纖維增強(qiáng)管在城市給水管道改造中的應(yīng)用性能研究

林亞南

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

在我國北方各城市，由于冬季溫度較低，存在給水管道內(nèi)水凍結(jié)膨脹，導(dǎo)致給水管道破裂漏水的問題[1- 4]。冬季給水管道的破裂給區(qū)域用水尤其是生活區(qū)居民生活用水帶來極大的困擾，因此，如何有效增強(qiáng)給水管道工程性能、防止冬季給水管道破裂，對保證人民生活質(zhì)量和財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

目前，我國關(guān)于給水管道工程改造的研究多是從管道空間布置角度開展[5- 7]，而缺乏對管道材料或結(jié)構(gòu)本身的改進(jìn)，無法有效解決我國寒區(qū)冬季給水管破裂問題。宋立民[8]基于現(xiàn)場研究和試驗(yàn)，指出了地下供給管道腐蝕嚴(yán)重的問題，并提出對供水管道進(jìn)行防腐改造處理的具體措施，有效提升了管道應(yīng)用的穩(wěn)定性與安全性。朱君遠(yuǎn)等[9]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，深入對比了PPR管材、PE管材、銅管和鑄鐵管等多種給水管道的選擇和運(yùn)用及其優(yōu)勢，為我國市政工程中給水管道改造提供了一定的指導(dǎo)作用。趙欣等[10]利用聚氨酯材料對管道進(jìn)行噴涂能夠有效增強(qiáng)給水管道的工程性能，并且聚氨酯材料噴涂技術(shù)可以有效應(yīng)用到給水管道快速修復(fù)工作中。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)城市給水管道的研究主要集中于給水管道的空間分布設(shè)計(jì)方面，而較少涉及到改善給水管道工程性能領(lǐng)域。本文在室內(nèi)制備了一種包含外層-聚丙烯纖維網(wǎng)夾層-內(nèi)層結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維增強(qiáng)給水管道，并基于室內(nèi)試驗(yàn)深入研究了增強(qiáng)管道的抗拉能力和抗爆破能力的措施。研究成果為我國給水管道改造工作提供了一定的借鑒作用。

1 試驗(yàn)研究

1.1 研究背景

目前，我國推廣應(yīng)用的給水管道主要為單層高聚合物管道，如高密度聚乙烯管道，其耐腐蝕的作用、抗壓強(qiáng)度較好。然而，在我國北方各城市，由于冬季溫度較低，存在給水管道內(nèi)水凍結(jié)膨脹，導(dǎo)致給水管道破裂漏水的問題。針對上述問題，我國北方某城市擬對該市核心區(qū)域開展給水管道改造試點(diǎn)工程，以解決城市冬季給水管道破裂及其引發(fā)的地方居民區(qū)斷水問題。

1.2 試樣制備與試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所用的纖維增強(qiáng)給水管道為本研究小組委托河北省某管道有限公司制備，管道外徑為50.00mm，聚乙烯內(nèi)層厚度為2.50mm，外層厚度為1.0mm。此外，在外層和內(nèi)層中間，夾有網(wǎng)狀分布的纖維強(qiáng)化層，所用材料為聚丙烯纖維，纖維平均直徑5μm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為研究纖維增強(qiáng)給水管道的抗壓能力，統(tǒng)一截取為長度為1m的管道進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)，并對內(nèi)層材料展開抗拉試驗(yàn)。此外，本次研究同樣設(shè)置對照試驗(yàn)組(普通給水管道：有內(nèi)外層，但沒有纖維網(wǎng)夾層)，兩種水管的設(shè)計(jì)承壓均為2.0MPa。

圖1 纖維增強(qiáng)給水管道實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖

2 纖維增強(qiáng)管性能研究

2.1 內(nèi)層性能研究

在輸送介質(zhì)的持續(xù)侵蝕和沖刷下，給水管內(nèi)層可能存在管道腐蝕失效的風(fēng)險(xiǎn)，為了充分研究內(nèi)層高密度聚乙烯層的工程性能變化，將管道內(nèi)層單獨(dú)取出進(jìn)行加工，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究其性能變化。取5組給水管道內(nèi)層試件開展抗拉試驗(yàn)，依據(jù)規(guī)范GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測定》進(jìn)行試驗(yàn)。抗拉試驗(yàn)的結(jié)果見表1，從表1中可以看出，給水管道內(nèi)層材料的抗拉屈服強(qiáng)度和斷裂點(diǎn)應(yīng)力平均分別為19.64、33.28MPa，且5組試件之間的相差值很小，這表明給水管內(nèi)層材料的工程性能較好且材料性能基本一致。此外，材料破壞時(shí)的平均斷裂伸長率為741.94%，這表明給水管內(nèi)層材料具有較好的軸向拉伸變形性能。

