基于中美歐標(biāo)準(zhǔn)的HDPE消防管道壓力試驗(yàn)對(duì)比

馮光華，劉雪洋

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

HDPE管道以其耐腐蝕、質(zhì)量輕、造價(jià)低、密封性好、安裝便捷及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，日益取代了傳統(tǒng)金屬管道。HDPE水壓試驗(yàn)常用水壓泵加載，壓力表常設(shè)置在閥門附近，水壓試驗(yàn)見圖1。對(duì)于HDPE壓力試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外的同行做了較多的研究。周敏等[1]利用自制室內(nèi)足尺大型模型試驗(yàn)系統(tǒng),以粗砂為管道開挖溝槽回填料,通過調(diào)整模型箱底板的下沉模擬地層沉陷形成過程,研究埋地HDPE雙壁波紋管道的受力變形特性及其上覆回填料土體的沉降分布規(guī)律。朱永濤等[2]以南水北調(diào)配套工程邢清干渠南宮干線試驗(yàn)段為依托,分別對(duì)4種不同回填方式的管道變形率進(jìn)行測(cè)試,建立管道變形有限元模型。尤佺等[3]通過有限元數(shù)值模擬分析并綜合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了基于填土高度的管頂撓度預(yù)測(cè)公式和基于管頂撓度的最大管周環(huán)向應(yīng)變預(yù)測(cè)公式,可以方便快捷地預(yù)測(cè)HDPE管道裝配應(yīng)變。張震等[4]利用時(shí)溫疊加原理將不同溫度下的蠕變?cè)囼?yàn)曲線移動(dòng)形成一條光滑的主曲線，準(zhǔn)確地確定土工格柵HDPE50的蠕變折減系數(shù)。上述的試驗(yàn)研究，大多參考國(guó)內(nèi)的規(guī)范，而對(duì)于一帶一路的工程項(xiàng)目，特別是東非的坦桑尼亞項(xiàng)目，常用的美標(biāo)和英標(biāo)試驗(yàn)卻少見報(bào)道。

圖1 水壓試驗(yàn)

1 工程概況

某項(xiàng)目位于東非第二大港——達(dá)累斯薩拉姆港，為改擴(kuò)建水工項(xiàng)目，其新建滾裝泊位堆場(chǎng)消防管線全長(zhǎng)1 920 m，包含40座消防井，設(shè)計(jì)全部采用HDPE管道，其工作壓力為9.5 bar(0.95 MPa)，均采用法蘭連接，見圖2。

圖2 法蘭連接示意圖

壓力試驗(yàn)初期未考慮到HDPE管道的蠕變特性，采用剛性管道水壓試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)期間發(fā)生明顯壓力下降及爆管現(xiàn)象，爆管現(xiàn)場(chǎng)見圖3，通過對(duì)HDPE消防管道水壓試驗(yàn)失敗的不斷總結(jié)，對(duì)比分析中國(guó)、歐洲和美國(guó)3種關(guān)于管道蠕變的水壓試驗(yàn)規(guī)范后，最終采用歐洲規(guī)范BS EN 805:2000取得了HDPE消防管道水壓試驗(yàn)的成功。

圖3 加壓爆管

2 中歐美規(guī)范介紹

2.1 中國(guó)規(guī)范GB 50268—2008

GB 50268—2008[5]水壓試驗(yàn)流程見圖4。

圖4 GB 50268—2008水壓試驗(yàn)流程

1)試驗(yàn)管道在不大于工作壓力條件下充分浸泡不少于24 h。將管道內(nèi)水壓緩緩上升至試驗(yàn)壓力并穩(wěn)壓30 min，期間如有壓力下降可注水補(bǔ)壓，但不得高于試驗(yàn)壓力，檢查管道接口、配件等處無漏水、損壞現(xiàn)象，有漏水、損壞現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)停止試壓，查明原因并采取相應(yīng)措施后重新試壓。停止注水補(bǔ)壓并穩(wěn)定30 min，當(dāng)30 min后壓力下降不超過試驗(yàn)壓力的70%，則試驗(yàn)結(jié)束；否則重新注水補(bǔ)壓并穩(wěn)定30 min再進(jìn)行，直至30 min后壓力下降不超過試驗(yàn)壓力的70%。

