城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程用聚乙烯管

雷素敏， 白麗萍， 方媛媛， 袁理想

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京100011；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京100035)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，以及城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗褂媚晗薜脑黾樱細(xì)庠O(shè)施的修復(fù)更新工程也逐年增加。由于城市交通及環(huán)境保護(hù)等方面對市政施工的要求日益嚴(yán)格，采用傳統(tǒng)全線開挖方式修復(fù)或更換城鎮(zhèn)埋地燃?xì)夤艿朗艿皆S多限制，非開挖修復(fù)更新技術(shù)的優(yōu)勢逐漸被人們認(rèn)同，相關(guān)技術(shù)日趨成熟，其應(yīng)用也在逐年增長[1]。

20世紀(jì)80年代，日本和歐美國家開始系統(tǒng)研究開發(fā)非開挖技術(shù)，并逐步推廣應(yīng)用到地下管道的敷設(shè)和舊管更新，發(fā)展速度很快。到20世紀(jì)90年代，日本、法國、德國、美國等發(fā)達(dá)國家的非開挖技術(shù)用于地下管道已占全部管道工程的10%，在德國柏林已高達(dá)40%。目前非開挖管道修復(fù)技術(shù)已在西方發(fā)達(dá)國家成為一項政府支持、社會提倡、企業(yè)參與的新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，成為城市現(xiàn)代化進(jìn)程中的一項關(guān)鍵技術(shù)[2]。

聚乙烯管道是城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新技術(shù)采用的主要材料。本文就聚乙烯管在這類工程應(yīng)用時應(yīng)注意的問題進(jìn)行分析和探討。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

國內(nèi)外非開挖修復(fù)更新用聚乙烯管道標(biāo)準(zhǔn)比較完善，常用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

3 非開挖修復(fù)更新用聚乙烯管的問題

目前，國內(nèi)常用的燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新技術(shù)主要包括折疊管內(nèi)襯法、插入法、靜壓裂管法與翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法。除翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法外，其他技術(shù)采用的材料均為聚乙烯管。

3.1 折疊管內(nèi)襯法

3.1.1 聚乙烯管道最大工作壓力

折疊管內(nèi)襯法修復(fù)應(yīng)采用PE100或PE100-RC混配料，規(guī)格可選擇SDR17、SDR17.6、SDR21或SDR26系列管材。聚乙烯混配料是在聚乙烯原料中加入抗氧劑、顏料、抗紫外線穩(wěn)定劑等添加劑，并且足夠均勻分散，經(jīng)擠出加工而成的顆粒料，并按照GB/T 18475—2001《熱塑性塑料壓力管材和管件用材料分級和命名總體使用(設(shè)計)系數(shù)》中規(guī)定的最小要求強(qiáng)度(MRS)進(jìn)行分級和命名。聚乙烯混配料的級別分為PE80與PE100，PE100-RC是具有耐慢速裂紋增長性能的PE100混配料。

表1 非開挖修復(fù)更新用聚乙烯管道常用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在-20～20 ℃工作溫度條件下，聚乙烯燃?xì)夤艿赖淖畲蠊ぷ鲏毫Π垂?1)與公式(2)計算：

(1)

(2)

式中pmax——最大工作壓力，MPa

σ——最小要求強(qiáng)度，MPa

C——設(shè)計系數(shù)。CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求聚乙烯管道輸送天然氣時C≥2.5，GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》要求C≥2.0

