萬研新

摘 要：本文通過對(duì)聚乙烯管道不同溫度下縱向變形量和土壤摩擦力的理論計(jì)算，分析了聚乙烯管道在環(huán)境溫度變化時(shí)發(fā)生縱向變形對(duì)施工的影響和可能帶來的質(zhì)量問題，并針對(duì)這些問題提出了應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：聚乙烯；PE管道；施工變形

中圖分類號(hào)：TU996 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)塑料工業(yè)的發(fā)展，聚乙烯管道以其重量輕，耐腐蝕、韌性好，可熱熔焊接以及低成本等特點(diǎn)，在市政和給水領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在施工中由于對(duì)聚乙烯壓力管道特性認(rèn)識(shí)不夠和缺乏相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)，常發(fā)生施工質(zhì)量問題，其中以管道外環(huán)境溫度變化引發(fā)的管道縱向變形導(dǎo)致管道接口漏水的問題最為棘手且難以找到原因。本文以晝夜溫差較大的戈壁灘某廠區(qū)PE管道施工中發(fā)生的真實(shí)案例來研究分析環(huán)境溫度變化與聚乙烯管道縱向伸縮量的關(guān)系及對(duì)施工帶來的影響。

1 工程實(shí)例介紹

該廠處在沙漠邊緣，全年和晝夜溫差極大，工程主要是對(duì)原老舊鑄鐵管道更換為PE管道。工程5月開工，10月完工，在10月份試運(yùn)行時(shí)發(fā)生了穿越馬路的鋼制套管內(nèi)PE管與鑄鐵管接口處漏水問題，在問題歸零時(shí)我們認(rèn)真查閱了PE管道的相關(guān)資料，結(jié)合施工時(shí)的氣候、故障部位的工程特點(diǎn)，初步判斷是溫差導(dǎo)致PE管道縱向伸縮，使接口松動(dòng)漏水，找到原因后在接口前加裝了波紋補(bǔ)償器，問題得到解決。事后進(jìn)行了模擬理論計(jì)算證實(shí)了判斷的正確性。

2 理論計(jì)算分析

理論計(jì)算時(shí)收集了施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度和土壤特性，結(jié)合PE管道溫度特性對(duì)縱向變形量、縱向受力進(jìn)行了計(jì)算和分析。

2.1 管道縱向溫度變形計(jì)算

通常由溫差引起的縱向變形量按下式計(jì)算：

ΔL=CP×L×Δt

式中：CP——聚乙烯管材線膨脹系數(shù)，m/m℃；ΔL—有溫差產(chǎn)生的縱向變形量，m；Δt—管壁處施工安裝與運(yùn)行使用中的最大溫度差，℃；

Δt=0.65Δts+0.1Δtg

式中：Δts—管道內(nèi)介質(zhì)的最大變化溫度差，℃；Δtg—管道外環(huán)境溫度的最大變化溫度差，℃；

故障發(fā)生當(dāng)月相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)見表1。

通過計(jì)算管道縱向位移為8.45mm，這個(gè)伸縮長(zhǎng)度當(dāng)管道縱向受力足夠大時(shí)，足以將接口拉開導(dǎo)致漏水。

2.2 管道縱向受力計(jì)算

埋設(shè)的PE管縱向方向，主要受到由溫度變化引起的管道軸向力及管壁摩擦力。管道軸向力計(jì)算公式如下：

F=σA

式中：σ——溫度應(yīng)力，MPa；A——管道橫截面積，m2；

其中：

σ=EΔTa

A=（D2-d2）π/4

式中：E——管材彈性模量，MPa，PE管取900 MPa，20℃；ΔT——管道的溫度變化，℃；σ——管道的線膨脹系數(shù)，PE管取0.13mm/（m·℃）；D——管道外徑，m；d——管道內(nèi)徑，m。

故障段PE管外徑200mm，外徑15mm，以此算得管道軸向力為：47490.75N。

由于管道的伸縮而產(chǎn)生的摩擦力與管道上覆土層荷載成正比，其計(jì)算式如下式表示：

f=πNμdL

式中：f——管側(cè)摩阻力，N；μ——摩擦系數(shù)，與管材及土層性質(zhì)有關(guān)；N——管道上正應(yīng)力，Pa；d——管材外徑，m；L——管道計(jì)算長(zhǎng)度，m。

