司金艷 王光明 王灝

北京市市政工程研究院 100037

引言

近年來(lái)，給待修復(fù)的地下管道增加內(nèi)襯管的“管中管”非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)在借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上在國(guó)內(nèi)工程中開(kāi)始大量應(yīng)用，使這一技術(shù)逐步走向成熟，《城鎮(zhèn)排水管道非開(kāi)挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ／T 210—2014）［1］中已將穿插法、碎（裂）管法技術(shù)納入規(guī)范。高密度聚乙烯HDPE管（HDPE管）目前在國(guó)內(nèi)許多大型市政管道工程中得到了廣泛的應(yīng)用，HDPE 是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹(shù)脂，具有良好的耐熱性和耐寒性，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較高的剛性和韌性，機(jī)械強(qiáng)度好。HDPE管除可采用傳統(tǒng)的開(kāi)挖方式進(jìn)行施工外，還可以應(yīng)用于穿插法和碎（裂）管法等多種非開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行施工。HDPE 管表面光滑、耐腐蝕，適用于排水管線修復(fù)工程，已經(jīng)有一定量的工程應(yīng)用。經(jīng)工程應(yīng)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(jìn)行研究改進(jìn)。

1 施工主要問(wèn)題分析

1.1 碎（裂）管法

碎（裂）管法施工主要依靠液壓或氣動(dòng)破碎舊管道后，經(jīng)擴(kuò)徑頭將新管拉入，工藝適用管徑DN200～DN700。優(yōu)點(diǎn)為管道整體性較好，可以做到不損失管道斷面和微擴(kuò)徑。缺點(diǎn)是需要占路施工，明挖工作坑，并非完全非開(kāi)挖修復(fù)；施工中需要將管道長(zhǎng)距離牽拉，對(duì)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(guò)大時(shí)，需要局部明挖才能完成施工；在地下管線密度較高時(shí)，施工對(duì)周邊管線存在一定的擾動(dòng)，施工風(fēng)險(xiǎn)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(kāi)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(jìn)行短管連接，將連接好的新管道插入待修復(fù)的舊管道中，在新、舊管道之間進(jìn)行縫隙灌漿，達(dá)到固定襯管的目的。此工藝尤其適用于正在運(yùn)營(yíng)中的排水管道的修復(fù)。

目前排水管道插管修復(fù)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(diǎn)在于廠內(nèi)預(yù)制加工，現(xiàn)場(chǎng)施工需配套的設(shè)備少。缺點(diǎn)是新插入管道較原管道存在一定量的縮徑，影響管道過(guò)水?dāng)嗝?。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(shí)際施工中基本以頂推方式進(jìn)行，頂推過(guò)程中推力過(guò)大會(huì)使管口徑向變粗，存在卡管風(fēng)險(xiǎn)，遇到管道存在錯(cuò)口變形時(shí)，承插口在外力擠壓作用下分開(kāi)，出現(xiàn)承插口崩裂現(xiàn)象，管道嚴(yán)密性難以得到保障，見(jiàn)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(kāi)裂Fig.2 Cracking of interface

2 短管環(huán)形網(wǎng)片電熔對(duì)接技術(shù)

2.1 HDPE管材熱熔技術(shù)分析

根據(jù)大量工程的實(shí)際調(diào)研和需求分析，HDPE管材可較好地應(yīng)用于排水管道非開(kāi)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(duì)接融合，經(jīng)冷卻固定連接在一起的方法。其焊接原理是：當(dāng)材料加熱到超過(guò)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(kuò)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(guò)程分為三個(gè)階段：加熱、熔合和冷卻。通常采用電熔電焊面來(lái)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(dá)到焊接的目的。與焊接直接有關(guān)的參數(shù)主要有：溫度、時(shí)間、壓力。

