非開挖電熔焊對接短管道力學性能試驗研究

司金艷 王光明 王灝

北京市市政工程研究院 100037

引言

近年來，給待修復的地下管道增加內(nèi)襯管的“管中管”非開挖修復技術在借鑒國外技術的基礎上在國內(nèi)工程中開始大量應用，使這一技術逐步走向成熟，《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術規(guī)程》（CJJ／T 210—2014）［1］中已將穿插法、碎（裂）管法技術納入規(guī)范。高密度聚乙烯HDPE管（HDPE管）目前在國內(nèi)許多大型市政管道工程中得到了廣泛的應用，HDPE 是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有良好的耐熱性和耐寒性，化學穩(wěn)定性好，具有較高的剛性和韌性，機械強度好。HDPE管除可采用傳統(tǒng)的開挖方式進行施工外，還可以應用于穿插法和碎（裂）管法等多種非開挖技術進行施工。HDPE 管表面光滑、耐腐蝕，適用于排水管線修復工程，已經(jīng)有一定量的工程應用。經(jīng)工程應用發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有HDPE 短管連接方式的接口僅可承壓、整體性差，需要進行研究改進。

1 施工主要問題分析

1.1 碎（裂）管法

碎（裂）管法施工主要依靠液壓或氣動破碎舊管道后，經(jīng)擴徑頭將新管拉入，工藝適用管徑DN200～DN700。優(yōu)點為管道整體性較好，可以做到不損失管道斷面和微擴徑。缺點是需要占路施工，明挖工作坑，并非完全非開挖修復；施工中需要將管道長距離牽拉，對管材要求較高，易造成新管管材損傷，影響使用；遇到牽引力過大時，需要局部明挖才能完成施工；在地下管線密度較高時，施工對周邊管線存在一定的擾動，施工風險較高。

1.2 穿插法

穿插法利用檢查井作為工作坑，可做到完全非開挖施工，近幾年發(fā)展較快?，F(xiàn)有HDPE 插管內(nèi)襯工藝是將帶有承插接口的HDPE 管短節(jié)逐節(jié)放入檢查井中，在井中進行短管連接，將連接好的新管道插入待修復的舊管道中，在新、舊管道之間進行縫隙灌漿，達到固定襯管的目的。此工藝尤其適用于正在運營中的排水管道的修復。

目前排水管道插管修復工藝采用的管口連接方式均為圖1 中所示的承插口形式。其優(yōu)點在于廠內(nèi)預制加工，現(xiàn)場施工需配套的設備少。缺點是新插入管道較原管道存在一定量的縮徑，影響管道過水斷面。管口之間僅靠承插口連接，兩節(jié)管道之間僅可受壓，承受拉力能力差，連接剛性不足，整體性差；承插接口處環(huán)剛度不足，不能承受拉力，實際施工中基本以頂推方式進行，頂推過程中推力過大會使管口徑向變粗，存在卡管風險，遇到管道存在錯口變形時，承插口在外力擠壓作用下分開，出現(xiàn)承插口崩裂現(xiàn)象，管道嚴密性難以得到保障，見圖2。

圖1 插管工法使用的管口形式Fig.1 Nozzle form in insertion method

圖2 穿插法施工后接口開裂Fig.2 Cracking of interface

2 短管環(huán)形網(wǎng)片電熔對接技術

2.1 HDPE管材熱熔技術分析

根據(jù)大量工程的實際調(diào)研和需求分析，HDPE管材可較好地應用于排水管道非開挖短管穿插管法短管連接。熱熔焊接是將HDPE 管端截面，利用加熱熔融后相互對接融合，經(jīng)冷卻固定連接在一起的方法。其焊接原理是：當材料加熱到超過其熔融溫度后，變成粘滯流體，在焊接壓力作用下，大分子相互擴散，產(chǎn)生范德華作用力，從而牢固的焊接在一起，基本工藝過程分為三個階段：加熱、熔合和冷卻。通常采用電熔電焊面來加熱管端，使其熔化，迅速將其粘合，保持有一定的壓力，經(jīng)冷卻后達到焊接的目的。與焊接直接有關的參數(shù)主要有：溫度、時間、壓力。

熱熔焊接相關技術在國內(nèi)外燃氣和給水管道中應用已較為成熟，相關的《塑料管材和管件聚乙烯（PE）管材／管材或管材／管件熱熔對接組件的制備》（GB／T 19809—2005／ISO11414：1996）［2］、《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》（CJJ 63—2008）［3］、《聚乙烯（PE）管材和管件熱熔對接接頭拉伸強度和破壞形的式的規(guī)定》（GB／T 19810—2005／ISO 13953：2001）［4］等技術規(guī)范規(guī)定了熔接過程工藝參數(shù)、管材焊接壓力、吸熱時間和冷卻時間等參數(shù)，以及熱熔焊接的質量檢測方法等。

