于美明,李記恒,宗留佳
(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,長(zhǎng)春130021;2.北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處,北京100195;3.中建三局集團(tuán)有限公司(北京),北京100097)
高密度聚乙烯管道是一種綠色新型環(huán)保管道,與其他傳統(tǒng)管道(如:PCCP、DIP、鋼管等)相比,具有良好的耐腐蝕、密度低、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、便于施工與安裝等優(yōu)點(diǎn)。
邢清干渠南宮干線和衡水市南水北調(diào)配套工程第14標(biāo)、15標(biāo)均采用了高密度聚乙烯管道,其中,南宮干線長(zhǎng)44km,采用DN1200、DN1400輸水管道,輸水流量0.85~1.1m3,設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力0.6MPa。為確保管道安全運(yùn)行,大口徑長(zhǎng)距離高密度聚乙烯輸水管道在通水前,需對(duì)管道的密閉性進(jìn)行水壓試驗(yàn)。
大口徑長(zhǎng)距離的高密度聚乙烯輸水管道在我國(guó)首次應(yīng)用,且相關(guān)的水壓試驗(yàn)及施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍處于空白。因此,本文結(jié)合南宮干線高密度聚乙烯輸水管道工程,選取300m試驗(yàn)段對(duì)管道進(jìn)行水壓試驗(yàn),并根據(jù)相關(guān)資料建立管道水壓試驗(yàn)有限元模型,模擬高密度聚乙烯輸水管道在水壓試驗(yàn)不同時(shí)刻時(shí)的變形率情況。
回填方式可按照管道回填墊層15cm為中粗砂,其余全部原土回填至管頂50cm。管道回填方式如圖1。
圖1 管道回填示意圖
高密度聚乙烯輸水管道在進(jìn)行水壓試驗(yàn)之前應(yīng)通水浸泡不少于12h,同時(shí)對(duì)尚未回填的管道各個(gè)閥門連接點(diǎn)進(jìn)行全面檢查,若發(fā)現(xiàn)滲水應(yīng)立即采取措施排除。
水壓試驗(yàn)選取300m段進(jìn)行,該段包括閥件、鋼塑轉(zhuǎn)化接頭、彎頭、三通、熱熔、電熔管件等所有連接部件。試驗(yàn)壓力設(shè)置為0.8MPa。
管道水壓試驗(yàn)可分為兩個(gè)階段,分別為:預(yù)水壓試驗(yàn)和主水壓試驗(yàn)。
1.2.1 預(yù)水壓試驗(yàn)
(1)首先使高密度聚乙烯試驗(yàn)管道中的壓力與外界大氣壓相同,同時(shí)維持1h禁止外界空氣流入管內(nèi)。
(2)用增壓泵措施向水壓試驗(yàn)管道段注入凈水,將管內(nèi)壓緩慢上升至試驗(yàn)壓力,并維持試驗(yàn)壓力30min,若發(fā)現(xiàn)管道壓力有下降趨勢(shì),應(yīng)立即采取措施注水補(bǔ)壓,但補(bǔ)壓不應(yīng)高于試驗(yàn)壓力。在試壓期間應(yīng)對(duì)管道的接口、各個(gè)連接部件進(jìn)行檢查有無(wú)滲漏現(xiàn)象,若發(fā)現(xiàn)滲水,應(yīng)立即停止試壓,查明原因并采取相應(yīng)措施后繼續(xù)試壓。
(3)停止補(bǔ)壓注水并維持1h壓力,當(dāng)1h下降的壓力不大于試驗(yàn)壓力的70%,則可結(jié)束預(yù)水壓試驗(yàn)。若大于試驗(yàn)壓力的70%,應(yīng)重新注入凈水補(bǔ)充管壓,并同樣穩(wěn)壓1h后再進(jìn)行觀察,直至管道壓力小于試驗(yàn)壓力的70%。
1.2.2 主水壓試驗(yàn)
(1)結(jié)束預(yù)水壓試驗(yàn)后,應(yīng)立即將管道進(jìn)行泄水降壓,降壓量為試驗(yàn)水壓的0.68~0.72MPa(即試驗(yàn)水壓的10%~15%)。在降壓期間應(yīng)計(jì)量出管道泄水量,其泄水量可設(shè)為△V。
允許泄出的最大水量△Vmax按照式(1)計(jì)算:
式中 V為試驗(yàn)水壓管道的總?cè)莘e(L);△P為泄水時(shí)的降壓量(MPa);Ew為凈水的體積模量;Ep為高密度聚乙烯管材的彈性模量(MPa);di為高密度聚乙烯管材的內(nèi)徑(m);en為高密度聚乙烯管材的公稱壁厚(m)。
當(dāng)降壓時(shí)的泄水量△V與△Vmax相比,若大于最大泄水量,則應(yīng)立即終止試壓,采取相應(yīng)措施將高密度聚乙烯管內(nèi)空氣排凈,然后再?gòu)念A(yù)水壓試驗(yàn)步驟2開(kāi)始試驗(yàn);反之則應(yīng)繼續(xù)下一步驟。
(2)每隔3min記錄一次高密度聚乙烯管道的水壓力,連續(xù)記錄30min。若在此期間內(nèi)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)的水壓力有持續(xù)上升的趨勢(shì),則說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果合格。
(3)若30min期間管道內(nèi)的剩余水壓沒(méi)有上升的趨勢(shì),應(yīng)繼續(xù)觀察1h,若90min期間管道水壓下降不大于0.02MPa,則可判定水壓試驗(yàn)合格。