S——標(biāo)準(zhǔn)尺寸比

pRCP——耐快速裂紋擴(kuò)展的臨界壓力，MPa，pRCP由混配料供應(yīng)商或管材生產(chǎn)廠商提供

目前常用PE100或PE100-RC混配料的pRCP均大于1.2 MPa，因此用式(2)校核后的計算結(jié)果見表2。

采用折疊管內(nèi)襯法修復(fù)鋼管道時，折疊內(nèi)襯管與鋼管道的接觸面較小，同時內(nèi)襯管沿線有鋼管保護(hù)，內(nèi)襯管被劃傷的風(fēng)險較低。但是考慮到C取值與輸送介質(zhì)、在役管道的內(nèi)部清理情況、現(xiàn)場環(huán)境等施工條件有關(guān)，因此筆者認(rèn)為當(dāng)采用SDR26系列聚乙烯管材時，最大工作壓力應(yīng)根據(jù)上述因素慎重考慮后綜合確定。

表2 折疊管內(nèi)襯法修復(fù)用PE100/PE100-RC管材的最大工作壓力

3.1.2 聚乙烯管材壁厚

目前為止，工廠預(yù)制成型折疊管的材料與工藝均為國外進(jìn)口，管材執(zhí)行國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11299—3—2018《地下燃?xì)夤芫W(wǎng)修復(fù)用塑料管道系統(tǒng) 第3部分：緊貼型內(nèi)襯管》。折疊管在工廠采用加熱和加壓的方式成型，在施工現(xiàn)場也要采取加熱與加壓的方式復(fù)原，聚乙烯管經(jīng)過二次加熱后同一橫截面上的壁厚會有所變化。ISO 11299—3—2018《地下燃?xì)夤芫W(wǎng)修復(fù)用塑料管道系統(tǒng) 第3部分：緊貼型內(nèi)襯管》規(guī)定了實際工程或模擬安裝測試后管材壁厚的要求，見表3。

隨著修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，目前工廠預(yù)制成型折疊管內(nèi)襯法修復(fù)常采用SDR21管材，表3中并未給出相關(guān)壁厚要求。但該標(biāo)準(zhǔn)同時規(guī)定采用其他的SDR時，聚乙烯管材的最小壁厚δmin和最大平均壁厚δm,max可通過公式(3)和公式(4)分別計算，并且按照向上圓整0.1 mm的原則進(jìn)位后獲得。

表3 工廠預(yù)制成型折疊管安裝后的管材壁厚

(3)

δm,max=1.12δmin+0.5

(4)

式中δmin——最小壁厚，mm

dn——公稱外徑，mm

δm,max——最大平均壁厚，mm

此外，ISO 11299—3—2018《地下燃?xì)夤芫W(wǎng)修復(fù)用塑料管道系統(tǒng) 第3部分：緊貼型內(nèi)襯管》適用于緊貼型內(nèi)襯管，而緊貼型內(nèi)襯管修復(fù)用聚乙烯管材的尺寸規(guī)格以在役鋼管的內(nèi)徑為依據(jù)，與GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》中規(guī)定的聚乙烯管材規(guī)格略有不同。GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》中有的規(guī)格，如dn200(表示公稱外徑為200 mm，后面格式意義與此相同)、dn225、dn250、dn400、dn500管材的最小壁厚可參照GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》中的最小壁厚，再由公式(4)計算最大平均壁厚。GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》中沒有的規(guī)格，如dn100、dn150、dn300、dn350管材的最小壁厚與最大平均壁厚應(yīng)分別由公式(3)與公式(4)計算得出。

通過以上計算方法得出SDR21系列管道的壁厚，見表4。采用SDR21系列的聚乙烯管進(jìn)行折疊管內(nèi)襯法修復(fù)時，可按照表4對安裝后的聚乙烯管壁厚進(jìn)行控制，以確保工程質(zhì)量。

表4 SDR21系列的管道壁厚

3.1.3 SDR21與SDR26系列管材的應(yīng)用范圍

折疊管內(nèi)襯法修復(fù)工程允許采用SDR21、SDR26薄壁的聚乙烯管材。由于此類管材不曾應(yīng)用于直埋，因此，在使用時應(yīng)考慮以下2個問題。

