大口径HDPE管道设计施工要点

2017-04-07耿运生周玉涛丁卫岩

水利规划与设计 2017年3期

耿运生，周玉涛，丁卫岩

大口径HDPE管道设计施工要点

耿运生，周玉涛，丁卫岩

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

HDPE管材在小口径供水工程中被较多采用，随口径加大，HDPE相对小口径有新的问题出现。笔者对邢清干渠大口径HDPE管道设计、施工中的问题进行总结，认为管道采用热熔连接是便捷可靠的，长管建议采用钢管合拢，支管直径较大的旁通管宜采用钢制结构，必须加强控制管道沟槽回填质量，同时建议在管内具有一定水压状态下回填，水压试验压力采用DB13/T2162-2014规定，水压试验的分段可结合检修阀门井设置。

HDPE；热熔；变径接头；大口径

HDPE管道具有耐腐蚀、水力摩阻低、强度高、韧性好、施工快捷、适应变形能力强、造价低廉等优点，在市政供排水工程中被大量应用。

目前工程中采用的HDPE管道口径一般较小，文献［1］中管材的规格尺寸公称外径最大为1000mm，文献［6］中管道直径最大不超过630mm，文献［2］中电熔管件最大直径为630mm，法兰接头直径为1000mm。在已实施的输水、气管道工程中以600mm及以下者为常用。

在河北省南水北调配套工程邢清干渠工程中，有43km管道采用的DN1400和DN1200 HDPE管道，管道的直径和材料选择皆超出了现行标准，工程设计和实施过程中，进行了大量的科研和试验工作，并编制了相关技术标准。作者对邢清干渠大口径HDPE管道生产、设计、施工、检测、验收等环节中的有关问题进行总结，供相关人员参考。

1 管材

目前供水工程中使用的PE管材多按照文献［1］的规定进行生产，规范中材料包括PE63、PE80和PE100等3个等级，管道最大公称外径1000mm，。对于大口径PE管道，文献［8］中适用范围为公称外径1200～2500mm，适用的材料为PE100。在强度指标上，文献［8］相对文献［1］增加了表观拉伸屈服应力一项指标。对于柔性的PE管，抗内压能力、不圆度、抗变形能力随着口径的增加而降低，所以对于材料的物理、力学性能提出了更高的要求。

在河北省南水北调配套工程邢清干渠工程中，采用了DN1400和DN1200的管道，全长43km，管道工作压力0.4MPa。工程设计中选用材料等级PE100，DN1200和DN1400管道的标准尺寸比(SDR)皆为26。所需管材在厂内进行了相关检测，试验结果显示管材满足要求。工程实施现场存在的主要问题是管道竖向变形率较大，长时间放置时尤其明显，接口热熔焊接时需要调圆，降低了工作效率。

2 管件及管件连接

为了满足管道系统的使用和安装要求，工程中需要大量的管件。根据文献［2］，管件按照连接方式分为3类，即熔接连接管件、机械连接管件、法兰连接管件，其中熔接连接管件分为电熔管件、插口管件和热熔承插连接管件。标准热熔管件的最大尺寸为630mm，机械连接管件的最大尺寸与PE管材相同，为1000mm。文献［2］中规定了鞍形旁通出口应具有符合规定的电熔承口，对鞍形旁通与主管的开孔率、连接结构等未做规定。文献［2］对管件以及管件与管材的连接应做的试验进行了规定，包括静液压强度、熔接强度、对接熔接拉伸强度、鞍形旁通的冲击强度、耐弯曲密封试验、耐拉拔试验等。

在邢清干渠工程中，管件主要包括排气旁通(150mm)、进人检查旁通(600mm)、主管材的接口及弯管。工程中，主管连接一般采用热熔连接方式，主管与阀门连接采用法兰连接，主管合拢采用电熔套筒，旁通管采用PE鞍形电熔连接件。