熱熔焊接相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外燃?xì)夂徒o水管道中應(yīng)用已較為成熟，相關(guān)的《塑料管材和管件聚乙烯（PE）管材／管材或管材／管件熱熔對(duì)接組件的制備》（GB／T 19809—2005／ISO11414：1996）［2］、《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》（CJJ 63—2008）［3］、《聚乙烯（PE）管材和管件熱熔對(duì)接接頭拉伸強(qiáng)度和破壞形的式的規(guī)定》（GB／T 19810—2005／ISO 13953：2001）［4］等技術(shù)規(guī)范規(guī)定了熔接過(guò)程工藝參數(shù)、管材焊接壓力、吸熱時(shí)間和冷卻時(shí)間等參數(shù)，以及熱熔焊接的質(zhì)量檢測(cè)方法等。

熱熔對(duì)焊連接優(yōu)點(diǎn)為操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是管節(jié)對(duì)口操作時(shí)無(wú)子口約束，熱熔過(guò)程中易滑移，對(duì)中性差，造成對(duì)接焊口出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，且對(duì)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(guò)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(duì)接焊縫外觀及缺陷典型樣品見(jiàn)圖3。

圖3 HDPE 管道接熔對(duì)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(shè)計(jì)

HDPE管接頭工藝設(shè)計(jì)的需求如下：（1）管節(jié)對(duì)口處應(yīng)加以子口約束，便于管節(jié)快速精準(zhǔn)對(duì)正；（2）接口抗拉強(qiáng)度不低于原管材，受拉能力強(qiáng)；（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(lèi)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(guò)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(yán)格控制熔接電流及熔接時(shí)間，保證井下潮濕環(huán)境下的有限空間作業(yè)安全。

針對(duì)實(shí)際工程需求和電熔原理來(lái)設(shè)計(jì)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(cè)的平面上預(yù)置一次性電熔網(wǎng)片。經(jīng)大量對(duì)比試驗(yàn)，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(yīng)選擇0.5mm～1mm范圍不同厚度的板材。

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

電熔焊接過(guò)程中，熔體向管內(nèi)壁側(cè)的流動(dòng)被承插口隔開(kāi)，向管外壁側(cè)的流動(dòng)也被未電熔的空余部分阻隔，因此形成的焊口在管外側(cè)幾乎無(wú)外翻凸起，不會(huì)侵占舊有管道截面空間，能最大程度增加插管口徑，減小對(duì)修復(fù)后有效通過(guò)面積的影響；在管內(nèi)幾乎無(wú)隆起，保證管節(jié)間焊口表面光滑，避免對(duì)水流流速的影響。電熔標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的具體結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)管節(jié)接口結(jié)構(gòu)Fig.5 Interface structure of electric fusion standard pipe joint

3 電熔接頭試驗(yàn)

3.1 試件制作

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

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

試件制作過(guò)程如下：（1）首先將加工好的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)放置在可調(diào)固定底座上調(diào)整固定，插口側(cè)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(zhǔn)確地布置好；（3）將隔熱保護(hù)墊環(huán)（與所制作的標(biāo)準(zhǔn)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(hù)墊環(huán)接觸，此時(shí)不施加加載壓力；（5）連接電熔焊機(jī)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(shí)施加預(yù)設(shè)的加載壓力，完成電熔網(wǎng)片的預(yù)置安裝，加載壓力由壓力傳感器控制液壓動(dòng)力站實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。電熔對(duì)接試件的制作見(jiàn)圖6。

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

3.2 拉伸強(qiáng)度極限承載力試驗(yàn)

選取DN315、DN400、DN500 三種管徑，每組管徑3 個(gè)試件。管材材質(zhì)選取HDPE100，環(huán)剛度SN8。根據(jù)《聚乙烯（PE）管材和管件熱熔對(duì)接接頭拉伸強(qiáng)度和破壞形式的規(guī)定》（GB／T 19810—2005／ISO 13953：2001）［4］進(jìn)行拉伸強(qiáng)度極限承載力試驗(yàn)。測(cè)量管材壁厚、直徑等幾何參數(shù)，將試樣固定在拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具上，并保證施加于試樣的力垂直于對(duì)熔焊縫，夾具以（5 ±1）mm／min速度運(yùn)動(dòng)，對(duì)試樣施加拉力。記錄拉伸過(guò)程中施加的拉力，直到試樣完全破壞，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 承載力試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度的最小值為22.6MPa，全部大于規(guī)范對(duì)原材料要求的21MPa。