① 工作坑處的SDR21、SDR26聚乙烯管，外部沒有鋼管做保護(hù)，為實現(xiàn)與其他管段相同的條件，避免成為整個系統(tǒng)中的薄弱點，在回填的時候應(yīng)考慮采取措施對聚乙烯管進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)措施可以在聚乙烯管外加鋼制套管后回填，或者在工作坑處磚砌保護(hù)溝，將聚乙烯管置于保護(hù)溝內(nèi)，溝內(nèi)填砂并加溝蓋板。

② 限于現(xiàn)場設(shè)備條件，現(xiàn)場成型折疊管內(nèi)襯法只能采用SDR26系列的聚乙烯管材，同時，因為修復(fù)時內(nèi)襯管要緊貼在役鋼管，折疊前聚乙烯管的連接須為熱熔連接，不能采用電熔連接。GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》要求，當(dāng)公稱外徑小于160 mm時，SDR26管材壁厚小于6 mm。CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求，壁厚小于6 mm的聚乙烯管道連接不應(yīng)采用熱熔連接。因此現(xiàn)場成型折疊管內(nèi)襯法不適用于修復(fù)DN 150 mm及以下的在役管道。

工廠預(yù)制成型折疊管內(nèi)襯法可以采用SDR21、SDR26系列的聚乙烯管材。由于dn100、dn125、dn150是工廠預(yù)制成型折疊管內(nèi)襯法用聚乙烯管的常用規(guī)格(見表3)，均屬于非標(biāo)準(zhǔn)外徑管，與標(biāo)準(zhǔn)管件連接時需要采用變徑熱熔接頭進(jìn)行連接。由表3可知，當(dāng)公稱外徑小于160 mm時，SDR26管材壁厚小于6 mm；由表4可知，當(dāng)采用dn100、SDR21管材時，壁厚也小于6 mm。以上兩種情況都不能采用熱熔連接。因此，工廠預(yù)制成型折疊管內(nèi)襯法當(dāng)采用SDR26系列聚乙烯管時，不適用于修復(fù)DN 150 mm及以下的在役管道，當(dāng)采用SDR21系列聚乙烯管時，不適用于修復(fù)DN 100 mm及以下的在役管道。

3.1.4 聚乙烯管道的連接

采用工廠預(yù)制成型折疊管內(nèi)襯法修復(fù)時，生產(chǎn)時制造商根據(jù)模擬實驗的結(jié)果最終制造出的折疊管外徑不完全符合GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)外徑，即非標(biāo)準(zhǔn)外徑聚乙烯管。下面就非標(biāo)準(zhǔn)外徑聚乙烯管的連接方法進(jìn)行分析。

因為壁厚相對較厚，CJJ/T 147—2010《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定SDR17.6系列非標(biāo)準(zhǔn)外徑聚乙烯管可以擴(kuò)徑至與標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯管外徑與壁厚一致后進(jìn)行連接，對于SDR26系列則必須采用變徑管件連接，對于SDR21系列無明確規(guī)定。實際施工中，SDR21系列管材也經(jīng)常采用擴(kuò)徑至標(biāo)準(zhǔn)外徑和壁厚后進(jìn)行連接的方式。

聚乙烯折疊管出廠時，產(chǎn)品質(zhì)量證明文件中注明有公稱尺寸與制造尺寸。制造尺寸為折疊管出廠時的實際尺寸。如公稱尺寸為dn500、SDR21的折疊管，制造外徑與壁厚分別為485 mm、25.9 mm。折疊管經(jīng)過二次加熱后同一橫截面上的壁厚會有所變化，復(fù)原后的外徑有可能大于出廠時的制造外徑，但是不會大于公稱外徑。

