超大口径长距离HDPE输水管道材料与设计研究

朱永涛，　霍学平

(河北省水利科学研究院，河北 石家庄　050051)



超大口径长距离HDPE输水管道材料与设计研究

朱永涛，霍学平

(河北省水利科学研究院，河北 石家庄050051)

通过对常用输水管道以及有关管道规程的研究，分析总结超大口径长距离HDPE输水管道的材料选取与壁厚设计规定，并进一步对有关HPDE管的管道设计进行分析，包括水利计算中的压力设计以及结构设计中的强度、抗浮、环向稳定、抗滑、竖向变形等校核计算。最后，以南水北调实际工程中的邢清干渠南宫干线项目为依据，校核分析管道设计的可靠性。

HDPE；壁厚；水力计算；结构设计

0　引言

近年来，大口径管、燃气管以及固体输送管等已成为管材发展的主要趋势，HDPE大口径排水管道在当今世界上得到了越来越广泛的运用，逐渐取代了水泥管在排水工程中的角色。HDPE管道目前在德韩以及日本的大口径排水管使用率，其中德国最低为60%，日本最高为90%[1]。我国自20世纪70年代开始了对聚乙烯塑料管道的开发，经过多年的研发与研究，已成功开发出了HDPE压力管道，这一成就在很大程度上推动了我国塑料压力管道的推广与普及[2]。在南水北调配套工程的基础上，对超大口径HDPE输水管道进行设计与研究，提出公称外径DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2250、DN2500 HDPE输水管道分别在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.25 MPa 、1.6 MPa 7种公称压力下对应的公称壁厚，并对有关HPDE管的管道设计进行分析研究。

1　HDPE输水管材材料选取及壁厚设计

HDPE输水管道的设计使用年限一般为50 a，在塑料管道的设计中常引进安全系数的概念，此系数是将材料的加工性能及安装使用条件等影响因素相结合考虑的参数，设计应力σS的一般计算公式为

(1)

大口径聚乙烯给水管材和管件的配料选择，一般要求选用最小要求强度为10.0 MPa的聚乙烯，当输水温度为20 ℃时，C最小可取1.25，此时设计应力σS的最大值为8 MPa[3]。

塑料管公称压力、允许环向应力、管道几何尺寸相互之间的关系，在ISO标准中表示以下标准公式[4]

(2)

式中，P为公称压力;σ为长期静压压力值或具有一定安全系数保证的实际应力值;D为管道公称外径;e为管道公称壁厚。

定义管道的标准尺寸比SDR=D/e，代入式(2)得

(3)

由公式(3)可得，当工程采用相同的标准尺寸比时，在一定的设计应力下，其公称压力必然相同。工程选用PE100管材，在最大应力设计值8 MPa情形下，依照所选的公称压力，得出的公称外径分别为DN1000、DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2250和DN2500的管材公称壁厚如表1所示。

表1　聚乙烯管材公称壁厚尺寸表en　mm

2　HDPE输水管道水力计算及结构设计

2.1管道水力计算

水力计算中，需要进行的主要工作为对于水头损失的确定，包括沿程水头损失及局部水头损失，管道水头损失hw的具体计算按照下式进行[5]

(4)

式中，hf为管道沿程水头损失；hj为管道局部水头损失。

管道沿程水头损失hf的计算应按下列公式进行

(5)

式中，λ为沿程阻力系数；l为管段长度；di为管道内壁直径；g为重力加速度(9.81 m/s2)；v为管段平均流速。

局部水头损失hj应按下式计算

(6)

式中，ζ为局部水头损失系数。

沿程水头损失中，当局部水头损失所占比例小于5%时，可不将局部水头损失考虑在内。

2.2管道结构设计

在进行聚乙烯管道的结构设计时，按照柔性管道对其进行设计计算，且采用基于概率之上的极限状态设计方法。结构的可靠度用可靠度指标来衡量，除管道整体稳定外，都采用分项系数的设计表达式进行设计计算[6]。具体条件按下列规定进行。

(1)聚乙烯管道结构的强度计算应采用极限状态计算表达式

(8)

式中，γ0为管道安全重要性系数；S为在设计内水压力作用下作用效应组合设计值；R为管道结构的抗力强度设计值。

转化为应力公式时，具体可表达为

(9)

式中，σθ为设计内水压力作用下管壁截面上的环向应力设计值；γ0t为聚乙烯管材抗力分项系数，根据不同水温t按表2确定；f为管材环向长期抗拉强度标准值，取f=10 N/mm2。

表2　不同水温情况下聚乙烯管材抗力分项系数

(2)对于埋设在地下水位以下的聚乙烯管道，应根据设计条件，对管道的抗浮稳定性进行校核分析，对于各项荷载均取其荷载标准值，并且结果需满足抗浮稳定抗力系数Kf不低于1.1的要求。具体应满足如下公式要求

(10)

式中，∑Fg为各项抗浮作用的标准值之和；Kf为抗浮稳定性抗力系数；Ffw为地下水浮力标准值。

(3)对于埋设在地下的聚乙烯管道，需要对管壁的环向稳定性进行校核分析，在进行环向稳定计算时，对于各i项荷载均取其荷载标准值，且结果需满足环向稳定性抗力系数Kst不低于2.0的要求，详细计算如下

(11)

