城镇埋地聚乙烯燃气管道安全埋深分析

2022-10-25陈碧涛

煤气与热力 2022年10期

陈碧涛，张玉，危唯

(佛山市华禅能燃气设计有限公司，广东佛山528000)

1 概述

聚乙烯燃气管道具有经济性好、寿命长、施工方便等优点，近年来在城镇中低压燃气管网建设中得到了大量应用。相关设计施工规范对聚乙烯埋地管道的埋深作了相应规定，除机动车不能到达的场所埋深要求比钢管略深外，其余场合与钢管一致，并未要求对管道进行环向稳定性和竖向变形的校核，部分燃气从业者对其承受大载荷时的安全性产生疑虑。为此，笔者参考GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》对常用聚乙烯燃气管道进行了环向稳定性和竖向变形的校核计算，以求证聚乙烯埋地管道的安全埋深和相关注意事项。

2 埋地管道受力情况

埋地聚乙烯燃气管道在土壤中的受力见图1，管道直接受力为管道上方的土壤载荷和地面车辆或行人等的活动载荷(统称为管顶载荷)，同时管底土壤在管道受到上方载荷(不考虑管道自重)的情况下产生同等大小的支撑反力(称为管底支撑反力)，使管道保持在相对固定的位置。由于聚乙烯管道是柔性管道，在垂直载荷的作用下有变形的趋势，管道两侧土壤产生阻止管道变形的压力，压力与管侧土的密实度有关。

图1 埋地聚乙烯燃气管道在土壤中的受力

3 管壁环向稳定性校核要求

环向稳定性是指埋地管道在管顶载荷等作用下不发生局部屈曲现象的校核计算。埋地管道屈曲现象见图2。

图2 埋地管道屈曲现象

由于城镇埋地聚乙烯燃气管道管径较小，城镇燃气相关设计施工规范及聚乙烯燃气管道相关规程并未对环向稳定性校核作出相关要求。GB 50332—2002第4.2.11条规定，对埋设在地下的柔性管道，应根据各项作用的不利组合，计算管壁截面的环向稳定性。计算时各项作用均应取标准值，并应满足环向稳定性抗力系数不低于2.0。GB 50332—2002第4.2.12条规定，埋地柔性管道的管壁截面环向稳定性计算应符合以下要求：

pcv,k≥pr

(1)

(2)

(3)

式中pcv,k——管壁截面失稳的临界压力标准值，MPa

pr——管壁截面失稳的临界压力参考值，MPa

Ks——管壁截面的稳定性抗力系数，对于聚乙烯管Ks≥2 ，本文按Ks=2计算

psv,k——管顶竖向土压力标准值，N/mm

D0——管道计算直径，取管壁中线的距离，mm

pvk——地面车辆载荷传递到管顶竖向压力标准值，MPa

pv——管内真空压力标准值，MPa，一般取0.05 MPa

Ep——管材长期弹性模量，MPa，PE100管材寿命50 a时约为230 MPa

n——管壁失稳时的折绉波数，一般取2

νp——管材泊松比，聚乙烯管材取0.4

δ——管道壁厚，mm

Ed——管侧土综合变形模量，MPa

νs——管道两侧胸腔回填土的泊松比，本文取0.2

δ取GB15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第1部分：管材》规定的壁厚，见表1。

表1 管道壁厚取值

① 管顶竖向土压力标准值

参考GB 50332—2002附录B，聚乙烯埋地管道管顶竖向土压力标准值计算公式为：

psv,k=γshsD1

(4)

式中γs——回填土容重，N/mm3，一般取1.8×10-5N/mm3

hs——管顶至设计地面的覆土高度，mm

D1——管道公称外径，mm

② 地面车辆载荷传递到管顶竖向压力标准值

根据GB 50332—2002附录C，地面车辆载荷(单个轮压)传递到管顶竖向压力标准值计算公式为：

(5)

式中μd——与埋深有关的动力系数，取值见表2

Fi——车辆的第i个车轮承担的单个轮压标准值，N

li——第i个车轮的着地分布长度，mm

h——自车行地面至管顶的深度，mm

bi——第i个车轮的着地分布宽度，mm

表2 μd取值

4 管道竖向变形校核要求

埋地管道竖向变形是指管道在管顶竖向土压力、车辆载荷或堆积载荷作用下的变形，见图3。图3中，管道竖向变形为Db与Da之差。

图3 埋地管道竖向变形

参考GB 50332—2002第4.3.8条，聚乙烯管道最大竖向变形计算公式为：

(6)

(7)

