球墨鑄鐵管自錨式接口的技術(shù)應用

張 南,趙志誠,李華成

(1.中州水務控股有限公司，河南 鄭州 450000;2.新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300)

球墨鑄鐵管管線普遍采用滑入式接口，歸類于柔性接口，該接口的特點是允許軸向的伸縮與徑向的偏轉(zhuǎn)，使得在埋地管線上應用效果比剛性接口更佳?；胧浇涌诓⒎峭昝罒o缺，如管線的彎頭處，因水流方向改變而產(chǎn)生的水力推力，再有，管線的地基沉降量過大，滑入式接口有滑脫的風險。自錨式接口解決了這一工程難題，并在20世紀80年代西方發(fā)達國家得到成熟應用。雖然還有各類防止接口滑脫的工程方案，自錨式接口無疑更為簡單實用。

過去，在一條輸水管線上通常的作法是，在普通管段采用球墨鑄鐵管，充分體現(xiàn)滑入式接口的特點；而在過橋、過河及非開挖等特殊管段上采用鋼管，以發(fā)揮焊接接口的優(yōu)勢。隨著球墨鑄鐵管自錨式接口大量成熟應用，同管線、同材質(zhì)、同壽命的理念更為重要，現(xiàn)今在球墨鑄鐵管管線的特殊管段上采用自錨式接口也就越來越多了。

1 自錨式接口的特性

1.1 工作原理

雖然球墨鑄鐵管廠家開發(fā)的自錨式接口的型式各異，但工作原理相同。接口處設(shè)計機械自錨裝置，當插口向外滑脫到規(guī)定距離時，承插口鎖定，實現(xiàn)防滑脫作用；同時內(nèi)腔設(shè)置膠圈，保持密封作用。自錨式接口一般分為兩類——外自錨式和內(nèi)自錨式，外自錨式接口與普通滑入式接口相同，外部設(shè)置自錨裝置，如圖1所示TF型外自錨式接口；內(nèi)自錨式接口將承口內(nèi)設(shè)計成雙腔結(jié)構(gòu)，一腔設(shè)置自錨裝置，另一腔設(shè)置膠圈，如圖2所示SIA Wb型內(nèi)自錨式接口。

圖1 TF型外自錨接口剖面圖

圖2 SIA Wb型內(nèi)自錨接口剖面圖

開發(fā)自錨式接口，就是要將其納入柔性接口的范疇，展現(xiàn)比剛性接口更好的優(yōu)點。

①具有一定的軸向位移，當接口滑脫至最大位移處，自錨開始作用，防止接口滑脫；

②具有一定的偏轉(zhuǎn)能力，用以適應地基沉降，特別是可以消除沉降時所產(chǎn)生的大部分彎曲應力；

③與普通滑入式接口一樣，保持接口密封；

④具有巨大的抗滑脫力。

1.2 防滑脫力

國內(nèi)外各類球墨鑄鐵管標準，特別是ISO10804《球墨鑄鐵管管線用約束性接口系統(tǒng)——設(shè)計標準和型式試驗》，均積極鼓勵生產(chǎn)廠家自行開發(fā)自錨式接口型式，僅規(guī)定了自錨式接口的設(shè)計原則。其核心理念是采用型式試驗，通過模擬工程最不利條件的設(shè)定(高內(nèi)壓、負壓、循環(huán)壓、剪切力、制作誤差、偏轉(zhuǎn)等)，來考察接口密封性能和防滑脫性能，因此，型式試驗成為自錨式接口安全性能的重要保證。用戶單位在使用自錨式接口時，可以要求廠家提供型式試驗報告，該報告應是在第三方權(quán)威機構(gòu)鑒證下出具的，且試驗方法和步驟應完全符合ISO10804的要求。

自錨式接口的重要指標之一是允許防滑脫力，應按式(1)計算：

(1)

式中，PFR—自錨式接口允許防滑脫力,kN；PFA—自錨式接口允許工作壓力,MPa；DE—插口外徑,mm。

自錨式接口的允許現(xiàn)場試驗壓力應采用式(2)：

PEA=1.5PFA+0.5

(2)

式中,PEA—自錨式接口允許現(xiàn)場試驗壓力,MPa。

自錨式接口的安全系數(shù)非常高，例如，某管K9、DN800的SIA Wb接口的允許工作壓力為2.5MPa，允許現(xiàn)場試驗壓力應為4.3MPa，其安全系數(shù)達1.72，具體見表1。