(12)

式中，Fcv为管壁临界压力标准值；Kst为管壁抗稳定抗力系数；qv为管顶处单位面积竖向压力标准值；Fv为管内真空压力，取0.05 MPa；n为管壁失稳折皱波数，其取值为使Fcv最小且不小于2的整数；Ep为弹性模量；νp为管侧回填土的泊松比；νs为管侧回填土的泊松比；Ed为管侧土的综合变形模量。

(4)当聚乙烯管道采用柔性接口时，若需要对其铺设方向进行改变，则需要对其进行相应的抗滑稳定验算。对于各项荷载均取其荷载标准值，并且抗滑验算的稳定性抗力系数Ks不应小于1.5。具体应满足如下公式要求

(13)

(14)

(15)

(16)

式中，Fp为被动土压力标准值；Fep为主动土压力标准值；Ff为滑动平面上的摩擦力标准值；Ks为抗滑移稳定性抗力系数；Fwp为设计内水压力作用下管道承受的水平推力标准值；P、Pmin、Pmax为支墩作用在地基土上的平均、最小、最大压力；fa为经过深度修正的地基土承载力特征值，按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007—2011的规定确定。

(5)在正常使用极限状态下，应对聚乙烯管道结构进行管道环向截面竖向变形校核，具体应满足如下公式要求

(17)

(18)

或

(19)

式中，wd,max为组合作用下最大竖向变形；Dl为变形滞后效应系数，可取1.0～1.5；Kb为管底弧形土基的基床系数；D0为管道计算半径；D1为管道外径；I为管壁纵向截面单位长度截面惯性矩；Fsv为管道单位长度管顶处竖向土压力标准值；qi为地面车辆荷载传递到管顶的竖向压力标准值与地面堆积压力标准值两者中的较大值；φq为准永久值系数，可取0.5；Sp为管材环刚度。

3　管道结构设计应用实例

邢清干渠工程位于河北省南部，是河北省南水北调配套工程的主要组成部分。该工程包括3段，渠首～调压井干线、清河干线和南宫干线，其中南宫干线从调压井引出，南宫干线试验段全长44 km，采用DN1200、DN1400的HDPE输水管道管。结合聚乙烯管在南宫干线的应用，从实际出发分析研究超大口径长距离HDPE输水管道的材料与设计研究。

3.1水力计算成果

依据邢清干渠初步设计批复的南宫干线首端水位54.04 m，末端水位33.85 m。变更后干线首端水位54.04 m不变，末端水位为33.89 m，较初设批复的末端水位高0.03 m，过流能力满足要求。

表3　聚乙烯(HDPE)管材公称压力和规格尺寸　mm

用水户按照设计规模运行工况确定管道规模大小，具体计算结果详见表4。

表4　管道水头损失计算及规模成果表

3.3管道结构计算及选择

埋设在地面以下的管道主要承受来自土、水、地震、车辆、检修以及地面堆积物等的荷载，并且以内水压力以及覆土荷载为主。

设计过程中选取的参数：(1)地面堆积荷载10 kN/m2，(2)工作内水压力0.4 MPa。

工程选用DN1400和DN1200的HDPE管材，依据HDPE管所处的工作环境和受力状态根据《大口径聚乙烯(PE)给水管道工程技术规程》(DB13/T 2162—2014)的公式进行结构计算。

经过计算，工程HDPE管道的强度、环向稳定以及变形均满足规范要求，计算结果见表5。

表5　HDPE管道结构计算成果表

注：SDR26对应的计算覆土深度为4 m，SDR21对应的计算覆土深度为6 m。

4　结语

(1)结合邢清干渠南宫干线试验段工程，对超大口径HDPE输水管道进行设计研究，提出了公称外径DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2250、DN2500 HDPE管道分别在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.25 MPa、1.6 MPa 7种公称压力下对应的公称壁厚。

(2)总结概括了输水管道的水力计算及结构设计计算方法，包括水头损失以及结构的强度、抗浮、环向稳定、抗滑、竖向变形等校计算。

(3)对南水北调配套工程中HDPE输水管道的管道选择以及水力计算和结构设计进行分析。

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[6]北京中环工程设计监理有限责任公司.CJJ101—2004埋地聚乙烯给水管道工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2004.

Research of Ultra-Large Diameter Long-Distance HDPE Pipes Material and Design

Zhu Yongtao,Huo Xueping

(Hebei Provincial Academy of Water Resources, Shijiazhuang 050051, China)

Through the study of common pipeline and related regulations, the material selection and the wall thickness design rules of ultra-Large diameter long-distance HDPE pipes were analyzed and summarized. An analysis on pipeline design of HDPE pipe was conducted, including the pressure design in the hydraulic calculation and structural design of strength, anti-floating, ring stability, resistance to sliding and vertical deformation. Finally the reliability analysis of pipeline design was checked based on the Xingqing trunk in South-North Water Transfer Project.

HDPE;wall thickness;hydraulic calculation;structural desig

2015-10-12责任编辑:车轩玉DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.08

朱永涛(1974-)，男，正高级工程师，主要从事水利工程方向的研究。E-mail: 2284531406@qq.com

TV4

A

2095-0373(2016)03-0045-05

朱永涛，霍学平.超大口径长距离HDPE输水管道材料与设计研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(3):45-48.