為了方便采用標(biāo)準(zhǔn)管件進(jìn)行連接，需要將復(fù)原后的聚乙烯管擴(kuò)徑至統(tǒng)一的外徑。但是考慮到聚乙烯管的材料特性，為避免發(fā)生塑性變形，擴(kuò)徑不能無限制地進(jìn)行。按照管材生產(chǎn)商提供的操作說明，目前最大只允許擴(kuò)徑至廠家標(biāo)稱的公稱外徑。如果擴(kuò)徑至廠家標(biāo)稱的公稱外徑后能滿足標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯管外徑與壁厚，可直接與標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯管連接。如果擴(kuò)徑至廠家標(biāo)稱的公稱外徑后仍不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯管外徑與壁厚，則需采用變徑管件連接。

以常用的公稱尺寸dn300、SDR17與dn500、SDR21的管材為例，說明具體的連接方法。

①dn300、SDR17系列管材：dn300聚乙烯折疊管出廠時，制造外徑是289 mm，復(fù)原后用擴(kuò)孔器擴(kuò)徑到300 mm，但依然達(dá)不到聚乙烯管標(biāo)準(zhǔn)外徑315 mm?？梢圆捎胐n300/dn315熱熔接頭后，用電熔套筒的方式與dn315標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯管進(jìn)行連接(見圖1)。

圖1 dn300管材與標(biāo)準(zhǔn)管材的連接

②dn500、SDR21系列管材：dn500聚乙烯折疊管出廠時，實際的制造外徑是485 mm，復(fù)原后用擴(kuò)孔器擴(kuò)徑到500 mm后，可直接與dn500標(biāo)準(zhǔn)管材進(jìn)行連接(見圖2)。

圖2 dn500管材與標(biāo)準(zhǔn)管材的連接

3.2 插入法

3.2.1 聚乙烯管道最大工作壓力

CJJ/T 147—2010《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》中，要求插入法修復(fù)應(yīng)采用SDR11、SDR17/17.6系列管材。按照公式(1)與公式(2)計算，設(shè)計系數(shù)C取2.5，計算結(jié)果見表5。

表5 插入法修復(fù)用PE100/PE100-RC管材的最大工作壓力

由表5可知，當(dāng)采用PE100/PE100-RC、SDR11系列的聚乙烯管材時，按照C取2.5計算，其最大工作壓力可達(dá)到0.8 MPa。盡管按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的條文說明，SDR11系列的埋地聚乙烯燃?xì)夤艿?，最大工作壓力可以?.8 MPa，但是由于該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時間短，各燃?xì)夤具€都沒有實際的應(yīng)用案例，實際的應(yīng)用經(jīng)驗太少。同時，插入法修復(fù)時，聚乙烯管道與在役管道內(nèi)壁接觸面積較大，在拖拉的過程中被劃傷的風(fēng)險較高，即使劃痕深度在規(guī)范允許范圍內(nèi)，劃傷也會對聚乙烯管的力學(xué)性能造成影響，縮短使用壽命。鑒于以上原因，插入法施工用聚乙烯管道的最大工作壓力仍選擇0.4 MPa，即采用PE100、SDR11系列管材時，修復(fù)后聚乙烯管道的最大工作壓力不宜超過0.4 MPa。

3.2.2 聚乙烯管道的連接

在CJJ/T 147—2010《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》中，要求聚乙烯管道與在役其他材質(zhì)管道連接時應(yīng)選用鋼塑轉(zhuǎn)換接頭或鋼塑法蘭連接，公稱外徑≤315 mm聚乙烯管道的連接應(yīng)采用電熔連接。聚乙烯管道連接時仍需考慮以下問題：

連接時兩段聚乙烯管的連接處需設(shè)置固定支撐點，防止插入管因溫度降低而引起長度收縮，應(yīng)力集中于焊口處導(dǎo)致焊口漏氣。上海燃?xì)夤静捎貌迦敕ㄐ迯?fù)時采取固定支撐措施，即在插入管伸出舊管道端口的管道外壁上安裝柔性限位器，并澆筑混凝土支墩固定柔性限位器。這種利用限位器對聚乙烯管穿管連接接頭處進(jìn)行強(qiáng)制加固的做法，已成功應(yīng)用于約10 km的承插式鑄鐵管道的更新改造工程[3]。

