 20℃± 2℃± 20℃=-2℃～42℃,對(duì)于給水排水工程,一般都能涵蓋。按設(shè)計(jì)要求,在焊縫高度不小于管段壁厚,貼板厚度不小于管段壁厚時(shí),采用沿管道內(nèi)徑一周的45°角焊縫,在保證焊縫質(zhì)量的前提下,焊縫強(qiáng)度滿足抵抗溫度應(yīng)力的要求。但是,如果閉合溫度超出規(guī)定范圍,如達(dá)到±30℃以上,疊加焊縫質(zhì)量不可靠因素,中繼間縱向強(qiáng)度將不足,這是目前造成漏水開裂的主要原因。

4 加強(qiáng)型中繼間閉合型式

根據(jù)以上計(jì)算分析,針對(duì)管道的縱向受力以及現(xiàn)場(chǎng)施工存在的問題,特提出了加強(qiáng)型中繼間閉合型式,如圖4 所示。在中繼間內(nèi)部設(shè)施拆除后,在內(nèi)套后面沿360°新增環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)板,根據(jù)管道口徑的大小取3～6 塊,板厚不小于標(biāo)準(zhǔn)管段壁厚,板長(zhǎng)不小于400mm,且板端與油缸頂推后座的距離不小于100mm(便于檢測(cè)),每塊板上預(yù)留?20mm 孔(便于焊接時(shí)出氣,防止補(bǔ)強(qiáng)板拱起,待四周焊接完成后,填塞滿焊)。環(huán)形補(bǔ)強(qiáng)板在管內(nèi)布置時(shí),焊縫5 應(yīng)避開受力較大的3、6、9、12 點(diǎn),且應(yīng)與管身的縱向焊縫避開不小于300mm,如圖5 所示。

在設(shè)計(jì)要求的閉合溫度范圍內(nèi),在保證焊接質(zhì)量的前提下,現(xiàn)場(chǎng)焊縫3 和焊縫4、5 共同受力,抵抗溫度應(yīng)力。其中,焊縫3、5 為填塞焊縫,焊縫4 為角焊縫,能夠達(dá)到母材強(qiáng)度。

5 中繼間焊縫的檢測(cè)要求

為了保證中繼間的施工質(zhì)量,中繼間的檢測(cè)要求應(yīng)該嚴(yán)格于管道現(xiàn)場(chǎng)焊縫,主要分為外觀檢測(cè)和無損檢測(cè)。

圖4 中繼間加強(qiáng)型閉合縱剖面示意Fig.4 Longitudinal profile of the strengthened intermediate pipe-jacking station at the closed stage

圖5 中繼間加強(qiáng)型閉合橫剖面示意Fig5 Transverse profile of the strengthened intermediate pipe-jacking station at the closed stage

5.1 外觀檢測(cè)

(1)焊縫3、5 要求為填塞的熔透焊縫,焊縫1、2、4 為45°角焊縫,不得出現(xiàn)凹陷、夾渣,表面不得有裂紋、咬邊、弧坑等缺陷。填塞焊縫應(yīng)與兩側(cè)焊板平整對(duì)接,角焊縫必須飽滿,焊成圓弧形的凸起。

(2)焊絲規(guī)格應(yīng)采用同管材焊接相適用的規(guī)格。

(3)新增環(huán)板進(jìn)場(chǎng)需提供材料質(zhì)保單,要求同管材,外型尺寸報(bào)監(jiān)理檢驗(yàn)合格后,方可使用。

5.2 無損檢測(cè)

(1)焊縫1、2、4表面采用磁粉檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè),驗(yàn)收等級(jí)為JB/T6061-2007 3 級(jí)。

(2)焊縫3、5采用超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè),每處檢測(cè)長(zhǎng)度不少于200mm,驗(yàn)收等級(jí)為GB/T29712-2013驗(yàn)收等級(jí)3。若檢測(cè)位置有不合格需返修,則對(duì)此位置上的整條焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

(3)焊縫1、2、4表面需進(jìn)行拋光打磨,以達(dá)到磁粉檢測(cè)表面要求。焊縫3、5焊縫兩側(cè)打磨寬度≥150mm,有要求時(shí),超聲波檢測(cè)位置焊縫余高需磨平。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于長(zhǎng)距離鋼管頂管,中繼間是整個(gè)管段的薄弱環(huán)節(jié),中繼間閉合的質(zhì)量直接關(guān)系到整條管線的運(yùn)行安全。設(shè)計(jì)、施工過程中,都應(yīng)該引起足夠的重視,確保中繼間的閉合質(zhì)量。

1.采用加強(qiáng)型中繼間閉合型式,對(duì)整個(gè)管道的可靠度更高;

2.中繼間的閉合時(shí),管道閉合時(shí)的溫度必須明確為20℃±2℃;

3.管內(nèi)施焊條件惡劣,但是對(duì)于焊縫的高度、飽滿度必須滿足要求,角焊縫必須焊成圓弧形的凸起。

4.必須做好焊縫質(zhì)量的檢驗(yàn)工作,不得有漏焊、少焊現(xiàn)象的發(fā)生。外觀檢測(cè)應(yīng)嚴(yán)于無損檢測(cè)。