聚乙烯管材 (以下简称PE管) 因其诸多优点, 被广泛地应用于给排水管道工程中。然而, 在实际给水工程中, PE管的漏损事故却常有发生, 其中以PE管与金属管连接处发生的漏损事故最为突出, 主要表现为接口处有较大的位移导致脱落。经过调查, 主要原因为PE管因受环境温度变化而产生收缩变形。本文就给水工程中PE管的温差变形进行相关应力分析并提出相关应对措施。

埋设的PE管纵向方向, 主要受到由温度变化引起的管道轴向力及管壁摩擦力。

由于温度变化引起管道轴向力, 计算如式 (1) 表示。

式中σ———温度应力, MPa;

A———管道横截面积, m²。

式中E———管材弹性模量, MPa, PE管取900MPa, 20℃;

ΔT———管道的温度变化, ℃;

а———管道的线膨胀系数, PE管取0.15mm/ (m·℃) ;

D———管道外径, m;

d———管道内径, m。

管壁摩擦力与管道轴向力方向相反。由于管道的伸缩而产生的摩擦力与管道上覆土层荷载成正比, 其计算式如式 (4) 表示:

式中f———管侧摩阻力, N;

μ———摩察系数, 与管材及土层性质有关;

N———管道上正应力, Pa;

d———管材外径, m;

L———管道计算长度, m。

式中γ———管道所处土层的重力密度, kN/m³, 一般粘土层, 取18kN/m³;

z———管道中心线至地面的高度。

根据式 (1) ~式 (5) , 当温度为30℃时, PE管产生的温度应力σ=4.05 MPa。PE管所受的管道轴向力, 如表1所示。

PE管一般埋设深度为1.0m, 非开挖中的管道埋设深度更深, 部分管道甚至达到10m以下。考虑较不利情况, 当管道埋深取为1.0 m, 填土采用粘土, PE管与粘土层的摩擦系数可取为0.40, 管道长度分别为1m、6m、12m, 24m时, 管壁摩擦力, 如表2所示。

因温度变化对PE管产生的管道轴向力与管壁摩擦力受力方向相反, 如果仅考虑PE管受温度应力及管侧摩擦阻力的影响, 则管道所受合力见式 (6) 。

根据表1、表2中相关数据的比较, 当管道长度为24m时, 其所受管壁摩擦力已远大于温度变化而产生的管道轴向力, 即F<0。

这就表示在一般情况下, PE管的温度变化所产生管道轴向变形完全可以被管壁摩擦力所限制, 但在工程实际运用中, 事实并非如此, 特别是在水平定向钻进技术中的应用中, 聚乙烯管道的轴向回缩现象屡见不鲜。冬季冷高峰到来之后, 易发生管道漏损, 且PE管产生较大的伸缩位移, 致使管道接口发生脱落或损坏。

根据实地勘测及工程经验, 管道位移致使接口发生脱落的原因有以下4点:

(1) 理论摩擦系数的取值过大。摩擦系数是计算管侧摩擦阻力的基础数据, 上述计算摩擦系数选用的是粘土理论值0.4, 该数值偏大。因为实际应用中摩擦系数除了与回填砂土、管道外壁的物理性质有关外, 还受到施工中回填砂土的夯实程度、管道伸长量、周边介质温度、压力等的影响。而且因为PE非开挖管段施工的工艺要求, 管道水平定向钻进孔径必定大于管道外径, 再加上施工过程中因钻头、清孔等相关因素导致孔径增加, 致使PE非开挖管段拖拉后其周边土体无法达到原有密实要求, 因此, 实际工程中未必能对管道进行全包裹, 导致摩擦系数值大大降低。

(2) PE管管材特性的影响。根据PE管的特性, 在受力状态下, 其聚合物分子变形和重排不可能瞬间完成, 而是具有逐步完成的性质。因此在一定温度下, 分子变形要达到与外力相适应的平衡状态, 中间有一个松弛过程, 由于松弛过程的存在, 使聚乙烯管的变形往往要落后于所受应力的变化, 产生“弹性滞后效应”。根据非开挖管段施工的工艺, 聚乙烯管受拉由一端拖拉至另一端, 其间管道因受设备拉力与自重、土体间摩擦共同作用势必产生纵向变形伸长, 根据“弹性滞后效应”在非开挖管段两侧没有锚固的情况下, 该纵向变形伸长会在一定时间过程内回缩, 而现场施工往往在聚乙烯管拖拉后就进行了后续施工相接管道, 没有给予管道一个松弛的应变过程, 故使PE管在使用过程中所受应力还需考虑弹性滞后效应的相关影响。