表1 新興鑄管SIA Wb自錨式接口性能參數(shù)表

注：根據(jù)需要，新興鑄管可以提供更高允許抗滑脫力的管道。

2 自錨式接口的技術(shù)應用

由于各類標準僅定義了自錨式接口的設(shè)計原則，對接口的結(jié)構(gòu)不做硬性規(guī)定，所以不同生產(chǎn)廠家開發(fā)的自錨式接口型號是各式各樣，各技術(shù)參數(shù)也不盡相同。在管線具體設(shè)計過程中，需要生產(chǎn)廠家提供技術(shù)手冊，再根據(jù)管線工程條件來選用。

2.1 免支墩設(shè)計

當管線水力方向改變時，如在彎頭、三通、變徑等處，會產(chǎn)生水力推力，如圖3所示。

圖3 彎頭處的水力推力示意圖

埋地球墨鑄鐵管一般采用滑入式接口，必須考慮水力推力的消除。除了混凝土鎮(zhèn)墩常規(guī)做法之外，就是免支墩設(shè)計。由于管道埋地，自水力推力產(chǎn)生處至一定距離，管道與土壤產(chǎn)生的摩擦力以及土壤被動土壓力之和可以逐步抵消水力推力，直至為零，這段長度稱之為自錨長度，即自錨長度內(nèi)需要設(shè)置自錨接口，自錨長度外只需普通柔性接口。這種以自錨式接口型式代替混凝土鎮(zhèn)墩的做法稱之為免支墩設(shè)計，如圖4所示。

圖4 免支墩設(shè)計示意圖

自錨長度的計算采用公式(3)：

(3)

式中,L—單側(cè)自錨管長度，m；Sf—安全系數(shù)，一般取2；P—管線設(shè)計內(nèi)水壓力，MPa；A—管的橫截面積，A=0.785·DE2，mm2；DE—管道外徑，mm；θ—水平彎頭的度數(shù)，(°)；Ff—考慮外涂層影響的管道與土壤之間的單位摩擦力，kN；Rs—單位被動土壓力，kN/m。

免支墩設(shè)計是混凝土鎮(zhèn)墩的替代方案，當工程不具備安裝混凝土鎮(zhèn)墩的條件時，可以考慮免支墩設(shè)計：

①水力推力處有其他管線、設(shè)施或建筑物阻擋，無法澆筑鎮(zhèn)墩；

②水力推力處地基沉降量較大，導致鎮(zhèn)墩不穩(wěn)定；

③彎頭設(shè)置較為密集；

④施工工期短，管線敷設(shè)完成后要求盡快通水。

2.2 地基沉降區(qū)的應用

管線敷設(shè)可能會穿越一些沉降區(qū)域，如煤礦塌陷區(qū)，淤泥層較厚的河流、湖泊等。如果采用焊接鋼管，沉降區(qū)域較大，會出現(xiàn)“懸臂”現(xiàn)象，巨大的彎矩產(chǎn)生的彎曲應力直接折斷管道；如果采用普通滑入式接口的球墨鑄鐵管，接口可能滑脫；所以，選用自錨式接口的球墨鑄鐵管是更加合理的方案：一是，沉降發(fā)生時，接口偏轉(zhuǎn)并向外滑脫，自錨裝置開始作用，巨大的防滑脫力鎖定接口；二是，管道順著地勢偏轉(zhuǎn)，每根管道都是如此，管道累積的自然沉降量會很大，從而大幅度地消除彎曲應力，如圖5所示。

圖5 柔性接口管道自然沉降示意圖

假定沉降區(qū)域管線的長度為90m，管道長度為6m，自錨式接口偏轉(zhuǎn)角度為0.8°，根據(jù)理論計算，管道累積的自然沉降量可以達到1.34m。

某電廠引水管線系統(tǒng)，采用焊接鋼管，由于煤礦開采導致地面沉降，在2012年7—12月間，共發(fā)生13次(處)管道漏水事故。應業(yè)主單位的要求，2013年某廠商提供了規(guī)格為DN350的TF自錨式接口的球墨鑄鐵管，用以代替原有破損的鋼管，管線運行至今良好。

