聚乙烯（HDPE）管道在盐湖工况中的应用技术研究

2021-08-27尹伟华

橡塑技术与装备 2021年16期

关键词：盐湖聚乙烯管材

尹伟华

(四川森普管材股份有限公司，四川德阳 610014)

1 项目工程情况

1.1 项目工程概况

该项目中的矿区位于柴达木盆地中部的一里坪盐湖，盐滩面积360 km2，湖面海拔2 683 m，属于干盐湖类型，是以富锂为特色并伴生硼、钾、镁、溴、碘的盐湖自然资源。

该项目为开采盐湖锂矿锂硼钾资源配套建设的淡水输送管线工程。由于矿区附近无淡水水源，需要的淡水需从距离用水地约120 km外的那陵郭勒河冲洪积扇的前缘水源地取水。

从水源地到矿区线路基本沿盐湖、戈壁、沙漠及沼泽地，没有公路直通场地，交通极不便利。项目线路穿越区域多为无人区，人类活动极少。

1.2 项目工程地理环境

矿区气候特点为干旱、多风沙少雨，蒸发强烈，冬长夏短，昼夜温差较大，属典型的高原内陆盆地干旱气侯。据邻近地区察尔汗气象站 1971～1989 年及 1991、1995、1996 年的资料统计，年平均气压 735 mbar，年平均气温 5.4 ℃，最高气温在七月，月平均气温 19.1 ℃，极端最高温度 34.8 ℃。一月温度最低，月平均气温-10 ℃。年蒸发量平均为 3 560.1 mm，降水量为 21.90 mm。多年平均最大冻土深度1.80 m。

沿线地貌类型有湖积平原、盐湖边缘丘陵、戈壁、沙漠、沼泽地等，湖积平原地形稍有起伏，相对高差约 1.00 m；丘陵地貌相对地形起伏较大，相对高差最大约30.00 m。

1.3 项目工程区域地层

据相关区域资料及现场调查，线路场区覆盖层主要由第四系上更新统湖积成因的粉土、粉质黏土、盐类沉积层；中更新统湖积成因的砂砾、粉土、粉质黏土、盐类沉积层等；下更新统湖积成因的泥岩、粉砂岩、盐岩等组成，层厚大于 100 m。下伏基岩有上第三系：粉砂岩、泥岩及膏盐岩等。

1.4 项目工程路线地质的腐蚀性评价

项目沿线在 K3+848～K4+348 m，地下水埋深约 1.20 m，K12+278～K55+650 m，地下水埋深约0.20～2.00 m，K112+250～K117+701 m，地下水埋深约 4.00～5.00 m，其余地段未见地下水。

通过对地下水取样分析，项目线路段地下水对混凝土结构具微腐蚀性；长期浸水时对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，干湿交替时对钢筋混凝土结构中钢筋具强腐蚀性；沿线地下水对钢结构具有中等腐蚀性。

2 淡水管线输送用管道材料选择

常用于市政的给水管材有钢筋混凝土管、球墨铸铁管、PVC-U给水管、涂塑钢管、聚乙烯（HDPE）管、钢骨架塑料复合管(含超高分子聚乙烯复合管)、玻璃钢管等。

由于钢筋混凝土管、球墨铸铁管均为承插橡胶圈接口，且盐湖地区对混凝土、钢筋（铸铁）具有较强腐蚀性，不适合用于沙漠、沼泽或具有盐胀缩性和溶陷性的盐湖地区。

涂塑钢管是在普通螺旋焊钢管的基础上经过管内涂塑制成的一种新型管材，虽管材材料费有一定优势，但受地质条件的影响较大，以及接口焊缝防腐处理是管道中的薄弱点，后期维护费用高。

常用的几种非金属管材的主要性能见表1。

表1 几种非金属管材的主要性能

玻璃钢管、PVC-U 给水管接口方式均为承插橡胶圈接口，敷设在沼泽、沙漠、盐胀缩性和溶陷性的地区，管道基础沉降不均，易发生渗漏，长距离使用维修量会较大。

HDPE 管、钢骨架塑料复合管等 PE 类管材，接口采用电热熔连接，无渗漏，施工方便，耐腐蚀，适用工作温度范围较大，比较适合在盐湖地区使用(目前有在青海、新疆等盐湖供水工程中有成功应用案例)。

从地质条件分析，本工程前段(水源地开始约 66 km)为沙漠、沼泽、草原；后段(约 51.7 km)地表为盐壳。

前段管道承压较低（压力≤1.0 MPa），选材应在满足技术要求的条件下，尽量考虑因抗腐蚀、抗沉陷能力强、投资节省、运行安全、管理便捷、施工简单、便于运输的管材。后段(盐壳段)由于承压（静压≤1.6 MPa）较高，应选择可承压 1.6 MPa 及以上的管材，以减小事故发生的可能性，避免因管道事故对企业造成经济损失。

