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钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的工程设计与连接技术 |
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作者：吴精华 陈绍江 蒯一希 |
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近年来，钢带增强聚乙烯螺旋波纹管呈显高速发展的势态，广泛应用于排污水和排雨水的工程。本文详细介绍了这种管材的工程设计，以及其连接技术和质量控制要点。
埋地排水用钢带增强聚乙烯螺旋波纹管(以下简称“MRP管”)，是一种把钢和聚乙烯的优势整合为一体的钢塑复合管。近年来，在中国政府大力治理水环境、建设节约型可持续发展社会的大政方针指引下，中国塑料埋地排水管得到非常迅猛的发展，MRP管呈显出高速发展的势态，在很多地区已广泛应用于排污水和排雨水的工程。MRP管工程技术规程(CECS 223-2007)对这种产品的广泛应用起到了指导作用，生产MRP管的设备也得到了发展和提高。四川金石东方新材料设备有限公司（以下简称“金石东方”）已为国内提供了200余套生产MRP管的设备，并已出口到意大利、土耳其、以色列、苏丹和俄罗斯等较发达国家近20套设备；而MRP管材产品也已出口到非洲等地区。
为了即时总结经验，如今《埋地排水用钢带增强聚乙烯螺旋波纹管CJ/T 225-2006产品标准》的不足之处已得到了修正, 建设部颁布了MRP管CJ/T 225-2011版，调整了产品的部份结构，增加了平面端口形式的管材及其连接方式；进一步提高了对原料聚乙烯和专用粘接树脂的指标要求；为进一步确保管材在恶劣腐蚀环境下的安全运行，增加了耐强腐蚀的镀锌钢带等。在此探讨一下MRP管的工程设计和连接技术。
MPR管的工程设计
在工程设计方面，过去在国内，MRP管的环截面强度计算没有现成的计算方法，因此在编制MRP管CECS 223-2007规程时，编制组参照美国的相关资料，导出了这种管道的环截面强度计算公式。 聚乙烯排水管的允许直径变形率，在美国及欧洲的有关资料中都规定不大于7.5%，而编制组按中国GB50332-2002《给水排水工程管道结构设计规范》中不大于5%的规定来确定这一数值。在中国，由于排水管外径不统一，而管道内径相对统一和便于测量，故MRP管材的允许直径变形率选用管道内径。
另一方面，相对外径而言，采用内径对MRP管的允许直径变形率的控制也更加严格了。
MRP管在工程设计上，采用以概率理论为基础的极限状态设计法，按两种极限状态进行计算：一是承载能力极限状态(包括环截面强度计算、压屈失稳计算和抗浮计算)；二是正常使用极限状态(环截面变形验算) 。
另外，将MRP管按柔性管道计算，由于钢带和聚乙烯这两种材料在弹性模量上存在200多倍的巨大差异，即在同样的变形条件下，管道的受力钢带起着决定性的作用。因此，在环截面强度计算中仅考虑钢带而忽略聚乙烯的作用，这样使计算既简单又安全。
1. 管道环截面强度计算
（1）管道环截面强度计算应按荷载基本组合进行计算，取设计值；
（2）钢带最大环截面压应力设计值不大于钢带抗压强度设计值，即：
Υ0σ≤ƒy
式中σ——钢带最大环截面压应力设计值（MPa）；
Υ0——管道重要性系数，污水管取1.0，雨水管取0.9，雨污合流管取1.0；
ƒy——钢带抗压强度的设计值（MPa）。
（3）钢带最大环截面压应力设计值按下式计算：
σ=0.72（K0ΥG， sνqsν,k+ΥQqνk）D1/As
式中K0——荷载系数，当管顶覆土深度 H1 ＜D1 时，K0 =1.0；当 H1 ≥D1时，可取K0= 0.86；
ΥG， sν——管顶覆土荷载分项系数，应取1.27；
ΥQ——管顶地面荷载分项系数，应取1.40；
qsν,k——管顶单位面积上的竖向土压力标准值（kN/m2）；
