球墨铸铁管自锚式接口的技术应用

张 南,赵志诚,李华成

(1.中州水务控股有限公司，河南 郑州 450000;2.新兴铸管股份有限公司，河北 邯郸 056300)

球墨铸铁管管线普遍采用滑入式接口，归类于柔性接口，该接口的特点是允许轴向的伸缩与径向的偏转，使得在埋地管线上应用效果比刚性接口更佳。滑入式接口并非完美无缺，如管线的弯头处，因水流方向改变而产生的水力推力，再有，管线的地基沉降量过大，滑入式接口有滑脱的风险。自锚式接口解决了这一工程难题，并在20世纪80年代西方发达国家得到成熟应用。虽然还有各类防止接口滑脱的工程方案，自锚式接口无疑更为简单实用。

过去，在一条输水管线上通常的作法是，在普通管段采用球墨铸铁管，充分体现滑入式接口的特点；而在过桥、过河及非开挖等特殊管段上采用钢管，以发挥焊接接口的优势。随着球墨铸铁管自锚式接口大量成熟应用，同管线、同材质、同寿命的理念更为重要，现今在球墨铸铁管管线的特殊管段上采用自锚式接口也就越来越多了。

1 自锚式接口的特性

1.1 工作原理

虽然球墨铸铁管厂家开发的自锚式接口的型式各异，但工作原理相同。接口处设计机械自锚装置，当插口向外滑脱到规定距离时，承插口锁定，实现防滑脱作用；同时内腔设置胶圈，保持密封作用。自锚式接口一般分为两类——外自锚式和内自锚式，外自锚式接口与普通滑入式接口相同，外部设置自锚装置，如图1所示TF型外自锚式接口；内自锚式接口将承口内设计成双腔结构，一腔设置自锚装置，另一腔设置胶圈，如图2所示SIA Wb型内自锚式接口。

图1 TF型外自锚接口剖面图

图2 SIA Wb型内自锚接口剖面图

开发自锚式接口，就是要将其纳入柔性接口的范畴，展现比刚性接口更好的优点。

①具有一定的轴向位移，当接口滑脱至最大位移处，自锚开始作用，防止接口滑脱；

②具有一定的偏转能力，用以适应地基沉降，特别是可以消除沉降时所产生的大部分弯曲应力；

③与普通滑入式接口一样，保持接口密封；

④具有巨大的抗滑脱力。

1.2 防滑脱力

国内外各类球墨铸铁管标准，特别是ISO10804《球墨铸铁管管线用约束性接口系统——设计标准和型式试验》，均积极鼓励生产厂家自行开发自锚式接口型式，仅规定了自锚式接口的设计原则。其核心理念是采用型式试验，通过模拟工程最不利条件的设定(高内压、负压、循环压、剪切力、制作误差、偏转等)，来考察接口密封性能和防滑脱性能，因此，型式试验成为自锚式接口安全性能的重要保证。用户单位在使用自锚式接口时，可以要求厂家提供型式试验报告，该报告应是在第三方权威机构鉴证下出具的，且试验方法和步骤应完全符合ISO10804的要求。

自锚式接口的重要指标之一是允许防滑脱力，应按式(1)计算：

(1)

式中，PFR—自锚式接口允许防滑脱力,kN；PFA—自锚式接口允许工作压力,MPa；DE—插口外径,mm。

自锚式接口的允许现场试验压力应采用式(2)：

PEA=1.5PFA+0.5

(2)

式中,PEA—自锚式接口允许现场试验压力,MPa。

自锚式接口的安全系数非常高，例如，某管K9、DN800的SIA Wb接口的允许工作压力为2.5MPa，允许现场试验压力应为4.3MPa，其安全系数达1.72，具体见表1。

表1 新兴铸管SIA Wb自锚式接口性能参数表

注：根据需要，新兴铸管可以提供更高允许抗滑脱力的管道。

2 自锚式接口的技术应用

由于各类标准仅定义了自锚式接口的设计原则，对接口的结构不做硬性规定，所以不同生产厂家开发的自锚式接口型号是各式各样，各技术参数也不尽相同。在管线具体设计过程中，需要生产厂家提供技术手册，再根据管线工程条件来选用。

2.1 免支墩设计

当管线水力方向改变时，如在弯头、三通、变径等处，会产生水力推力，如图3所示。

图3 弯头处的水力推力示意图

埋地球墨铸铁管一般采用滑入式接口，必须考虑水力推力的消除。除了混凝土镇墩常规做法之外，就是免支墩设计。由于管道埋地，自水力推力产生处至一定距离，管道与土壤产生的摩擦力以及土壤被动土压力之和可以逐步抵消水力推力，直至为零，这段长度称之为自锚长度，即自锚长度内需要设置自锚接口，自锚长度外只需普通柔性接口。这种以自锚式接口型式代替混凝土镇墩的做法称之为免支墩设计，如图4所示。

图4 免支墩设计示意图

自锚长度的计算采用公式(3)：

(3)

式中,L—单侧自锚管长度，m；Sf—安全系数，一般取2；P—管线设计内水压力，MPa；A—管的横截面积，A=0.785·DE2，mm2；DE—管道外径，mm；θ—水平弯头的度数，(°)；Ff—考虑外涂层影响的管道与土壤之间的单位摩擦力，kN；Rs—单位被动土压力，kN/m。