邢清干渠主管热熔连接，在厂内进行了相关试验和测试，包括渗漏、拉伸、撕裂等试验，测试指标均满足规范和设计要求，现场施工按照厂内测试时的工艺进行控制。施工现场安装1000m后进行了水压试验，水压试验合格。厂内和现场试验表明，对于大口径HDPE管道，采用热熔连接是完全满足工程使用要求的。

对于角度较小的转点，利用PE管自身的柔性特点接转，角度较大时，采用HDPE弯管。邢清干渠弯管采用加厚的主管材(SDR21)熔接制作，与主管材熔接连接，厂内和现场试验证明满足工程要求。

邢清干渠沿线平均800m设置一排气阀(DN150)，沿程设置了9个进人检查孔(DN600)，排气和检查旁通管均为与主管材同级的PE材料，采用鞍形电熔连接件与主管材连接。在管线全部安装完成后，进行了整体水压试验，试验压力0.6MPa。检查孔设于检查井内，上游1.5m为检修蝶阀，下游1.4m为穿墙套管，试验过程中，出现一个进人检查孔崩脱，分析原因主要为HDPE管承受内压时变形量较大，上下游受阀门和穿墙套管以及鞍形旁通自身刚度影响较大，使鞍形旁通与主管连接处变形率大，应力集中明显，加之旁通管与主管之间电熔连接质量不易保证，造成旁通管与主管连接面撕裂并在压力下崩脱。问题出现后，此旁通及主管更换为钢管。经过此问题总结经验，当设置大口径旁通管时，建议主管采用钢管，设置钢制旁通管。

PE主管与阀门或者钢管连接，常用的连接方式是通过套在HDPE管道上的法兰盘与所需连接设备的法兰连接，通过压紧法兰根实现止水，邢清干渠采用这种连接方式。但是这种方式存在以下问题：相同规格的HDPE管内径相对钢管或阀门要小，若HDPE管与阀门直接连接，当采用蝶阀时有可能造成蝶阀阀板不能完全开启；HDPE法兰根与法兰盘接触宽度小，不利于水密封，且容易剪切破坏。工程中使用了一种变径接头，并申请了专利。变径接头由变径管及其上下侧的钢制法兰组成，一侧为标准法兰，与PE管连接的法兰为内径与PE管内径相同的非标法兰，采用此变径接头能有效解决上述问题。

HDPE主管分段熔接，存在已连接较长管段的合拢问题。邢清干渠合拢采用电熔套筒连接，电熔套筒长度800mm，壁厚55.5mm。套筒在厂内进行了熔接工艺和效果试验检测，在施工现场按照厂内的工艺控制，现场完成套筒熔接十余处。整体水压充水阶段，发现套筒处存在不同程度的渗水问题。原因主要是施工现场管材和套筒存在竖向变形，造成主管外壁和套筒内壁间隙不均，电熔时PE料的熔化粘结不完全，造成局部密闭性不足。现场采用充填PE粉料、热熔进行修补，整体水压试验合格。针对套筒熔接出现的问题，建议对于大直径PE管道，合拢尽量设于阀门井处，同时建议合拢采用钢管法兰连接。

3 回填要求

对柔性管道，沟槽回填质量对管道承载能力、变形率影响很大，管周回填中粗砂，压实度较高，土的综合变形模量大，管道竖向变形小，承载能力高。文献［4］中规定，柔性管道支撑角采用中粗砂回填，两侧压实度不低于0.95。文献［7］中规定管周回填中、粗砂或者符合要求的原土，压实度不低于0.95。邢清干渠HDPE管道沿线地层以砂性土为主，施工过程中，对DN1400管道两侧沟槽内选用不同的回填料、不同的压实度进行了以下4种试验工况：①原土回填；②中粗砂垫层，管周两侧原土回填；③底部120度中粗砂支撑角，其余原土回填；④管道中心线高程以下中粗砂垫层，其余原土回填。检测结果显示，方案①竖向变形率最大，为1.4%，方案④竖向变形率最小，为0.2%。从检测结果看，管沟内回填中粗砂对减小竖向变形率效果明显。规范规定，塑料管材的变形率不超过3%，根据检测结果以及预测变形，工程中选用原土回填。