圖7 為管材直徑DN315 的三個(gè)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(jìn)入荷載不再變化而變形迅速擴(kuò)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(yàn)加載方式及試件最終破壞形態(tài)，可見(jiàn)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(qiáng)度大于母材強(qiáng)度，可以等同為一整體管道受力。

圖8 承載力試驗(yàn)Fig.8 Bearing capacity test

3.3 環(huán)剛度試驗(yàn)

根據(jù)《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測(cè)定》（GB／T 9647—2015）［5］用兩個(gè)相互平行的平板對(duì)一段水平放置的管材以恒定速率在垂直方向進(jìn)行壓縮（圖9），以管材直徑方向變形量為3%的荷載計(jì)算環(huán)剛度。由表3 可知原管材環(huán)剛度級(jí)別為SN8級(jí)，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(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 電熔接頭環(huán)剛度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of ring stiffness

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

3.4 電熔接頭嚴(yán)密性試驗(yàn)

為檢驗(yàn)電熔接頭的嚴(yán)密性按《給水聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)》（GB／T 13663.1—2017）［6］要求進(jìn)行靜壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明，電熔接頭在試驗(yàn)溫度80℃，試驗(yàn)壓力5MPa 靜水壓作用下，經(jīng)1000h的試驗(yàn)，接頭處無(wú)破壞、無(wú)滲漏。排水管道水溫一般不會(huì)超過(guò)40℃，因此接頭嚴(yán)密性滿(mǎn)足使用要求。

4 工程應(yīng)用

海淀南路配套污水管線修復(fù)工程，位于海淀南路與海淀中街路交叉丁字路口西側(cè)，在運(yùn)營(yíng)內(nèi)徑DN500 污水管，長(zhǎng)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(cuò)口，施工難度大。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，為保證管道整體性，提高管節(jié)對(duì)接精度，施工中采用可調(diào)的正圓對(duì)中裝置進(jìn)行管節(jié)對(duì)接操作，并在熱熔過(guò)程中起到限位作用，以保證管節(jié)對(duì)中的準(zhǔn)確性，避免熱熔過(guò)程中管節(jié)接口的滑移，保證熱熔焊接管口的熱熔焊接質(zhì)量及接口圓度。見(jiàn)圖10。

圖10 管節(jié)對(duì)焊工藝示意及正圓對(duì)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(jìn)行施工，新插入管道由于電熔接口技術(shù)應(yīng)用大大提高了管道整體性，6 小時(shí)完成45m施工，目前運(yùn)行效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比分析穿插法、碎（裂）管法施工存在的主要問(wèn)題，提出環(huán)形網(wǎng)片電熔短管對(duì)接技術(shù)，進(jìn)行電熔接頭工藝設(shè)計(jì)，開(kāi)展電熔接頭拉伸強(qiáng)度、環(huán)剛度、嚴(yán)密性等試驗(yàn)，并進(jìn)行工程應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)化加工、預(yù)制的電熔標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，施工更加安全可靠，施工后的管道內(nèi)、外側(cè)無(wú)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(jié)如下：

1.環(huán)形網(wǎng)片電熔連接接頭拉伸強(qiáng)度、環(huán)剛度、嚴(yán)密性能滿(mǎn)足達(dá)到規(guī)范要求的指標(biāo)；

2.采用環(huán)形網(wǎng)片電熔技術(shù)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(qiáng)，可牽引、頂推施工，增強(qiáng)了穿插法、碎（裂）管應(yīng)用范圍，能較好地保證工程質(zhì)量，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。