2)迅速將管道泄水降壓，降壓量為試驗(yàn)壓力的10%～15%，期間應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)量所泄出的水量ΔV,并按下式計(jì)算允許泄出的最大水量ΔVmax：

(1)

式中：1.2為空氣系數(shù)；V為試壓管段總?cè)莘e(L)；ΔP為降壓量(MPa)；en為管材公稱壁厚(m)；Di為管材內(nèi)徑(m)；EW為水的體積模量(MPa)；EP為HDPE管道彈性模量(MPa)。EP、EW取值見表1。

表1 水的體積模量EW和HDPE管道彈性模量EP取值

3)ΔV≤ΔVmax時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)；ΔV> ΔVmax時(shí)，應(yīng)停止試壓。排除管內(nèi)過量空氣再?gòu)?)重新開始試驗(yàn)。

4)每隔30 min記錄一次管道剩余壓力，應(yīng)記錄30 min；30 min內(nèi)管道剩余壓力有上升趨勢(shì)時(shí)，則水壓試驗(yàn)結(jié)果合格見圖4流程①；30 min內(nèi)剩余壓力無上升趨勢(shì)時(shí)，則應(yīng)持續(xù)觀察60 min；整個(gè)90 min內(nèi)壓力下降不超過0.02 MPa，則水壓試驗(yàn)結(jié)果合格，見圖4流程②。

上述兩條均不能滿足時(shí)，則水壓試驗(yàn)結(jié)果不合格，應(yīng)查明原因并采取相應(yīng)措施后再重新組織試壓。

2.2 歐洲規(guī)范BS EN 805:2000

歐洲規(guī)范BS EN 805:2000[6]試驗(yàn)流程(圖5)與中國(guó)規(guī)范GB 50268—2008基本相同，關(guān)于具體不同點(diǎn)在下文規(guī)范對(duì)比及算例中會(huì)提及，注意公式計(jì)算時(shí)的單位換算。

圖5 歐洲規(guī)范BS EN 805:2000水壓試驗(yàn)流程

2.3 美國(guó)規(guī)范ASTM F2164-18

美標(biāo)ASTM F2164-18[7]對(duì)于管道試驗(yàn)的規(guī)定要點(diǎn)如下(圖6)：

1)緩慢注水排空試驗(yàn)管道內(nèi)的空氣，保證試驗(yàn)段管道與管內(nèi)液體溫度相同。

2)注水加壓至試驗(yàn)壓力。檢查管口、配件等處有無漏水、損壞現(xiàn)象。

3)保持試驗(yàn)壓力穩(wěn)定4 h，期間有壓力下降，可以注水補(bǔ)壓至試驗(yàn)壓力。

4)將試驗(yàn)壓力降低10 psi(69 kPa)，停止注水補(bǔ)壓，觀測(cè)1 h。

5)如果1 h內(nèi)管道無明顯泄露，且壓力下降不超過5%，則水壓試驗(yàn)結(jié)果合格；反之水壓試驗(yàn)結(jié)果不合格，查明原因并采取相應(yīng)措施后再重新組織試壓。

圖6 美國(guó)規(guī)范ASTM F2164-18水壓試驗(yàn)加載

3 中歐美規(guī)范對(duì)比

3.1 預(yù)試驗(yàn)階段前

3.1.1壓力試驗(yàn)的確定

對(duì)于試驗(yàn)壓力的確定，中國(guó)規(guī)范為1.5倍工作壓力且不小于0.8 MPa；美國(guó)規(guī)范為1.5倍工作壓力；歐洲規(guī)范比較1.5倍工作壓力與工作壓力+500 kPa，取兩者之間較小的數(shù)值為試驗(yàn)壓力。