式中 ΔD——埋地聚乙烯管道最大竖向变形，mm

f——变形滞后效应系数，可取1.0～1.5，本文取1.5

Kd——管道变形系数，本文取0.109

r0——管道计算半径，mm，为0.5D0

φq——地面载荷对地下管道影响的准永久值系数，取0.5

Ip——管道纵向单位长度惯性矩，mm4/mm

依据GB 50332—2002第4.3.2条，化学建材管道(包含PE管)在组合作用下最大竖向变形不应超过0.05D0。

5 埋地聚乙烯燃气管道校核计算

5.1 计算参数选取

① 地面车辆载荷

地面车辆载荷受车辆类型、载重影响，不确定性较大。为确保燃气管道安全，考虑极端情况，按道路施工或改造期间重型压路机碾压考虑，本文以重型压路机工作时单个轮子(振动轮)传递到管顶的压力进行计算。参考某品牌25 t单钢轮压路机，其前轮(振动轮)单个轮压标准值160 kN，前轮着地分布长度为2.15 m，着地分布宽度按0.1 m计算。

② 管材管径和壁厚

由GB 15558.1—2015可知：燃气聚乙烯管材有PE80和PE100两种混配料，公称外径为16～630 mm，有SDR11、SDR17两个常规系列。本文按目前城市燃气使用较多的PE100管材，公称外径为90、110、160、200、315 mm，在不同SDR下进行计算分析。

③ 管顶埋深

CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》第4.3.3条规定，聚乙烯燃气管道埋设在非机动车道(含人行道)下，管顶埋深不应小于0.6 m，埋设在机动车道下时管顶埋深不应小于0.9 m。在实际工程中常有不能满足以上埋深要求的情况，因此本文分别按管顶埋深0.3、0.6、0.9 m进行计算分析。

④ 回填土密实度

由CJJ 63—2018第6.4.5条可知：沟槽回填材料密实度(以下简称密实度)应大于等于90%(局部大于等于95%)，考虑到实际施工中密实度较难控制，分别按85%、90%进行计算分析。

⑤ 管侧土综合变形模量

根据GB 50332—2002附录A，管侧土综合变形模量Ed计算公式为：

Ed=ξEe

(8)

(9)

式中ξ——综合修正系数

Ee——管侧回填土在要求压实密度时变形模量，MPa，本文按砂粒含量大于25%的粘性土考虑，密实度为85%时，Ee=1 MPa；密实度为90%时，Ee=3 MPa

a1、a2——与管中心处槽宽br和公称外径D1的比值有关的计算参数

En——基槽两侧原状土的变形模量，MPa，本文原状土按砂粒含量大于25%粘性土、贯入锤击数N>50选用，En=10 MPa

依据CJJ 63—2018第6.2.4条，沟底宽度为D1+0.3 m，本文考虑管顶埋深均不大于0.9 m，因此管沟不设边坡，即br=D1+0.3。参考GB 50332 —2002表A.0.2-2，用内插法计算，并由此依据式(8)、(9)计算得到ξ和Ed，见表3。

表3 管侧土综合变形模量Ed计算结果

5.2 计算结果

采用公式(2)～(9)对回填土密实度为85%、90%时，公称外径分别为90、110、160、200、315 mm的SDR11和SDR17系列PE100管道进行计算，结果见表4～15。

表4 管顶埋深0.3 m时校核计算结果

表5 管顶埋深0.6 m时校核计算结果

表6 管顶埋深0.9 m时校核计算结果

① 密实度85%，SDR17系列管材

从表4～6可以看出，在密实度(85%)不达标的情况下，如果采用SDR17系列(管壁较薄)管材，管顶埋深为0.3 m时，各种规格管道最大竖向变形均大于0.05D0，不满足要求。且公称外径90、110、160、200 mm管道失稳的临界压力标准值不满足式(1)要求，有管壁环向失稳风险。管顶埋深为0.6 m时，各种规格管道失稳的临界压力标准值均满足式(1)要求，无管壁环向失稳风险，但公称外径90、110 mm管道的最大竖向变形大于0.05D0，不满足要求。管顶埋深为0.9 m时，所有规格管道的失稳的临界压力标准值和最大竖向变形均满足要求。因此，在密实度不达标且使用SDR17系列管材时，应加大管道埋深。

表7 管顶埋深0.3 m时校核计算结果

表8 管顶埋深0.6 m时校核计算结果

表9 管顶埋深0.9 m时校核计算结果

② 密实度85%，SDR11系列管材

从表7～9可以看出，在密实度(85%)不达标的情况下，如果采用SDR11系列(管壁较厚)管材，各种规格管道在不同管顶埋深情况下失稳的临界压力标准值均满足式(1)要求，无管壁环向失稳风险；管顶埋深为0.3 m时，公称外径90、110 mm管道最大竖向变形大于0.05D0，不满足要求。对比表4可知，增大管材壁厚，可降低管道管壁环向失稳风险和减小最大竖向变形。