在沉管施工過程中也會遇到接口滑脫的問題。布線時，雖然有固定措施，管道也會在河面偏轉(zhuǎn)成曲線；固定在河床時，管道也會遇到地基不穩(wěn)，發(fā)生沉降等問題。因此，沉管施工采用自錨式接口的球墨鑄鐵管也是非常合適的方案。

2.3 水平定向鉆施工

水平定向鉆是在不開挖地表面的條件下，實現(xiàn)管道穿越的施工工藝，分為三個階段：先導孔鉆進、回拉擴孔和回拖鋪管。回拖鋪管是將管道沿著一定曲率半徑的孔道，由出口坑回拖至起始坑，這就要求管道有比孔道更小的曲率半徑，且可以承受孔道所產(chǎn)生的摩擦阻力和泥漿的拖拽力。

球墨鑄鐵管完全適用于水平定向鉆施工工藝，技術(shù)要點如下：

①球墨鑄鐵管及鉆桿偏轉(zhuǎn)所形成的曲率半徑滿足孔道的軌跡設(shè)計；

②最終孔徑不應小于管道承口外徑的1.2倍；

③應采用內(nèi)自錨式接口，接口處包裹收縮套和薄鋼板；

④球墨鑄鐵管的允許牽引力滿足軌跡各點的回拖力。

2.4 陡坡敷設(shè)

輸水管道在山區(qū)敷設(shè)時，會經(jīng)常遇到陡坡的情況。如果采用滑入式接口的球墨鑄鐵管，大坡度(≥20°)的管線會產(chǎn)生軸線方向的重力分力，使得管道下滑，當下滑的位移累積較大時，某一接口就會有滑脫的風險，因此，大坡度的管線應在管道承口部位設(shè)置支墩，以抵消重力分力。如果坡度更大時(≥30°)，采用支墩+自錨式接口組合的方案更為合理。

延安引黃工程三級站是整個工程的中樞，DN1600球墨鑄鐵管，爬坡段坡長305m，坡度36.77°。為防止管道下滑，采用了Xanchor型自錨式接口+混凝土管床的方案，效果良好。

2.5 明裝管道

明裝輸水管線的項目很多，如過橋，綜合管廊。為了保證材質(zhì)的一致性，球墨鑄鐵管也越來越多地應用于明裝管線。明裝管線與埋地管線不同，失去了土壤的包裹，需要支撐結(jié)構(gòu)；而管線固有的問題依然存在，如支撐基礎(chǔ)沉降、熱脹冷縮和水力推力等。明裝球墨鑄鐵管重點需要解決的是消除水力推力，可以采用混凝土鎮(zhèn)墩，或者采用體積更小的金屬止推墩。在綜合管廊工程中由于管線復雜，混凝土鎮(zhèn)墩或止推墩無法設(shè)置，可以后移，以找到最佳的安置點，彎頭、三通和漸縮管所在的管段應采用自錨式接口，而直線管段依然采用滑入式接口。

地鐵隧道內(nèi)消防明裝球墨鑄鐵管比較特殊，考慮地鐵運行時震動影響，會使管道滑動，經(jīng)過多根管道滑動的累積，某一接口就會有滑脫漏水的風險。因此建議全部管線采用自錨式接口，同時在水力推力產(chǎn)生處設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩或止推墩。

3 結(jié)論

球墨鑄鐵管起源于西方，自錨式接口也在西方發(fā)展起來，并成熟應用了幾十年。隨著我國球墨鑄鐵管市場的繁榮，大型骨干廠家均先后開發(fā)了各自的自錨式接口類型，大量的工程應用進一步驗證了該種接口的便捷性和可靠性。目前，某公司生產(chǎn)的最大口徑DN2600的Xanchor型自錨式接口已經(jīng)成功地應用于南寧市第二水源搬遷工程中，標志著我國自錨式接口球墨鑄鐵管的生產(chǎn)和應用開始步入成熟階段。

生產(chǎn)自錨式接口的廠家眾多，質(zhì)量水平取決于廠家的技術(shù)實力、型式試驗報告和工程案例等，業(yè)主單位應當注意甄別。自錨式接口開發(fā)不易，并有專利保護的限制，有信譽的大型廠家質(zhì)量更為可靠。

某些工程中，為了增加管線的安全性，將所有的滑入式接口均替換成自錨式接口，因自錨式接口附件多，價格較貴，導致工程投資增加較多；應因地制宜地配置自錨式接口，而普通管線段依然采用滑入式接口，這種作法更為可取。