3.1.2注水浸泡要求

對(duì)于消防管道注水浸泡時(shí)間，中國(guó)規(guī)范要求至少24 h；歐洲規(guī)范要求至少60 min；美國(guó)規(guī)范在時(shí)間上沒有具體要求，但提出管內(nèi)外溫度保持一致且保證管內(nèi)空氣排空。

3.2 預(yù)試驗(yàn)階段

在注水加壓階段，中國(guó)規(guī)范要求緩慢升壓至試驗(yàn)壓力；歐洲規(guī)范要求快速升壓，且在時(shí)間上規(guī)定10 min之內(nèi)升壓至試驗(yàn)壓力;美國(guó)規(guī)范對(duì)于注水加壓沒有時(shí)間上的要求，但要求保證整個(gè)壓力試驗(yàn)時(shí)間在8 h之內(nèi)。

中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范基本相同，在預(yù)試驗(yàn)階段均有單獨(dú)的合格通過標(biāo)準(zhǔn)，歐洲規(guī)范要求更嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在注水加壓時(shí)間短、停壓觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)；美國(guó)規(guī)范補(bǔ)壓穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，沒有合格標(biāo)準(zhǔn)，可以理解為預(yù)試驗(yàn)階段與主試驗(yàn)階段一體化、不分開。

3.3 主試驗(yàn)階段

主試驗(yàn)階段前中歐美3種水壓試驗(yàn)規(guī)范對(duì)比見表2。

中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范都有允許泄出最大水量ΔVmax的計(jì)算，均要求降壓泄水量ΔV≤ΔVmax，泄水降壓量與ΔVmax的計(jì)算公式完全相同。在滿足ΔV≤ΔVmax后，均要求停壓觀測(cè)30 min，中國(guó)規(guī)范要求每3 min記錄一次，歐洲規(guī)范無具體要求。30 min壓力無上升趨勢(shì)時(shí)，均繼續(xù)觀測(cè)60 min，中國(guó)規(guī)范要求壓力下降不超過0.02 MPa，歐洲規(guī)范要求壓力下降不超過25 kPa。美國(guó)規(guī)范的泄水降壓量為固定值10 psi(69 kPa)，同時(shí)停壓觀測(cè)時(shí)間固定為1 h，相反，合格標(biāo)準(zhǔn)非固定，要求不超過試驗(yàn)壓力5%。

中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范基本相同，相比之下中國(guó)規(guī)范要求更嚴(yán)格，體現(xiàn)在最后90 min的壓力下降比歐洲規(guī)范少5 kPa；美國(guó)規(guī)范與其他兩種規(guī)范差距較大，流程相對(duì)簡(jiǎn)單，主要體現(xiàn)在無須公式計(jì)算，停壓觀測(cè)時(shí)間固定。

表2 主試驗(yàn)階段前中歐美3種水壓試驗(yàn)規(guī)范對(duì)比

4 基于歐洲規(guī)范BS EN 805:2000的算例

基于歐洲規(guī)范算例水壓試驗(yàn)流程見圖7。

圖7 基于歐洲規(guī)范算例水壓試驗(yàn)流程

試驗(yàn)當(dāng)天中午12:00點(diǎn)溫度為30 ℃，兩座消防井之間相距73.9 m，采用的HDPE消防管直徑為0.16 m、壁厚0.01 m，試驗(yàn)前一天晚上注滿水浸泡，保證時(shí)間大于60 min。消防管道工作壓力為950 kPa，根據(jù)表2，試驗(yàn)壓力取1 425 kPa，管道體積為V=1.486 m3=1 486 L。

將管道內(nèi)水壓緩緩上升至1 425 kPa并通過注水補(bǔ)壓穩(wěn)定30 min，停止注水補(bǔ)壓并穩(wěn)定60 min，測(cè)得壓力為1 150 kPa。