熱熔對焊連接優(yōu)點為操作簡單，缺點是管節(jié)對口操作時無子口約束，熱熔過程中易滑移，對中性差，造成對接焊口出現(xiàn)質量缺陷，且對焊連接按規(guī)范要求，焊接后需形成一定的翻邊，外翻邊侵占舊有管道截面空間，使得插管直徑縮小，影響有效通過面積；內(nèi)翻邊在管內(nèi)形成隆起，破壞內(nèi)壁光滑性，影響水流流速，易產(chǎn)生淤積。HDPE管道熱熔對接焊縫外觀及缺陷典型樣品見圖3。

圖3 HDPE 管道接熔對接焊縫外觀及缺陷典型樣品Fig.3 Typical samples of appearance and defects of pipeline fusion butt welds

2.2 短管環(huán)形電熔片接頭工藝設計

HDPE管接頭工藝設計的需求如下：（1）管節(jié)對口處應加以子口約束，便于管節(jié)快速精準對正；（2）接口抗拉強度不低于原管材，受拉能力強；（3）接口處環(huán)剛度大于原管道的環(huán)剛度，避免接口薄弱，出現(xiàn)斷層和縫隙；（4）保證電熔接口的密閉性、耐久性、正圓性；（5）減小管口熔接后形成的類似翻邊的凸起，保證向外不侵占舊有管道截面空間，盡量增大有效通過面積；向內(nèi)不在管內(nèi)形成隆起，保證內(nèi)壁光滑性，不影響水流流速；（6）熔接電壓采用安全電壓，嚴格控制熔接電流及熔接時間，保證井下潮濕環(huán)境下的有限空間作業(yè)安全。

針對實際工程需求和電熔原理來設計短管連接電熔片，管口截面除承插坡口外，剩余的十幾毫米左右厚度加工為環(huán)型平面，在插口一側的平面上預置一次性電熔網(wǎng)片。經(jīng)大量對比試驗，最終確定的電熔網(wǎng)片采用06cr19Ni10 耐腐防銹鎳鉻合金材料，不同管徑、壁厚的管材相應選擇0.5mm～1mm范圍不同厚度的板材。

環(huán)形電熔網(wǎng)片布設于管節(jié)環(huán)切截面中部，與管內(nèi)壁側間隔著寬、高約為1／5 管材壁厚的承插坡口，與管外壁側留約占1／10 管材壁厚的空余。承插坡口對應管節(jié)環(huán)切截面的面積占比約為20%，電熔網(wǎng)片相應占比約70%。

電熔焊接過程中，熔體向管內(nèi)壁側的流動被承插口隔開，向管外壁側的流動也被未電熔的空余部分阻隔，因此形成的焊口在管外側幾乎無外翻凸起，不會侵占舊有管道截面空間，能最大程度增加插管口徑，減小對修復后有效通過面積的影響；在管內(nèi)幾乎無隆起，保證管節(jié)間焊口表面光滑，避免對水流流速的影響。電熔標準管節(jié)的具體結構型式見圖4、圖5。

圖4 電熔網(wǎng)片接口示意Fig.4 Schematic diagram of the interface of electric fusion mesh

圖5 電熔標準管節(jié)接口結構Fig.5 Interface structure of electric fusion standard pipe joint

3 電熔接頭試驗

3.1 試件制作

根據(jù)對《塑料管材和管件聚乙烯（PE）管材／管材或管材／管件熱熔對接組件的制備》（GB／T 19819—2005／ISO 11414：1996）［2］規(guī)范熔接過程參數(shù)的改進，經(jīng)過大量管材試驗確定電熔工藝參數(shù)見表1。

表1 短管電熔參數(shù)Tab.1 Short tube electrofusion parameters

試件制作過程如下：（1）首先將加工好的標準管節(jié)放置在可調(diào)固定底座上調(diào)整固定，插口側朝上；（2）將電熔網(wǎng)片放置在管節(jié)環(huán)切截面上，網(wǎng)片內(nèi)徑與承插坡口的外徑一致，可快速準確地布置好；（3）將隔熱保護墊環(huán)（與所制作的標準管節(jié)管徑相配套的）放置在電熔網(wǎng)片上方；（4）操作加載油缸伸出，使加載壓板與隔熱保護墊環(huán)接觸，此時不施加加載壓力；（5）連接電熔焊機向電熔網(wǎng)片供電的電纜，以電熔網(wǎng)片安裝的工藝參數(shù)向電熔網(wǎng)片供電，同時施加預設的加載壓力，完成電熔網(wǎng)片的預置安裝，加載壓力由壓力傳感器控制液壓動力站實現(xiàn)閉環(huán)控制。電熔對接試件的制作見圖6。

