市政給排水施工中HDPE 管施工技術(shù)研究

王 凱

（安徽省公路工程建設監(jiān)理有限責任公司，安徽 合肥 230051）

引言

常見的工程管道材質(zhì)主要包括鋼、鑄鐵、混凝土和鋼塑混合材質(zhì)，由于鋼塑混合材料韌性最強且能有效防止慢速裂紋生長，在市政工程中得到了廣泛應用，已經(jīng)占據(jù)了最大的市場份額。由于我國現(xiàn)代城市市政管道建設相對起步較晚，此時鋼塑材料發(fā)展已較為成熟，因此更多地采用了聚乙烯管道，為后續(xù)市政管道整改升級提供了良好的物質(zhì)基礎。當前，隨著材料學的不斷發(fā)展，我國的市政管材已經(jīng)從單一材料轉(zhuǎn)變?yōu)榱诵滦蛷秃喜牧希缇垡蚁┧茕摾p繞排水管，便是應國內(nèi)市政管道建設需求、由我國自主研發(fā)的一類新型復合HDPE 管道。

1 管道特性與連接施工技術(shù)

1.1 HDPE 塑鋼纏繞排水管特性分析

HDPE 塑鋼管道與傳統(tǒng)上的聚氯乙烯管道的基礎上在外圍增加了螺旋式纏繞的鋼帶結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 HDPE 管道結(jié)構(gòu)圖

這種結(jié)構(gòu)既可以發(fā)揮聚乙烯材料耐腐蝕、抗氧化的化學穩(wěn)定特性，又可以用鋼帶結(jié)構(gòu)進一步強化管道的力學特性，增加環(huán)剛度。近年來的測試結(jié)果表明，部分質(zhì)量較好的塑鋼管道的環(huán)剛度可以達到SN16 級別，能很好的減少因為靜力荷載過大而出現(xiàn)的管道破損現(xiàn)象[1]。具體性能指標對比，見表1。

表1 HDPE 塑鋼管道性能表

就其在市政工程中的應用經(jīng)驗表明，鋼塑管道能有效應對排水過程中的多種突發(fā)現(xiàn)象，如土質(zhì)或地質(zhì)現(xiàn)象引起的不均勻沉降或者由于地下水溫變化而出現(xiàn)局部荷載劇增等。這種結(jié)構(gòu)可以通過一定程度的彈性形變來抵消或者傳到壓力，對較為脆弱的節(jié)點和接頭處的機械結(jié)構(gòu)有一定的保護作用[1]。從施工的角度上來說，HDPE 塑鋼管道的接頭連接可供選擇的方式更加多樣，可根據(jù)工程需求和施工條件進行靈活選擇如法蘭連接、熱熔對接、電熔焊接等，能更有效處理管道的預埋和連接，增強整體管網(wǎng)的密閉性。

1.2 熱熔擠出焊接工藝要點分析

在多種連接工藝當中，熱熔擠出焊接工藝與熱溶對接工藝都是利用聚乙烯的熱融性的特性，將管道加溫熔化后采用外力的方式將其連接在一起。但熱溶擠出焊接工藝主要是采用間接加熱法，利用焊槍熱風對焊條進行加熱，擠出的流態(tài)聚乙烯利用分子之間的范德華力填充縫隙，冷卻后呈塑性，將兩管道連接在一起。HDPE 塑鋼管的熱熔擠出焊工藝，見圖2。

圖2 HDPE 塑鋼管熱熔擠出焊工藝圖

與熱熔對接焊相比，通過加入額外焊條的方式可以避免使用專門的電焊機，焊槍體積小，使用方便，連接過程迅速耗時很短，更適用于城市市政工程施工。熱熔擠出焊接可與熱縮帶連接法聯(lián)用來強化連接強度，這種連接工藝尚未大范圍普及，主要是缺乏明確的材料標準與施工技術(shù)標準，通過研究熱熔擠出焊接工藝的施工方法和產(chǎn)品質(zhì)量可為此工藝后續(xù)的推廣應用提供依據(jù)與支撐[2]。

2 管道連接技術(shù)聯(lián)用施工

2.1 針對焊縫間隙寬度調(diào)整施

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市政工程中的管道焊縫間隙多集中在2.5 mm～7.5 mm 之間，施工過程焊槍移動速度多為1.8 cm/s～4.3 cm/s，因此本次選擇2 mm～10 mm 備選范圍設置5 組平均焊接對照組，以3 cm/s 為固定噴槍行速度進行施焊，組內(nèi)計算平均焊液侵入深度、破壞應力與破壞荷載，其中抗性測試均采用標準測試法，得到的結(jié)果，見表2。

表2 不同焊縫寬度焊接后性能測試表

從測試結(jié)果可以看出，焊縫為4 mm～6 mm 時，焊接的部件在進行荷載壓力測試時候產(chǎn)生的是原材斷裂，這說明連接處的壓力抗性水平不低于管體本身，焊接施工取得了良好的效果。2 mm 與10 mm 焊縫寬度時，部件產(chǎn)生焊縫開裂，拉力和壓力測試結(jié)果同樣顯示，二者的破壞荷載和破壞應力值都相對較小，可以判定為焊接施工效果不佳。對照焊液侵入深度和強度測試結(jié)果可看出，在焊縫小于6 mm 時，隨著焊縫增大，焊液侵入越深，整體的填滿度越高，焊接后部件可承受荷載逐步增加。而焊縫大于6 mm 后，雖然平均浸入深度增加，但是相對焊縫寬度而言，充滿度反而逐步下降了，因此反映在壓力測試結(jié)果，變現(xiàn)為承載下降。雖然結(jié)果顯示間隙為6 mm 焊接效果最好，但是在市政工程當中，管道壁厚多為4 mm～4.5 mm 之間，當侵入深度大于管壁厚度時，焊縫寬度會失去對于焊接強度的影響力，根據(jù)測試結(jié)果已經(jīng)滿足了使用標準，因此，施工過程中可將間隙寬度控制在4 mm～6 mm 之間。