迅速將管道泄水降壓200 kPa(試驗(yàn)壓力的14.04%)，此時(shí)壓力為950 kPa，期間出水量為0.85 L。

V=1 486 L，ΔP=200 kPa，e=0.01 m，D=0.14 m。根據(jù)表1，EW=2.23 GPa;EP=6.1 GPa。由式(1)計(jì)算得，ΔVmax=0.979 L，ΔV=0.85 L< 0.979 L(=ΔVmax)。

繼續(xù)觀測(cè)30 min，此時(shí)壓力仍為950 kPa，壓力無上升趨勢(shì)，繼續(xù)觀察60 min，此時(shí)壓力為935 kPa，期間壓力下降15 kPa，小于25 kPa，水壓試驗(yàn)結(jié)果合格，此次消防管道壓力試驗(yàn)成功。

5 對(duì)中國(guó)規(guī)范GB 50268—2008的修改建議

對(duì)于HDPE蠕變塑性管道的壓力試驗(yàn)，規(guī)范GB 50268—2008并沒有完整、系統(tǒng)的章節(jié)來介紹，包括試驗(yàn)壓力、注水浸泡時(shí)間等內(nèi)容歸類于化學(xué)建材管，只是在9.2.12節(jié)提及并對(duì)9.2.10節(jié)介紹的大類水壓試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充。在此提出以下修改建議：

1)將HDPE蠕變塑性管道與化學(xué)建材管分開，單獨(dú)采用一個(gè)章節(jié)，完整、系統(tǒng)地介紹整個(gè)壓力試驗(yàn)流程。

2)建議對(duì)EP(管道彈性模量)的取值進(jìn)行完善。主試驗(yàn)階段中，允許泄出最大水量ΔVmax計(jì)算公式中的EP(管道彈性模量)在規(guī)范中并沒有提供數(shù)據(jù)表格，只是提及管道彈性模量與水溫與試壓時(shí)間相關(guān)，上文中的數(shù)據(jù)表格取自其他規(guī)范并進(jìn)行了單位換算。

3)建議壓力的單位與歐洲規(guī)范一致，由MPa改為kPa，MPa單位較大，使用中多為小數(shù)，不太合理。

4)建議試驗(yàn)壓力的確定與化學(xué)建材管區(qū)分開，重新進(jìn)行確定，可與歐洲規(guī)范相同。

5)建議不大于工作壓力的注水浸泡時(shí)間與化學(xué)建材管區(qū)分開，規(guī)范中化學(xué)建材管要求浸泡不小于24 h，這非常不合理，導(dǎo)致整個(gè)管道試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)，可以與歐洲規(guī)范對(duì)接，改為不小于1 h，或重新進(jìn)行合理的標(biāo)定。

6)建議對(duì)注水加壓時(shí)間提供一個(gè)時(shí)間范圍。

7)建議對(duì)整個(gè)試驗(yàn)流程的時(shí)間提供一個(gè)要求。

6 結(jié)論

1) 對(duì)比中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范，歐洲規(guī)范在預(yù)試驗(yàn)階段要求較高，中國(guó)規(guī)范在主壓力試驗(yàn)要求較高；歐洲規(guī)范對(duì)HDPE管道壓力試驗(yàn)整個(gè)流程的介紹更為完整和系統(tǒng)，中國(guó)規(guī)范相對(duì)而言只是在化學(xué)建材管大類上的補(bǔ)充。

2) 對(duì)比兩類規(guī)范，美國(guó)規(guī)范流程相對(duì)簡(jiǎn)單，注水穩(wěn)壓時(shí)間長(zhǎng)，僅一次停壓觀測(cè)，對(duì)短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)壓要求相對(duì)較高；中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范流程相對(duì)復(fù)雜，注水穩(wěn)壓時(shí)間短，分兩次停壓觀測(cè)，對(duì)短時(shí)間穩(wěn)壓要求相對(duì)較低。

3) 對(duì)于管內(nèi)空氣的處理，美國(guó)規(guī)范要求試驗(yàn)前注水排空管內(nèi)空氣；中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范則是通過公式計(jì)算體現(xiàn)，在ΔVmax的計(jì)算公式中均有空氣系數(shù)，且均為1.2。