其中：N=γz

式中：γ——管道所處土層的重力密度，kN/m3，一般黏土層取18kN/m3；z——管道中心線至地面的高度，m。

管道埋深1m時(shí)摩擦系數(shù)取0.4，管道長(zhǎng)度25m，計(jì)算得出摩擦力為124344N。

管道軸向力與管壁摩擦力受力方向相反，如果僅考慮PE管受溫度應(yīng)力及管側(cè)摩擦阻力的影響，則管道所受合力為：

F=σA-f

從以上計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)管道長(zhǎng)度為25m時(shí)，其所受管壁摩擦力已遠(yuǎn)大于溫度變化而產(chǎn)生的管道軸向力，即F<0。這就表示在一般情況下，PE管的溫度變化所產(chǎn)生管道軸向變形完全可以被管壁摩擦力所限制，但在工程實(shí)際運(yùn)用中，管道軸向拉力大于摩擦力的情況時(shí)有發(fā)生，如本工程實(shí)例中管道是穿越過路套管的，沒有覆土，管道摩擦力遠(yuǎn)小于軸向拉力，由于PE管道是熱熔連接的，所以對(duì)于PE管道部分來講可以認(rèn)為是一體的，那么PE法蘭以后安裝的套筒連接的部位就成了最薄弱點(diǎn)，由于當(dāng)月溫差較大，與PE法蘭連接的PE管道發(fā)生軸向伸縮產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致套筒連接處發(fā)生松動(dòng)從而漏水。

3 軸向力大于摩擦力的情況分析

根據(jù)實(shí)地勘測(cè)及工程經(jīng)驗(yàn)，管道軸向力大于摩擦力發(fā)生位移致使接口松動(dòng)漏水的情況有如下幾種：

3.1 PE管道穿越套管

在穿越馬路等不便于經(jīng)常開挖的地帶或者為了增加承重減少對(duì)PE管的壓力，時(shí)常預(yù)先敷設(shè)直徑較大的鋼制套管，施工時(shí)將PE管拖入即可。由于套管內(nèi)PE管四周沒有覆土，管道只是底部與套管接觸，受到摩擦力遠(yuǎn)小于管道軸向力，當(dāng)溫差較大時(shí)易發(fā)生縱向伸縮。

3.2 管道敷設(shè)在河底或者沼澤地帶

PE管道柔韌性較好，可以直接穿越河底或者沼澤地敷設(shè)，由于水的存在使得回填土摩擦力很小，管道所受軸向力將大于摩擦力，管道周圍環(huán)境溫差較大時(shí)，將發(fā)生縱向伸縮。

3.3 定向鉆進(jìn)非開挖敷設(shè)

定向鉆進(jìn)施工技術(shù)是在非開挖的情況下，用定向鉆機(jī)導(dǎo)向儀引導(dǎo)鉆頭穿越土層，在泥漿護(hù)壁的作用下形成土孔，然后拖入PE管，以達(dá)到非開挖敷設(shè)新管道的目的。由于施工工藝的要求，鉆出的孔洞直徑必然大于管道直徑，這樣就使得管道四周的覆土很松散且空隙較多，管道與土壤接觸面小且接觸不緊密，從而使管道所受摩擦力小于管道軸向力。

4 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)上述管道發(fā)生收縮位移原因的分析，可選擇的施工措施有以下3種：

4.1 安裝管道伸縮器

管道伸縮器是管道連接中由于熱脹冷縮引起的管道尺寸變化給予補(bǔ)償?shù)倪B接件。施工中，根據(jù)管段長(zhǎng)度，土壤特點(diǎn)，管溝形式，管道連接方式等設(shè)計(jì)或選用伸縮器，安裝在PE管道與金屬管道結(jié)合處等容易因溫差而易發(fā)生縱向位移的位置，從而防止管道的熱脹冷縮造成的管體位移，大大降低漏損風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 采用蛇形敷設(shè)

PE管道具有良好的柔韌性，宜采用蛇形敷設(shè)，并可隨地形彎曲敷設(shè)，但允許彎曲半徑須符合相關(guān)規(guī)定。這樣當(dāng)管道環(huán)境溫度變化較大發(fā)生熱脹冷縮時(shí)，管道彎曲部位可自然補(bǔ)償縱向位移量，起到了管道伸縮器的作用，從而避免管道焊口、平插接口或管件等薄弱環(huán)節(jié)因熱脹冷縮而損壞，發(fā)生漏損問題。

4.3 采用錨固裝置

錨固裝置由上部錨固節(jié)和下部錨固支墩組成，錨固節(jié)為帶法蘭鋼制短管，錨固支墩為現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑并預(yù)埋與短管鏈接的固定支架，錨固節(jié)與錨固支墩預(yù)埋鐵件焊接連為一體，兩端通過法蘭與PE管道連接，設(shè)置在管道連接處兩側(cè)，這樣利用錨固支墩的穩(wěn)定性，限制了鋼、塑管道連接處發(fā)生位移，使其不再影響鑄鐵管道接口。

結(jié)語(yǔ)

通過管道軸向力、管壁摩擦力理論計(jì)算，驗(yàn)證了故障發(fā)生的原因，舉一反三，分析了PE管道因溫度變化而發(fā)生縱向位移導(dǎo)致故障的幾種情形，通過安裝伸縮器，采用蛇形敷設(shè)，設(shè)置錨固裝置等措施可有效防止PE管道的漏損事故發(fā)生。

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