預應力鋼筒混凝土管接頭密封膠圈尺寸的確定方法

何 勇

(中國水利水電第五工程局有限公司 第三分局，四川 成都 610225)

1 概 述

預應力鋼筒混凝土管通過組織工廠化的流水線進行規(guī)模生產(chǎn),產(chǎn)品標準執(zhí)行GB/T 19685-2005《預應力鋼筒混凝土管》國家標準。PCCP生產(chǎn)企業(yè)一般都建立有較完善的產(chǎn)品質量保證體系，管材質量可以得到有效控制。預應力鋼筒混凝土管的輸配水管線工程除了管材自身質量需要得到保證外，管道接頭的止水元件即橡膠密封膠圈是其關鍵小部件，一般由管道生產(chǎn)廠家提供。橡膠膠圈的規(guī)格和尺寸必須與PCCP管接頭的工作直徑、插口鋼圈的預設密封槽、接頭的承插口配合間隙相適應，既要滿足管道接頭能順利安裝，還要滿足PCCP管接頭長期有效止水密封的要求。PCCP管接頭由鋼制承口圈和帶有固定形狀尺寸密封槽的型材插口圈組成，安裝時采用承插式滑動接口連接。大口徑PCCP管接頭通常設計為雙“○”型橡膠圈止水，插口型材設有兩個槽，兩槽中間制作2-M8試壓螺孔，管子安裝后可逐個接頭逐一進行接頭水壓試驗，直觀地反映其安裝質量是否合格，最終保證管線的密封效果。PCCPDE管的接頭情況詳見圖1。

2 膠圈尺寸的設計

2.1 膠圈尺寸的設計

橡膠密封膠圈的止水密封機理屬于擠壓彈性體密封。產(chǎn)品標準GB/T 19685-2005《預應力鋼筒混凝土管》規(guī)定承插口工作面直徑配合間隙最小為0.4 mm、最大為2 mm，換算為圓周工作面平均間隙為最小0.2 mm、最大1 mm。PCCP管接頭屬于小間隙緊密配合。在接頭安裝過程中，膠圈受滑動擠壓力產(chǎn)生壓縮彈性變形，膠圈此時具有恢復其原始形狀的趨勢，膠圈自身的反彈力緊壓承口工作面和插口密封槽，從而實現(xiàn)良好的止水密封性能。

圖1 PCCPDE管接頭示意圖

橡膠密封膠圈尺寸的設計原理：PCCP管接頭用密封膠圈應采用圓形截面的實心膠圈，膠圈必須提供足夠相等的體積以充填插口密封槽和管子接頭連接之后在承插口環(huán)之間形成的環(huán)向間隙，計算時遵循等體積原則。

2.2 膠圈的性能

PCCP管接頭用密封膠圈一般由管道生產(chǎn)廠家提供，膠圈要求采用整圈模壓，不允許有接頭。橡膠密封膠圈的基本性能和質量要求應分別符合JC/T748《預應力與自應力混凝土管用橡膠密封圈》的規(guī)定；試驗檢驗方法應符合JC/T749《預應力與自應力混凝土管用橡膠密封圈試驗方法》的規(guī)定。

膠圈的質量指標：

(1)直徑公差為±0.4 mm。

(2)聚異戊二烯膠圈的抗拉強度：至 少 為18.6 MPa。

(3)聚異戊二烯膠圈的斷裂伸長率：不小于400%。

(4)比重：0.95～1.45。

(5)壓縮永久變形：以原始變形的百分率表示，不得大于20%。

(6)老化試驗后的抗拉強度：不得低于老化前抗拉強度的80%。

(7)邵氏硬度：A型硬度為50～65。

(8)膠圈表面不得出現(xiàn)裂紋、裂隙、凹坑、砂眼、氣泡及其它缺陷。

3 計算實例

以PCCPDE3800×5000/P0.6/H2.5 GB/T 19685-2005標準管接頭橡膠密封膠圈的尺寸計算為例，相關尺寸參見圖2。

圖2 PCCPDE3800接頭膠圈計算圖

(1)成品膠圈截面面積按公式計算：

式中 適合產(chǎn)品標準的膠圈直徑通常確定為d0=φ20。

(2)承插口鋼圈工作面圓周間隙。

圓周通常取0.85～0.9 mm，大口徑管子應取上限。

(3)用CAD制圖方法獲得的插口密封槽和配合間隙所形成的截面S1=253.34 mm2，見圖2。

(4)密封槽和配合間隙所形成的封閉環(huán)體積按以下公式計算：

V1=π×(Bs-H)×S1=3.141 6×(3 973-11.9)×253.34=3 152 612(mm3)

式中Bs為插口工作面直徑，mm；H為橡膠圈壓縮后的高度，mm。Bs=3 973 mm；H=11.9 mm；S1=253.34 mm2。

(5)膠圈長度按以下公式計算：

(6)膠圈環(huán)徑內徑按公式計算：

=3 176(mm)。

(7)膠圈環(huán)徑系數(shù)按以下公式計算：

(8)安裝狀態(tài)的膠圈截面直徑d按以下公式計算：

(9)膠圈徑向過盈量按以下公式計算：e=d-H=17.938-11.9=6.04(mm)。

(10)膠圈徑向壓縮率按以下公式計算：

(11)計算結果匯總列于表1。

4 膠圈檢驗和接頭水壓試驗

4.1 膠圈檢驗

膠圈的采購應向具有良好PCCP管膠圈供貨業(yè)績和資質的專業(yè)合格供貨廠家訂制。進廠的橡膠密封膠圈須有供應商提供的質量證明材料，其物理化學性能指標一般外委有資質的檢驗單位進行檢驗。膠圈外觀、截面尺寸、硬度、體積測量等則由廠內質量檢驗部門完成。