圖6 試件制作Fig.6 Preparation of test pieces

3.2 拉伸強度極限承載力試驗

選取DN315、DN400、DN500 三種管徑，每組管徑3 個試件。管材材質選取HDPE100，環(huán)剛度SN8。根據(jù)《聚乙烯（PE）管材和管件熱熔對接接頭拉伸強度和破壞形式的規(guī)定》（GB／T 19810—2005／ISO 13953：2001）［4］進行拉伸強度極限承載力試驗。測量管材壁厚、直徑等幾何參數(shù)，將試樣固定在拉伸試驗機夾具上，并保證施加于試樣的力垂直于對熔焊縫，夾具以（5 ±1）mm／min速度運動，對試樣施加拉力。記錄拉伸過程中施加的拉力，直到試樣完全破壞，試驗結果見表2。

表2 承載力試驗結果Tab.2 Test results of bearing capacity

由表2 可知電熔接頭破壞特征均為韌性破壞，各組接頭試件中，拉伸強度的最小值為22.6MPa，全部大于規(guī)范對原材料要求的21MPa。

圖7 為管材直徑DN315 的三個試件的荷載位移曲線，試件在荷載作用下經(jīng)歷了變形隨荷載增加逐步增大的彈性階段、變形持續(xù)增大而荷載降低的屈服階段，最后進入荷載不再變化而變形迅速擴大的塑性極限狀態(tài)后最終破壞。

圖7 荷載位移曲線Fig.7 Load displacement curve

圖8 為電熔接頭承載力試驗加載方式及試件最終破壞形態(tài)，可見最終破壞主要發(fā)生于夾具與試件連接處，電熔接頭處未發(fā)生明顯破壞，表明其熔接效果良好。接頭拉伸強度大于母材強度，可以等同為一整體管道受力。

圖8 承載力試驗Fig.8 Bearing capacity test

3.3 環(huán)剛度試驗

根據(jù)《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測定》（GB／T 9647—2015）［5］用兩個相互平行的平板對一段水平放置的管材以恒定速率在垂直方向進行壓縮（圖9），以管材直徑方向變形量為3%的荷載計算環(huán)剛度。由表3 可知原管材環(huán)剛度級別為SN8級，電熔熔接后各組試件接頭環(huán)剛度較原管材提高1.94%～3.31%，滿足規(guī)范要求。

表3 電熔接頭環(huán)剛度試驗結果Tab.3 Test results of ring stiffness

圖9 環(huán)剛度試驗Fig.9 Ring stiffness test

3.4 電熔接頭嚴密性試驗

為檢驗電熔接頭的嚴密性按《給水聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)》（GB／T 13663.1—2017）［6］要求進行靜壓強度測試，結果表明，電熔接頭在試驗溫度80℃，試驗壓力5MPa 靜水壓作用下，經(jīng)1000h的試驗，接頭處無破壞、無滲漏。排水管道水溫一般不會超過40℃，因此接頭嚴密性滿足使用要求。

4 工程應用

海淀南路配套污水管線修復工程，位于海淀南路與海淀中街路交叉丁字路口西側，在運營內(nèi)徑DN500 污水管，長度45m，覆土深約4m，管材為C30，壁厚60mm，管道內(nèi)底部淤泥深約5cm，內(nèi)壁腐蝕，附著雜物。部分管道存在10mm～30mm錯口，施工難度大。實際現(xiàn)場施工時，為保證管道整體性，提高管節(jié)對接精度，施工中采用可調(diào)的正圓對中裝置進行管節(jié)對接操作，并在熱熔過程中起到限位作用，以保證管節(jié)對中的準確性，避免熱熔過程中管節(jié)接口的滑移，保證熱熔焊接管口的熱熔焊接質量及接口圓度。見圖10。

圖10 管節(jié)對焊工藝示意及正圓對中裝置Fig.10 Schematic diagram of pipe joint butt welding process and circular centering device

管道經(jīng)清淤后進行施工，新插入管道由于電熔接口技術應用大大提高了管道整體性，6 小時完成45m施工，目前運行效果良好。

5 結語

本文通過對比分析穿插法、碎（裂）管法施工存在的主要問題，提出環(huán)形網(wǎng)片電熔短管對接技術，進行電熔接頭工藝設計，開展電熔接頭拉伸強度、環(huán)剛度、嚴密性等試驗，并進行工程應用。標準化加工、預制的電熔標準管節(jié)，施工更加安全可靠，施工后的管道內(nèi)、外側無凸起，不侵占舊有管道截面空間且管道內(nèi)壁表面光滑?？偨Y如下：

1.環(huán)形網(wǎng)片電熔連接接頭拉伸強度、環(huán)剛度、嚴密性能滿足達到規(guī)范要求的指標；

2.采用環(huán)形網(wǎng)片電熔技術施工，可有效解決短管承插口連接承拉能力差、環(huán)剛度不足等難題，插管整體性強，可牽引、頂推施工，增強了穿插法、碎（裂）管應用范圍，能較好地保證工程質量，減少施工風險。