本次是在管顶覆土厚度0.5m条件下、填土后2个月内的检测成果，如果填土高度达到设计要求并完成沉降稳定后，变形率还会有一定的增加。在管沟回填完成后，进行管道整体水压试验时，地表出现一条沿管道方向的裂缝，缝宽2cm左右，分析原因主要由管道受到内压后产生了变形所引起的。这种变形一部分为管道回填后竖向变形在内压下复原，另一个部分为管道本身在内压下均匀的拉伸膨胀，以前者为主。对现场发现的问题进行总结，对于大口径HDPE管道，建议管周回填中粗砂，回填时，建议管道内充水至一定压力，减小因管道自重和上部填土造成的竖向变形。

4 水压试验

管道整体水压试验是检验管道工程质量的关键环节。文献［4］中规定化学管材的试验压力为1.5P (P为工作压力)且不小于0.8MPa，规范适用范围对HDPE管不大于1000mm直径。对于大口径HDPE管，应按照文献［7］的要求，试验压力取1.5P。试验方法、合格标准，文献［4］和文献［7］的规定一致。

邢清干渠HDPE管段工作压力0.4MPa，试验压力取0.6MPa。HDPE管段长度43km，沿程设置了8个检修阀门井，工程整体水压分为9段。水压试验合格标准按照文献［4］规定的30min内剩余压力是否上升以及90min内压力降是否容许2种标准进行控制。试验结果显示30min内剩余压力稍有回升，90min内压力降不大于0.02MPa，工程满足规范要求。

5 结语

大口径HDPE管道对原材料、管件的制作和安装、现场工艺控制等方面较常规小口径管道严格，当超出规范规定时，应进行严格的试验测试。根据邢清干渠大口径HDPE管道设计、施工中的问题，有以下体会和建议：①管道连接采用热熔连接是便捷可靠的；②长管合拢采用电熔套筒质量不易控制，建议采用法兰连接，并设置变径接头；③支管直径较大的鞍形旁通管，在内外压作用下，因管道变形率过大引起应力集中，致鞍形旁通与主管容易撕脱，建议有条件的采用整体注塑加工，或者采用钢制管件；④管沟回填建议采用中粗砂，严格控制回填质量，建议回填时管道内有一定的压力，减小因管道自重和回填土重引起的管道竖向变形；⑤管道整体水压试验压力建议采用文献［7］规定，水压试验的分段可结合检修阀门井设置。

［1］GB/T13663-2000.给水用聚乙烯(PE)管材［S］.

［2］GB/T13663.2-2005.给水用聚乙烯(PE)管道系统第2部分：管件［S］.

［3］CJJ101-2004.埋地聚乙烯给水管道工程技术规程［S］.

［4］GB50268-2008.给水排水管道工程施工及验收规范［S］.

［5］河北省水利水电第二勘测设计研究院.河北省南水北调配套工程邢清干渠工程水压试验技术方案［R］.2014.

［6］CJJ63-2008.聚乙烯燃气管道工程技术规程［S］.

［7］DB13/T2162-2014.大口径聚乙烯(PE)给水管道工程技术规程［S］.

［8］DB13/T2027-2014.大口径聚乙烯(PE)给水管材［S］.

［9］朱永涛，耿运生，马述江.超大口径长距离HDPE输水管道工程关键技术研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2015.

［10］河北省水利科学研究院.邢清干渠南宫试验段HDPE管道沟槽回填压实及管道变形率检测报告［R］.2014.

［11］河北省水利水电第二勘测设计研究院.连接高密度聚乙烯管与阀门的变径接头：ZL201520024309.4［P］.2015.

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