接頭水壓試驗選用的橡膠圈規(guī)格為φ20×φ3 196(中徑)，理論體積計算為3 153 cm3。從膠圈倉庫中抽取10條橡膠圈分別進行尺寸和體積測量檢驗，膠圈體積采用排水法實驗測得。檢驗結果列于表2。

4.2 試驗管的準備

依據(jù)(GB/T19685-2005)《預應力鋼筒混凝土管》規(guī)范，對成品管承、插標準尺寸要求，承、插口直徑配合間隙尺寸最小為0.4 mm，最大為2 mm，成品管對接接頭間隙為25 mm。

表1 PCCPDE3 800 mm×5 000 mm管接頭橡膠密封膠圈計算匯總表

結論：通過上述計算，確定PCCPDE3800×5 000 mm管接頭橡膠密封膠圈的規(guī)格為φ20，環(huán)徑中徑直徑為φ3 196的無接頭實心密封膠圈。

表2 試驗橡膠圈檢驗結果匯總表

4.2.1 選取直徑配合間隙為2 mm的管材(大間隙)

在成品管堆場中挑選P0.6/H2.5/295-88的插口尺寸為3 972 mm，局部橢圓度最大值為1 mm；P0.6/H2.5/295-166的承口尺寸為3 974 mm，局部橢圓度最大值為2.5 mm。試驗膠圈選用第1組(體積偏小的膠圈)。

4.2.2 選取直徑配合間隙為0.4 mm的管材(小間隙)

在成品管堆場中挑選P0.6/H2.5/295-116的插口尺寸為3 972.8 mm，局部橢圓度最大為1 mm；P0.6/H2.5/295-121的承口尺寸為3 973.2 mm，局部橢圓度最大值為2.5 mm。試驗膠圈選用第2組(體積偏大的膠圈)。

4.3 接頭水壓試驗

(1)管子接頭水壓試驗壓力：先以管道工作壓力0.6 MPa為準，再打到管線試驗壓力0.9 MPa，最后打到兩倍工作壓力1.2 MPa。管道接頭的偏轉角度依據(jù)GB/T19685-2005標準規(guī)定為0.5°。

(2)管道接頭安裝工裝準備：按內拉法準備兩端鋼梁、2個10 t倒鏈葫蘆、5 m長度的φ26鋼絲繩4根。

(3)接頭水壓試驗儀器、儀表準備：SYB-2.5 MPa型號的手動水壓泵1臺、M8接頭水壓試驗專用連接件2個、耐高壓軟管2根、經(jīng)檢定合格、量程為4 MPa的水壓力表1塊。

(4)判定規(guī)則：管子接頭在標準規(guī)定的0.5°轉角下，分別在0.6 MPa、0.9 MPa、1.2 MPa的試驗壓力下恒壓5 min管子接頭不出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象為合格。

(5)試驗要點及試驗結果。

① 經(jīng)過拉伸套入插口密封槽的橡膠圈，在接頭安裝之前須通過一根圓棒插入膠圈內側并沿整個環(huán)周按順時針和逆時針方向滑行至少各一圈，使膠圈在整個環(huán)周內所受拉力和拉伸后的直徑均勻一致(圖3)。

② 輸水工程的管道安裝前須對經(jīng)過認真清理的承、插口工作面和膠圈表面的周圈均勻涂刷食用植物油。起重機配合平穩(wěn)起吊活動管，輕移管子使其插口端與固定管的承口工作面正確對口，安裝好兩端受力鋼梁(約在管子高度的1/3處)，在鋼梁上裝好鋼絲繩和2個10 t倒鏈葫蘆(沿管子內壁左右兩側)，兩側同時均勻收緊倒鏈葫蘆，將管接頭內側對接間隙拉至25 mm。最后，擺動活動管尾部，使管接頭形成標準規(guī)定的0.5°轉角(圖4、5)。

圖3 均布膠圈拉力示意圖

圖4 管子接頭對接示意圖

圖5 接頭內側間隙25 mm示意圖

圖6 恒壓壓力為1.2 MPa

③ 2 mm大間隙管子的對接過程耗時約40 min，0.4 mm小間隙管子的對接過程耗時約80 min。接頭對接安裝順利且均通過1.2 MPa試驗壓力，恒壓5 min，無任何滲漏現(xiàn)象(圖6)。試驗結束后拆除對接管，并對橡膠密封膠圈進行了檢驗，大間隙的膠圈完好無變形(圖7)，小間隙的膠圈與工作面接觸方向試驗后測量直徑值為19.6 mm，發(fā)生永久擠壓變形量為0.8 mm。

圖7 試驗后大間隙膠圈完好

圖8 現(xiàn)場安裝的管線

④ 輸水管線已安裝由我公司生產(chǎn)的PCCPDE3800×5 000 mm標準管2 236根，安裝現(xiàn)場一個工作面每天安裝的標準管數(shù)量達到15根(圖8)。安裝施工單位對我司管材的接口尺寸質量和膠圈質量零投訴。

5 結 語

PCCP管橡膠密封膠圈尺寸的確定方法須遵循等體積原則。膠圈環(huán)徑系數(shù)經(jīng)驗值為0.8左右，膠圈徑向過盈量的經(jīng)驗值為6～7 mm，膠圈徑向壓縮率的經(jīng)驗值為35%左右。膠圈的直徑偏差應取正偏差，膠圈檢驗應以體積測量為準。

參考文獻：

[1] 預應力鋼筒混凝土管，GB/T 19685-2005[S].

[2] 預應力與自應力混凝土管用橡膠密封圈,JC/T748[S].

[3] 預應力與自應力混凝土管用橡膠密封圈試驗方法,JC/T749[S.]

[4] 給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范,GB50268-2008[S].