qνk——地面车辆荷载或地面堆积荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2）；
As——每米管道钢带的截面积（mm2/m）；
D1——管道外径（mm）。
根据上述钢带最大环截面压应力设计值的计算公式，按照管道竖向直径变形率为5%、覆土压实系数不小于85%的条件，可计算出不同直径、不同环刚度等级和不同钢材的每米管道所需的最小钢带面积。
2. 管道环截面变形验算
（1）管道环截面变形验算的荷载组合应按准永久组合计算，取标准值；
（2）竖向直径的变形率不大于管道直径允许变形率，管道直径允许变形率为5%；
（3）竖向直径的变形量按下式计算：
Wd,max=DLKd(qsν,k+ψq qνk)D1/(8Sp+0.061Ed)
式中Wd,max——管道在组合作用下的最大竖向变形量（mm）；
Kd——管道变形系数，与敷设中心角有关；
qsν,k ——管顶单位面积上的竖向土压力标准值（kN/m2）；
qνk——地面车辆荷载或地面堆积荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2）；
DL——变形滞后效应系数，可根据管道胸腔回填土的压实度取1.20~1.50；
ψq——可变荷载的准永久值系数，可取0.5；
Sp——管环刚度（kN/m2）；
Ed ——管侧土的综合变形模量（kN/m2）；
D1——管道外径（mm）。
（4）管道直径允许变形率按下式计算：
ε= Wd,max/di×100%
式中ε——管道竖向直径变形率；
di ——管道内径（mm）。
根据管道竖向直径变形率为5%的要求，在MRP管工程技术规程(CECS 223-2007)条文说明中列出了不同环刚度等级、不同敷设条件的管道管顶的最大覆土深度，供设计使用中参考。
3. 管道环截面压屈失稳计算
（1）计算时各项作用均取标准值；
（2）环向稳定性抗力系数不小于2.0；
（3）管壁截面的环向稳定性计算应符合下式要求：
Fcγ,k/ Fνk≥Ks
式中Fcγ,k——管壁失稳的临界压力标准值（kN/m2）；
Fνk——管顶在各项作用下的竖向压力标准值（kN/m2）；
Ks——管道的环向稳定性抗力系数，Ks≥2.0。
（4）管顶竖向作用不利组合标准值可按下式计算 ：
Fνk= qsν,k+ qνk
式中Fνk——管顶在各项作用下的竖向压力标准值（kN/m2）；
qsν,k——管顶单位面积上的竖向土压力标准值kN/m2）；
qνk——地面车辆荷载或地面堆积荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2）。
（5）管壁失稳的临界压力标准值可按下列公式计算 ：
Fcγ,k=4(2 Ed Sp)1/2
式中Fcγ,k——管壁失稳的临界压力标准值（kN/m2）；
Ed——管侧土的综合变形模量（kN/m2）；
Sp——管环刚度（kN/m2）。
4. 管道抗浮稳定计算
（1）各项作用取标准值 ；
（2）抗浮稳定性抗力系数不小于1.10 ；
（3）抗浮稳定性计算应符合下式要求：
∑FGk≥KƒFƒω,k
式中∑FGk——各项抗浮永久作用标准值之和（kN）；
Fƒω,k——浮托力标准值（kN）；
Kƒ——管道的抗浮稳定性抗力系数，应取1.10。
在进行MPR管的结构设计时，应提出埋设条件和对运行工况的要求，包括管体、管道基础、管道连接和沟槽回填土的类别与压实度等。
MPR管的连接方式和质量控制
新型管道能否成功推广应用的关键，是由其连接是否方便可靠所决定的。MRP管有多种可靠的连接方法，可适应于各种不同工程的需要，重要的地方可同时采用两种方法组合使用。其连接方式分别根据端口面的结构形式确定，而管材的端口结构形式分为螺旋形端口和平面形端口两种，如图1所示。
图1 管材端口结构示意图
1. 螺旋形端口的连接方式和质量控制
螺旋形端口的结构是在生产管材切割时，在周向沿螺旋形的波谷(此处无钢带)切开,然后将波峰(此处有钢带)割断并封头所形成。这一类端口的连接，可采用热熔挤出焊接、电熔带连接、热收缩管(带)连接和卡箍连接等方法。