3.3 靜壓裂管法

3.3.1 聚乙烯管道最大工作壓力

靜壓裂管法修復(fù)時，聚乙烯管材被劃傷的風(fēng)險較高。按照第3.2.1節(jié)的分析，采用PE100/PE100-RC、SDR11系列的聚乙烯管材，最大工作壓力不超過0.4 MPa。

3.3.2 聚乙烯管道標(biāo)準(zhǔn)尺寸比的選用

靜壓裂管法是以待更換的在役管道為導(dǎo)向，用裂管器將在役管道切開或脹裂，使其脹擴(kuò)，同時將聚乙烯管拉入在役管道的修復(fù)更新工藝。在液壓拉桿機(jī)用頂或拉的方式將在役管道碎裂的過程中，破碎的在役管道很有可能對聚乙烯管道產(chǎn)生劃傷等破壞。CJJ/T 147—2010《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》要求靜壓裂管法適用的聚乙烯管道標(biāo)準(zhǔn)尺寸比為SDR11與SDR17.6。CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求聚乙烯管材表面劃傷深度不應(yīng)超過管材壁厚的10%，且不應(yīng)超過4 mm。

按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對于管材劃痕深度的規(guī)定，SDR11、SDR17.6系列管材允許的劃痕深度見表6。

表6 SDR11、SDR17.6系列管材允許的劃痕深度

由表6可看出，SDR11系列管材允許的劃痕深度比SDR17.6管材大40%～61%，實際工程中更容易保證劃痕深度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此建議靜壓裂管法優(yōu)先選用SDR11系列管材。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)開挖工程對比，非開挖修復(fù)更新工程用聚乙烯管材有其特殊性，應(yīng)重點關(guān)注以下問題：

① 國內(nèi)外關(guān)于采用聚乙烯管進(jìn)行非開挖修復(fù)更新用標(biāo)準(zhǔn)比較齊全，可以滿足工程建設(shè)的需要。

② 按照C取2.5計算，SDR26聚乙烯管的最大工作壓力為0.32 MPa?？紤]到折疊管內(nèi)襯法修復(fù)時，C取值與輸送介質(zhì)、在役管道的內(nèi)部清理情況、現(xiàn)場環(huán)境等施工條件有關(guān)，因此當(dāng)采用SDR26系列聚乙烯管材時，最大工作壓力應(yīng)根據(jù)具體情況綜合確定。

③ 采用SDR21系列的聚乙烯管進(jìn)行折疊管內(nèi)襯法修復(fù)時，可按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對安裝后的聚乙烯管壁厚進(jìn)行控制。

④ 現(xiàn)場成型折疊管內(nèi)襯法不適用于修復(fù)DN 150 mm及以下在役管道；工廠預(yù)制成型折疊管內(nèi)襯法采用SDR21系列聚乙烯管時，不適用于修復(fù)DN 100 mm及以下的在役管道，當(dāng)采用SDR26系列聚乙烯管時，不適用于修復(fù)DN 150 mm及以下的在役管道。

⑤ 采用插入法進(jìn)行修復(fù)時，應(yīng)考慮管道在拖動過程中受力變形和管道長度隨溫度變化而變化的問題，預(yù)留足夠的管道長度，并在焊口處采取有效的固定支撐措施。

⑥ 插入法與靜壓裂管法修復(fù)時，聚乙烯管材被劃傷的風(fēng)險較高，鑒于安全性，建議即使采用PE100、SDR11系列管材，最大工作壓力也不宜超過0.4 MPa。

⑦ 靜壓裂管法修復(fù)時，由于SDR11系列的管材壁厚較厚，按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，其允許的劃痕深度比SDR17.6管材大40%左右，實際工程中更容易保證劃痕深度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此建議優(yōu)先選用壁厚較厚的SDR11聚乙烯管材。