(3) 管道自重的影响。非开挖管段施工完成后, 因受钻头扩孔、清孔及拖拉挤压等原因, 其管道周边土体并非原状土, 随着管道试压试验、通水使用时间以及地震、地陷的影响, 其管道整体会产生局部自然沉降, 致使管道两端产生向中心位置的收缩, 而导致接口损坏或脱落。

(4) 施工条件影响的因素。非开挖管段施工因其工艺特点, 其入土及出土段有一定角度, 一般角度在8~15°, 个别因作业面条件的限制可能达到20°或者更大, 当聚乙烯管道出土后再与其他直埋段管材相接时, 一般有一段借平距离, 如图1所示。根据施工经验, 不同管径PE管一般借平距离为1.5~6m (管径由小到大) 。如果借平距离过短, PE管一旦发生伸缩变形, 其接口就会受到与直埋管道水平方向成一定角度的拉力, 因该角度拉力部分分解成竖向力, 使接口端向上翘起, 往往会导致脱落或损坏。

针对上述PE管道发生收缩位移原因的分析, 可选择的施工措施有以下4种:

(1) 安装伸缩节。伸缩节又称伸缩器, 它具有一定范围内自由伸缩和微量角变位及较好密封性能, 安装伸缩节后, 当管道遇热膨胀或者遇冷收缩的时候具有一定的补偿保护作用, 从而保护管道接口的完整性。但一般工况条件下, 聚乙烯管道出土后先利用钢管复平, 再安装伸缩节 (或加长式伸缩节) 以连接球墨管道, 保障伸缩节能足够地释放轴向的管道形变量。该方法在目前使用较为普遍, 如图2所示。

(2) 使用防脱滑橡胶圈。防脱滑橡胶圈是把一定数量的钢齿分布固定在橡胶圈内, 使其可以产生摩擦力抗拒轴向拉力, 防止管道脱滑。在PE管与直埋段球墨或钢管连接时采用防脱滑橡胶圈, 当PE管收缩时, 由于摩擦力的作用, 胶圈前端球头部位变形向外挤压, 致使防脱滑钢齿往里翘起, 从而大大增加了钢齿与插口端的阻力, 致使钢齿咬紧接口, 起到良好的防脱滑作用。当PE管与球墨管通过防脱滑橡胶圈形成一个不可拉开的整体时, PE管道收缩变形所产生的应力就完全可以被直埋段球墨管管侧摩阻力全部抵消 (球墨管因其弹性模量远大于PE管, 故其温度应力变形可以忽略不计) , 见图3。根据其公司提供的相关数据, 防脱滑橡胶圈拔脱力是一般普通橡胶圈的10~12倍, 一般达到130~150kN, 其使用个数可根据连接处PE管的温度应力除以单位长度球墨管管侧摩阻力除以单节球墨管长度得出。

(3) 使用钢管刚性连接。PE管两端使用钢管与其刚性连接, 利用钢管良好的伸缩性及管壁摩阻力来抵消PE管温度变形应力。但因增加了管材种类及还需做好钢管防腐处理, 一般不建议使用。

(4) 使用限制性支架 (锚固接) 。在管道连接处两侧各设置一支架, 以限制钢、塑管道连接处发生位移。限制性支架分为固定支架、限位支架和导向支架。固定支架限制了3个方向的线位移和3个方向的角位移;限位支架限制了2个方向的线位移;导向支架限制了1个方向的线位移。为防止管道连接处发生脱落, 必须限制其发生线位移和角位移, 故支架型式只能选择固定支架 (以下称锚固接) , 并将在下文重点介绍其受力分析及应用方法。

锚固接连接示意见图4, 锚固接由上部锚固接和下部锚固支墩组成, 锚固接为球墨铸铁材质, 锚固支墩为现场混凝土浇筑并预埋安装固件, 锚固接通过安装方式与锚固支墩连接为一体。锚固接因其作为一个固定支点, 完全限制了3个方向的线位移和3个方向的角位移, 将其两端的管道各种变形和应力变化完全分离开来。锚固接的应用可以减少其他管材或管件的使用, 降低施工及养护成本, 并且通过锚固接及锚固底座的作用抵消PE管道的形变应力, 使其不再影响球墨管道接口。

以上措施中, 伸缩节、防脱胶圈以及钢管刚性连接的措施已得以广泛使用, 锚固接作为一种新型应对措施, 目前正逐步得到推广。

通过管道轴向力、管壁摩擦力理论及算例分析, 理论结果与实际工程产生较大偏差。分析管道位移致质接口发生脱落的原因, 主要是理论摩擦系数取值过大, PE管管材特性的影响, 管道自重的影响以及施工条件影响等因素。通过安装伸缩节, 使用防脱滑橡胶圈、钢管刚性连接和限制性支架可有效防止PE管道的漏损事故发生。