（1）热熔挤出焊接连接。热熔挤出焊接连接的结构如图2所示，它是通过专用热风挤出焊接工具，吹热风将待连接两管端的聚乙烯加热并挤出聚乙烯熔融料，将两管端的聚乙烯熔融－体后，而凝固成整体的连接方法。
图2 热熔挤出焊接连接的结构示意图
热熔挤出焊接连接是目前较常用的连接方式之一。该方式必须使用带热风装置的挤出焊机和与管材材质相同的聚乙烯焊条。焊接时要求金属断开部位尽可能对齐，减少接口间隙；应进行内外双面焊接(如果只是焊单面宜与电熔带或热收缩管(带)连接方式组合应用)，特别是在波峰部位必须加强焊接（钢带断开处的钢带不能裸露）；焊接时热风装置必须将待焊部位的聚乙烯预热，使挤出的熔融聚乙烯能够与管材熔为一体。焊接断面必须饱满，不能有漏焊和断口。所有焊接工艺及操作，应按管材生产厂提供的焊接工艺及操作要求，由经过培训考核合格的焊工进行热熔挤出焊接连接施工。
（2）电熔带连接。电熔带连接的结构如图3所示。它是通过对镶嵌在电热带内表面的电热网加热，使电热带与管材波谷间的聚乙烯层熔融成为整体的连接方法。
图3 电熔带连接的结构示意图
电熔带连接是先按热风挤出焊接的连接要求，焊接端口连接处的聚乙烯界面 (采用“内焊外包”或“外焊外包”的方法进行，“内焊外包”即是DN700及以上管材采用内部用热熔挤出焊接连接，外部采用电熔带连接。“外焊外包”即是DN600及以下管材因操作人员到内部焊接困难，而采用外部用热熔挤出焊接连接)，然后在外层波谷内用电热熔带焊接。它采用镶嵌在聚乙烯带内表面的电热丝网作为加热组件，通电加热将电熔带与波谷的聚乙烯熔为一体。电熔带所用聚乙烯材料的物理力学性能应与待焊管材的要求相同，电热丝网应采用以镍铬为主要成分的合金材料，电热网应无短路、断路，电阻值不大于20Ω，电熔带长度必须大于管材波谷周长的1.25倍。
目前，电熔带尚无国家标准和行业标准为依据，应在选用时参考聚乙烯压力管道电熔焊接的原则，审查专门生产电熔带厂的企业标准。电熔带厂家在提供产品时，应同时提供可靠的技术鉴定材料，证明其产品符合聚乙烯管道电熔焊接的原则，证明按它们提供的操作规程进行施工，可以保证这种管材的接口质量，在管材使用寿命期内不会发生泄漏事故。
在焊接连接前，必须先清除连接表面的污垢；检查电热丝焊线是否完好；通电前先用锁紧扣带将电热带扣紧，然后根据管道的型号来设定电流及通电时间。为保证安全，严禁带水作业。电熔带的施工作业，必须按照管材生产厂经过定型验证后提供的焊接工艺及操作要求，由经过培训考核合格的焊工，进行电熔带连接施工。
（3）热收缩管(带)连接。热收缩管(带)连接的结构如图4所示。它是通过对热收缩管(带)进行火焰加热，使其收缩后内表面的热熔胶与管材外表面粘接成一体，热收缩管(带)冷却固化形成恒定的包紧力的连接方法。
图4 热收缩管（带）连接的结构示意图
热收缩管(带)连接所采用的热收缩管(带)由制管厂配套供应。热收缩管(带)目前尚无专用标准，但可参照《中华人民共和国GB/T23257-2009埋地钢质管道聚乙烯防腐层标准》中表11和表12的要求，选用热收缩管(带)。要求其外观应平整、无气泡、夹渣或裂口，其基材由聚乙烯经交联后制成；外表面喷涂有保温涂料。
值得注意的是，为保证接口的质量，热收缩管应选用经交联的圆管扩胀定型的无缝管，不宜采用由交联带材搭接的有缝热收缩管。采用此种连接方式时，应与内或外热熔挤出焊接组合使用。如果内侧不焊接，应采取加堵塞等方法防止雨污水进入波形钢肋的空腔，以避免腐蚀钢肋。
在进行热收缩管(带)的连接操作时，应将连接处管材外壁打磨干净，暂时将热收缩管套在需连接的一个管端，最重要的是必须在连接的两管端口处先加热缠绕热收缩带，然后将热收缩管套在需连接部位的中间，再按照热收缩管的工艺要求对其加热。加热时必须严格控制好“火喉”，缓慢地均匀加热，确保热收缩管内层的热熔胶充分熔化(在边缘看得见有熔胶溢出)、热收缩管收缩均匀、平整无翘边且表面不能有烧伤痕迹。因此必须按照管材生产厂经过定型证明后提供的工艺及操作要求，由经过培训考核合格的操作人员，进行热收缩管(带)连接。
（4）卡箍连接。卡箍连接的结构示意如图5所示。它是通过螺栓和两个半圆形外套筒将相邻管端紧固，并采用套筒和管壁间的橡胶塞而达到密封要求的连接方法。