3 聚乙烯（HDPE）管道在盐湖特殊环境中的应用优势

3.1 前段(水源地开始约 66 km)为沙漠、沼泽、草原等地质工况的材料选择。

基于管道前段输送介质压力≤1.0 MPa，且需穿越沙漠、沼泽、草原等地质基础不稳定、施工难度大、维护极不方便等情况，而高密度聚乙烯（HDPE）压力管道产品的优势正好体现。

（1）聚乙烯（HDPE）产品具有50年的设计使用寿命。可以同项目矿区的设计使用寿命同步，避免中途更换管道系统。

（2）矿区冬长夏短，昼夜温差较大，一月份平均气温-10 ℃。而聚乙烯（HDPE）产品抗冲击性能优异，耐低温性能好，低温脆化温度可达-70 ℃。可很好适应矿区自然环境条件。

（3）聚乙烯（HDPE）产品化学稳定性好，耐各种酸、碱、盐腐蚀。可确保管道系统在全生命周期不受盐湖特定条件影响。

（4）由于管道线路需穿越沙漠、沼泽、草原等地。聚乙烯（HDPE）产品柔韧，具有蠕变自适应性，对沙漠、沼泽、草原等地质基础不稳条件有很好的环境适应性，避免因基础下沉而出现应力集中现象。确保管道在恶劣环境条件下长期稳定运行。

（5）对于沼泽等极不便施工的场景。聚乙烯（HDPE）产品因具有重量轻、搬运方便，可异地热熔连接再牵引敷设。优于目前常用管道材料的施工。

（6）聚乙烯（HDPE）产品属热塑性材料，可采用热熔连接，接头质量可达到管道材料本体性能。可实现产品零渗漏，可靠实现产品全生命周期免维护使用。

3.2 后段(约 51.7 km)地表为盐壳等地质工况的材料选择

后段地质条件较前段有改善，主要是管道敷设基础变为坚硬的盐壳，但环境条件依然严苛。另外，处于后半段的管道需承受更大的压力（压力≤1.6 MPa）。基于上述情况，以优质低碳钢丝网为增强相，管道级聚乙烯为基体，在挤出生产线上连续成型的新型双面防腐压力管道——钢骨架塑料复合管（图1），成为其最好的选择。钢骨架塑料复合管具有全塑聚乙烯（HDPE）产品的诸多优点，且产品因钢丝网骨架的增强，又很好满足较高输送压力的问题。该产品采用具有温度补偿的电熔焊机自动焊接接头，确保接头质量稳定可靠。

图1 钢骨架塑料复合管

4 优质的施工是项目成功的关键

4.1 土方开挖难点及解决方案

工程地点位于柴达木盆地中部的一里坪盐湖，昼夜温差大。管道分布的地域较广。新施工管线与原有地下埋设的管道、电缆、光缆及地上的高压电杆、导卤渠、沟槽等交叉很多，很多地段的开挖需要人工开挖。考虑到重车压过的盐堤路面很坚硬，为了提高工效确保工期及保护地面设施和地下管线，人工开挖土方部分特配风镐、空压机配合人工开挖。在开挖区周围设置挡水堤、集水坑，做好抽水设施，阻止盐田卤水和雨水流入基坑，并制定有效的排除积水措施。

（1）开挖前先挖探坑，查明地下原有管线、电缆、光缆的实际情况和地面高压电杆、导卤渠等原有设施的实际情况再采用机械开挖和人工开挖（人工开挖盐堤较坚硬的区段配空压机带风镐进行）两种方式进行。同时，机械开挖后堆土不得占用交通。对于原来埋有管道、高压电杆、光缆、电缆和导卤渠、沟、槽的交叉处采用人工进行开挖，人工开挖采用空压机、风镐方式进行开挖。确保原有设施的安全完好，确保不影响生产，确保不影响交通。

（2）对于永久性工程施工的挖土范围尽可能小，确保开挖土方不会破坏任何现有建筑或土方开挖以外的建筑。

（3）土方开挖必须与管道敷设密切配合，不出现重复挖、填的现象。并合理安排施工计划，使土方开挖与管道敷设保持同步，避免沟槽开挖后长时间暴露，影响交通，防止受雨水及地表水的侵蚀。

4.2 管道焊接难点及解决方案

本工程管道管沟很大部分位于卤水池的盐堤上。如出现质量问题，将对盐堤造成巨大的危害，严重影响生产和交通，所以PE管道焊接的质量尤为重要。

盐湖早晚温差大，风大，极易造成焊缝质量问题，PE管焊接时应根据气候条件和风力大小对当时温度实测情况确定焊接参数予以实时调整，因此针对盐湖气候特点专门制定了本工程PE管焊接工艺规程和操作方法，确保本工程不出现接头缺陷而漏水现象。

热熔对接工艺的关键是要在对接过程中（如图2、图3）调整好温度、时间、压力三参数，要把连接界面材料的性能、应力状况、几何形态以及环境条件等因素一起考虑，才能实现可靠的热熔焊接，要结合项目实际情况和采用材料的特性先进行试验连接，评价熔接质量，达到标准要求后，再确定各品种规格的焊接工艺参数，最后按确定的工艺参数方法和步骤进行现场安装施工如图4。