表1 給水管道內(nèi)層拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 管道承壓性能研究

由給水管道破裂問題分析可知，管道的承壓能力是決定給水管道性能的主要因素。因此，本次研究采用靜水壓試驗(yàn)機(jī)，對普通給水管道和纖維增強(qiáng)給水管道開展了室內(nèi)靜水壓試驗(yàn)，深入研究了不同管道承壓性能隨時(shí)間變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著注水時(shí)間的不斷增加，普通給水管中的靜水壓力呈逐漸減小的變化趨勢，普通給水管中的最大靜水壓力達(dá)到2.04MPa，而最小靜水壓力為1.86MPa，最大值與最小值之間差距達(dá)到0.18MPa。相較于普通給水管道，纖維增強(qiáng)管中靜水壓力值的波動則較小，均在4%以內(nèi)。最大靜水壓力為2.04MPa，最小靜水壓力為1.97MPa，最大值與最小值之間差距僅為0.07MPa。分析認(rèn)為，在保持加壓設(shè)備、環(huán)境溫度等實(shí)驗(yàn)條件一致的前提下，纖維增強(qiáng)管的承壓能力更強(qiáng)，在高壓水下未發(fā)生明顯破裂，其保壓能力要優(yōu)于普通水管。

圖2 普通管和增強(qiáng)管靜水壓試驗(yàn)結(jié)果

2.3 爆破試驗(yàn)強(qiáng)度

為了測試?yán)w維增強(qiáng)給水管和普通給水管承受內(nèi)壓的極限能力，室內(nèi)對其開展了爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可知，纖維增強(qiáng)給水管爆破壓力平均值為21.8MPa，而普通給水管爆破壓力的平均值僅達(dá)到16.9MPa，相較于纖維增強(qiáng)給水管下降了22.48%，下降幅度相對較大。分析認(rèn)為，由于纖維增強(qiáng)給水管具有三層結(jié)構(gòu)，且在內(nèi)外層中間夾有具備較好彈性形變能力的聚丙烯纖維網(wǎng)，因此在爆破壓力作用下其能夠承受更大的壓力。

2.4 機(jī)理分析

綜上所述，加入纖維層后，給水管道整體的抗壓能力和抗爆破能力均產(chǎn)生了一定幅度的提高。分析認(rèn)為，纖維強(qiáng)化層材料主要為聚丙烯纖維，主要作用是增強(qiáng)管道的抗壓能力，聚酯纖維為偶數(shù)層反向纏繞于內(nèi)層之上，且纏繞方向要與管道軸向成55°左右的夾角；外層材料主要為聚乙烯，能起到保護(hù)纖維強(qiáng)化層及防磨損的作用。從增強(qiáng)管不同結(jié)構(gòu)及其作用可知，纖維強(qiáng)化層起著承擔(dān)主要荷載的作用，相比于內(nèi)層高密度聚乙烯材料而言，聚酯纖維因其具備較高的剛性而斷裂伸長率較低。在外部壓力作用下，失效主要是由于其變形量超出了聚酯纖維的斷裂伸長率，因此纖維的纏繞角度及排布狀態(tài)等對于保障給水管道的抗壓和抗拉性能具有十分重要的作用。

表2 給水管爆破試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本次研究依托于北方某城市給水管道改造工程，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)研究了纖維增強(qiáng)給水管道的工程性能，主要結(jié)論如下。

(1)纖維增強(qiáng)管保壓能力較強(qiáng)，普通給水管中的最大、最小靜水壓力差0.18MPa，而纖維增強(qiáng)管則僅為0.07MPa。

(2)纖維增強(qiáng)給水管爆破壓力平均值為21.8MPa，而普通給水管爆破壓力的平均值僅達(dá)到16.9MPa，相較于纖維增強(qiáng)給水管下降了22.48%。

(3)受限于試驗(yàn)條件，本次研究僅針對纖維增強(qiáng)管展開抗壓試驗(yàn)與抗爆破試驗(yàn)，下一步應(yīng)當(dāng)增加溫度因素對管道性能的影響研究。