图5 卡箍连接的结构示意图
卡箍连接的金属连接件最好采用不锈钢，若用黑色金属，则其最低的质量要求是：必须作防锈防腐蚀处理。套筒和管壁间的橡胶塞，应采用耐油的橡胶，橡胶密封圈的性能应符合现行国家标准GB/T 21873《橡胶密封件给、排水管及污水管道用接口密封圈材料规范》的要求。橡胶密封圈应由管材生产厂配套供应。
在此特别强调：采用卡箍连接时，因为管外壁呈螺旋波纹状,所以必须在待连接管材端的波谷内加填遇水膨胀橡胶塞。选用的哈夫套，必须有防腐能力和限位装置，以保证哈夫套的长期性能且不能在管材外壁有位移或滑动。
2. 垂直轴线的平面形端口连接方式和质量控制
垂直管材轴线的平面形端口的结构，是指在螺旋形端口管材的两端，焊接或缠绕熔接特制的聚乙烯管状连接件，连接件的一侧端口为平面。这种结构形式的平面端口，可采用法兰机械压紧连接、法兰端热熔对接连接、承插式锥形电熔连接、承插式橡胶密封圈连接和柔性套筒连接。
（1）平面形端口法兰机械压紧连接。可采用法兰卡环和螺栓两种形式，使端面的橡胶圈达到密封作用。连接用的金属连接件最好用不锈钢，如用黑色金属，则必须进行防腐、防锈处理。
（2）平面形端口法兰端热熔对接连接。它是平面形端口的聚乙烯面，用对接熔焊机将法兰端热熔对接熔为一体。为保证这种连接的质量，应参照TSGD2002-2006 《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》严格进行施工作业，以保征这种管道系统的接口不会发生泄漏事故。
（3）锥形承插式电熔连接。它是将管材两端的连接构件分别加工成锥形承口和插口，其承口和插口的最小尺寸按表1中的规定，电热丝预制在承口内，连接时将接头中的电热组件通电，使插口外表面和承口内表面的聚乙烯熔为一体的连接方法。操作时需要专用的焊接设备，必须按生产厂提供的操作规程进行施工，要求生产厂提供的操作规程应符合TSGD2002-2006《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》的相关原则，以便控制接口质量。
（4）承插式橡胶密封圈连接。它是将管材两端的连接构件分别加工成承口和插口，利用套入插口槽中的橡胶密封圈的弹性变形来达到密封连接的效果。
这种连接的质量好坏的关键是所采用的弹性橡胶圈的质量，对密封圈的要求是：弹性密封圈的外观应光滑平整，不得有气孔、裂缝、卷褶和破损等缺陷；弹性密封圈应采用耐油的橡胶，其性能应符合现行国家标准GB/T 21873《橡胶密封件给、排水管及污水管道用接口密封圈材料规范》的要求；橡胶密封圈应由管材生产厂配套供应。
承插式密封圈连接是应当大力推广的管道连接方式之一。由于MPR管的成型特点，需要生产厂家做好承插口。管材的一端为承口，另一端为插口，在厂内完成承插口胶圈安放。安装前应先检查橡胶圈是否配套完好，确认胶圈安放位置及插入承口的深度。接口作业时，应先将其承口和插口的工作面用棉纱清理干净，不得留有泥沙等杂物；并在承口工作面上涂上润滑剂，然后立即将插口端的中心对准承口端的中心就位。润滑剂一般由制管厂配套供应。
（5）柔性套筒连接。它是用橡胶套包住待接管材端口，通过卡箍固定。
通过上述对MRP管的工程设计和9种连接方式及其质量控制要点的讨论可知：MRP管的产品标准CJ/T 225-2011版比CJ/T 225-2006版有显著的技术进步，MRP管道工程技术规程CECS223:2007对工程设计和施工有明确的要求。当前，我国正处在贯彻“科学发展观”和重视“工程责任制”的新时期，期望业界共同努力实现MRP管的产业升级，推动这种新型管道的健康发展，为发展中国大囗径雨水、污水和废水等埋地排水管道工程系统，完善市政排水工程设施做出贡献。
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(10/17/2012) |
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