(4)當(dāng)兩條規(guī)定均不能滿足,則判定水壓試驗(yàn)失敗,最后應(yīng)立即檢查原因采取相應(yīng)的措施后再進(jìn)行試壓。
高密度聚乙烯管材是一種熱塑性材料,管材本身具有受壓發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛的特性。與傳統(tǒng)性材料(如DIP、鋼管等)管道不同,水壓試驗(yàn)過(guò)程中,聚乙烯管材發(fā)生蠕變會(huì)導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)壓力呈連續(xù)下降趨勢(shì)。由于試壓期間溫度變化相對(duì)較小,所以壓力波動(dòng)不大。高密度聚乙烯管材的黏彈性、受壓蠕變及膨脹、失壓收縮等特性,壓力試驗(yàn)時(shí)這些特性均有所表現(xiàn)。因此,應(yīng)充分理解高密度聚乙烯管道在壓力試驗(yàn)期間的壓力下降現(xiàn)象,充分考慮到壓力下降并不一定意味著管道有泄漏。
水壓模型的建立,結(jié)合水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,在建立完成回填模型的基礎(chǔ)上加入管道內(nèi)水壓力,模擬加壓過(guò)程,涉及到需要改變的內(nèi)容包括荷載、荷載出現(xiàn)時(shí)間等,這些內(nèi)容將通過(guò)有限元軟件中的荷載、時(shí)間函數(shù)和時(shí)間步等功能進(jìn)行設(shè)定。
水壓試驗(yàn)階段加壓時(shí)間后的時(shí)間函數(shù)如表1。
增壓時(shí)間基本與水壓試驗(yàn)基本保持一致,水壓通過(guò)有限元軟件中的Pi高密度聚乙烯Internal Pressure功能設(shè)定,管道設(shè)計(jì)工作壓力0.6MPa,實(shí)際工作壓力0.8MPa,水壓試驗(yàn)最大壓力0.8MPa,模擬過(guò)程從0.4MPa加壓至0.9MPa,每隔12h加壓0.1MPa。
表1 生死單元與時(shí)間函數(shù)
2.2.1 200 h時(shí)模型豎直方向位移
加壓至0.4MPa后,模型豎直位移變化最小的部分出現(xiàn)在溝槽兩側(cè)和底部,此部分因?yàn)楣探Y(jié)已經(jīng)較好,而且距離管道較遠(yuǎn),基本不受水壓試驗(yàn)影響。管道左右兩側(cè)和底部都受到固定端約束,而上部?jī)H有50cm回填原土,當(dāng)管道受壓發(fā)生膨脹時(shí),管頂位移最為明顯,受管道的頂托作用影響,模型的最大變形也出現(xiàn)在管頂上方范圍;管道膨脹時(shí),擠壓管道下方回填的中粗砂,致使下方中粗砂出現(xiàn)向下的微小位移。
管道的最大最小位移都在豎直方向,管道上方僅有50cm土荷載,所管頂出現(xiàn)較大位移16.54mm,管道底部有150mm的中粗砂墊層,墊層下方原土固結(jié)較好,管底位移變化不大,豎直位移變化最大的區(qū)域集中在管頂。
2.2.2 200 h時(shí)管道豎直方向的受力
由于管道受內(nèi)水壓力發(fā)生膨脹,與管道上方土體發(fā)生更為強(qiáng)烈的擠壓作用,管頂以上回填土由管道和管頂以下的回填土共同支撐,當(dāng)管道發(fā)生膨脹時(shí),下方土體對(duì)上方土體的一部分支撐作用力轉(zhuǎn)移到管道,管土之間的接觸力急劇增大。
2.2.3 200 h時(shí)管道水平方向的位移
管道兩側(cè)出現(xiàn)7.41mm水平最大位移,相對(duì)管頂豎直位移較小,也是因管道兩側(cè)的土體的支撐作用比較明顯。徑向變化14.82mm,與豎直方向徑向變化16.5mm相比,相差不大。
隨水壓增加,管道受力特點(diǎn)不再發(fā)生變化,位移逐漸增大;水平位移因受到兩側(cè)固定端作用,相對(duì)豎直方向而言,其值較小,所以管道變形仍以豎直方向?yàn)橹?。豎直方向的最大位移、徑向變化及管道變形率如表2。
表2 打壓過(guò)程中管道豎直方向變形
模擬加壓至0.9MPa時(shí),管道變形率為2.95%,仍滿足要求。如若再施加一部分土荷載,至382h時(shí),管道變形率減小。所以,回填至地表高程,實(shí)際工作狀態(tài)下,管道內(nèi)水壓力0.4MPa,與管道上方土荷載抵消一部分,管道變形率減小,為0.7%。
在軟件模擬260h打壓到0.9MPa時(shí),管頂豎直方向位移等值線圖最大位移線已經(jīng)移至土層表面,如若管頂50cm土層已經(jīng)固結(jié)或被凍結(jié),可能在土層上方出現(xiàn)裂縫。出現(xiàn)裂縫后,可用原土回填壓實(shí)至設(shè)計(jì)要求。
(1)模型模擬結(jié)果表明:因溝槽底部和兩側(cè)都有固定端約束,模型最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在管頂上方;管道豎直方向最大位移出現(xiàn)在管頂,水平方向最大位移出現(xiàn)在兩側(cè)中心位置。
(2)高密度聚乙烯管道水壓試驗(yàn)增壓至0.9MPa時(shí),發(fā)現(xiàn)管道的變形率為2.95%,模型上方最大位移等值線不閉合,如上層覆土已經(jīng)固結(jié),此時(shí)可能出現(xiàn)裂縫。
(3)隨著土荷載的進(jìn)一步增加至382h時(shí),高密度聚乙烯管道變形率減小,管道在正常工作下變形率為0.7%。
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