免支墩设计是混凝土镇墩的替代方案，当工程不具备安装混凝土镇墩的条件时，可以考虑免支墩设计：

①水力推力处有其他管线、设施或建筑物阻挡，无法浇筑镇墩；

②水力推力处地基沉降量较大，导致镇墩不稳定；

③弯头设置较为密集；

④施工工期短，管线敷设完成后要求尽快通水。

2.2 地基沉降区的应用

管线敷设可能会穿越一些沉降区域，如煤矿塌陷区，淤泥层较厚的河流、湖泊等。如果采用焊接钢管，沉降区域较大，会出现“悬臂”现象，巨大的弯矩产生的弯曲应力直接折断管道；如果采用普通滑入式接口的球墨铸铁管，接口可能滑脱；所以，选用自锚式接口的球墨铸铁管是更加合理的方案：一是，沉降发生时，接口偏转并向外滑脱，自锚装置开始作用，巨大的防滑脱力锁定接口；二是，管道顺着地势偏转，每根管道都是如此，管道累积的自然沉降量会很大，从而大幅度地消除弯曲应力，如图5所示。

图5 柔性接口管道自然沉降示意图

假定沉降区域管线的长度为90m，管道长度为6m，自锚式接口偏转角度为0.8°，根据理论计算，管道累积的自然沉降量可以达到1.34m。

某电厂引水管线系统，采用焊接钢管，由于煤矿开采导致地面沉降，在2012年7—12月间，共发生13次(处)管道漏水事故。应业主单位的要求，2013年某厂商提供了规格为DN350的TF自锚式接口的球墨铸铁管，用以代替原有破损的钢管，管线运行至今良好。

在沉管施工过程中也会遇到接口滑脱的问题。布线时，虽然有固定措施，管道也会在河面偏转成曲线；固定在河床时，管道也会遇到地基不稳，发生沉降等问题。因此，沉管施工采用自锚式接口的球墨铸铁管也是非常合适的方案。

2.3 水平定向钻施工

水平定向钻是在不开挖地表面的条件下，实现管道穿越的施工工艺，分为三个阶段：先导孔钻进、回拉扩孔和回拖铺管。回拖铺管是将管道沿着一定曲率半径的孔道，由出口坑回拖至起始坑，这就要求管道有比孔道更小的曲率半径，且可以承受孔道所产生的摩擦阻力和泥浆的拖拽力。

球墨铸铁管完全适用于水平定向钻施工工艺，技术要点如下：

①球墨铸铁管及钻杆偏转所形成的曲率半径满足孔道的轨迹设计；

②最终孔径不应小于管道承口外径的1.2倍；

③应采用内自锚式接口，接口处包裹收缩套和薄钢板；

④球墨铸铁管的允许牵引力满足轨迹各点的回拖力。

2.4 陡坡敷设

输水管道在山区敷设时，会经常遇到陡坡的情况。如果采用滑入式接口的球墨铸铁管，大坡度(≥20°)的管线会产生轴线方向的重力分力，使得管道下滑，当下滑的位移累积较大时，某一接口就会有滑脱的风险，因此，大坡度的管线应在管道承口部位设置支墩，以抵消重力分力。如果坡度更大时(≥30°)，采用支墩+自锚式接口组合的方案更为合理。

延安引黄工程三级站是整个工程的中枢，DN1600球墨铸铁管，爬坡段坡长305m，坡度36.77°。为防止管道下滑，采用了Xanchor型自锚式接口+混凝土管床的方案，效果良好。

2.5 明装管道

明装输水管线的项目很多，如过桥，综合管廊。为了保证材质的一致性，球墨铸铁管也越来越多地应用于明装管线。明装管线与埋地管线不同，失去了土壤的包裹，需要支撑结构；而管线固有的问题依然存在，如支撑基础沉降、热胀冷缩和水力推力等。明装球墨铸铁管重点需要解决的是消除水力推力，可以采用混凝土镇墩，或者采用体积更小的金属止推墩。在综合管廊工程中由于管线复杂，混凝土镇墩或止推墩无法设置，可以后移，以找到最佳的安置点，弯头、三通和渐缩管所在的管段应采用自锚式接口，而直线管段依然采用滑入式接口。

地铁隧道内消防明装球墨铸铁管比较特殊，考虑地铁运行时震动影响，会使管道滑动，经过多根管道滑动的累积，某一接口就会有滑脱漏水的风险。因此建议全部管线采用自锚式接口，同时在水力推力产生处设置混凝土镇墩或止推墩。

3 结论

球墨铸铁管起源于西方，自锚式接口也在西方发展起来，并成熟应用了几十年。随着我国球墨铸铁管市场的繁荣，大型骨干厂家均先后开发了各自的自锚式接口类型，大量的工程应用进一步验证了该种接口的便捷性和可靠性。目前，某公司生产的最大口径DN2600的Xanchor型自锚式接口已经成功地应用于南宁市第二水源搬迁工程中，标志着我国自锚式接口球墨铸铁管的生产和应用开始步入成熟阶段。

生产自锚式接口的厂家众多，质量水平取决于厂家的技术实力、型式试验报告和工程案例等，业主单位应当注意甄别。自锚式接口开发不易，并有专利保护的限制，有信誉的大型厂家质量更为可靠。

某些工程中，为了增加管线的安全性，将所有的滑入式接口均替换成自锚式接口，因自锚式接口附件多，价格较贵，导致工程投资增加较多；应因地制宜地配置自锚式接口，而普通管线段依然采用滑入式接口，这种作法更为可取。