在進行聯(lián)用施工過程中，需要焊接的管材兩端進行預處理，保證周身裂縫寬度偏差不大，能更好的控制焊槍以3 cm/s 移動且和焊縫寬度維持在4 mm～5 mm 之間，防止焊接件粘結(jié)強度不夠，維持優(yōu)良的施工效果[3]。

2.2 熱縮帶工藝施工意見

熱縮帶作為輔助焊接工藝，主要是在熱熔擠出焊接工藝的基礎上，采用內(nèi)部加裝熱縮帶的方式將管道用半結(jié)晶的物質(zhì)包裹起來，形成高彈態(tài)的加固結(jié)構(gòu)強化管道連接，連接方式與尺寸大小關(guān)系，見圖3。

圖3 熱縮帶連接工藝尺寸圖

施工過程中最常用的熱縮帶加熱裝置為液化氣加熱設備，一般是通過手動調(diào)節(jié)液化氣的釋放流量來控制火焰溫度，因此設備的行進速度和加熱點所處的火焰位置多數(shù)時候并不穩(wěn)定，熱縮帶受熱面溫度波動較大。為了分析溫度和火焰位置對于熱縮帶工藝施工效果的影響，本次采用平行實驗的方式，對火焰行進速度和加熱點位置進行了綜合考察。測試過程中采用圖3 所示的標準連接尺寸，測試結(jié)果，見圖4。

圖4 行進速度與位置對溫度的影響

測試結(jié)果顯示加熱器行進速度越快，在一定的加熱位置下吸收的熱量就越少，容易導致加熱溫度偏低，加熱不完全。加熱位置影響加熱溫度主要是與火焰結(jié)構(gòu)相關(guān)，外焰加熱效率最高，距離外焰越遠，加熱效率越低，根據(jù)結(jié)果顯示，加熱點高度為11 cm 時加熱效率最大。不同的熱縮帶材料對于溫度的需要不同，當前市面上的熱縮帶的最適加熱溫度多集中在100 ℃±5 ℃，此時材料粘結(jié)性最好，因此為了充分發(fā)揮熱縮帶的強化效果，施工時可根據(jù)所需要的溫度選擇合適的加熱距離和行進速度[4]。

2.3 工藝條件的控制

通過對比不同工況下的施工過程與連接管道的耐久性發(fā)現(xiàn)，在聯(lián)合施工前，必須控制待處理管道的整體質(zhì)量，檢查管壁表面是否平整，無油污和灰塵。大量的結(jié)果表明，表面存在油污層時的聯(lián)合施工部件抗剝落能力相較于正常部件會下降10%以上，極大地影響了熱縮帶的粘結(jié)效果。

因此在施工前必須進行管壁檢查和整體清潔，必要時候需要進行打磨拋光，去除氧化層以強化塑化性能[4]。

熱熔擠出焊接的焊接位置點一般在管材的兩鋼肋之間，焊接斷面多在一條水平線上，根據(jù)上文測試結(jié)果，焊縫保持4 cm～6 cm 即可，需要注意的是，為了避免產(chǎn)生不必要的擾動，操作坑需要一次性開挖到所需體積以支持后續(xù)操作。焊接過程中焊槍需要預加熱，待熔化后的聚氯乙烯材料能凝結(jié)成球體的時候才可以真正開始焊接，過程中需要分段焊接，及時檢查充滿度，保證整體構(gòu)件質(zhì)量。

熱縮帶工藝同樣需要預熱，預熱的過程中需要按照從中心到四周的方式逐步加熱，嚴禁直接按照軸線方向緩慢移動。這主要是因為停留時間難以控制，采用逐步加熱可有效避免局部過熱而被灼穿。一般來說，加熱到肉眼可見有膠溢即可停止[5]。

3 結(jié)論

（1） 本文從HDPE 塑鋼管道的基本性能和連接工藝入手，考慮國內(nèi)城市市政管道升級工程的實際需要，深入研究了以熱熔擠出焊接法為主體、以熱縮帶為配套的聯(lián)合工藝，實施證明，聯(lián)合工藝在可控條件下可以取得良好連接效果。

（2） 在市政工程當中，管道焊接間隙維持在4 mm～6 mm 最為適宜，焊槍行進速度最好穩(wěn)定在3 cm/s，熱縮帶工藝施工時需要根據(jù)溫度需要選擇合適的行進速度和加熱點移動速度，如果所需溫度為標準的100 ℃，建議的加熱高度為15 cm、行進速度為11 cm/s 的施工條件，此時粘結(jié)性最好且加熱效率較高。

（3） 施工過程中，前置檢查、管道處理、預熱與施工操作等都會影響連接效果，本文針對各項內(nèi)容提供了施工建議，但后續(xù)仍然需要系統(tǒng)研究以形成完整的施工行為規(guī)范，指導后續(xù)工藝發(fā)展。