新型分瓣式柔性穿墻防水套管的研制與應(yīng)用

李保華,王宏偉,馮 琳

(1.遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166;2.遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

1 概況及工程需求

1.1 防水套管設(shè)計與應(yīng)用現(xiàn)狀

地下給排水管道穿越配水閥井(室)、檢修閥井(室)、流量計井(室)時，為滿足防水需要、適應(yīng)不均勻沉降和檢修方便，一般在穿越構(gòu)筑物外墻墻體處采用防水套管。防水套管常規(guī)按原建設(shè)部建質(zhì)[2002]236號文批準(zhǔn)施行的防水套管標(biāo)準(zhǔn)圖集(圖集號02S404)并根據(jù)實際需要，選用剛性防水套管或柔性防水套管。該圖集適用于民用及一般工業(yè)建筑、市政給水排水工程構(gòu)(建)筑物。主要內(nèi)容包括柔性防水套管、剛性防水套管、剛性防水翼環(huán)的做法。圖集對防水套管的特點(diǎn)、選用方法、加工、防腐、安裝等作了詳細(xì)介紹。按圖集所給規(guī)格，柔性防水套管直徑為DN50～DN1000，剛性防水套管直徑為DN50～DN450。當(dāng)防水套管的外徑超出圖集范圍，該圖集要求“應(yīng)注意對防水套管的結(jié)構(gòu)形式、尺寸及縫隙內(nèi)的填料等進(jìn)行必要的調(diào)整和修正。”圖1為柔性防水套管基本結(jié)構(gòu)。

圖1 柔性防水套管結(jié)構(gòu)及安裝圖

1.2 工程實際需求

遼寧省某重點(diǎn)輸水工程的防水套管主要用于配水站干線配水閥室、檢修閥井、流量計井、道路穿越檢查井等構(gòu)筑物，主要直徑規(guī)格為DN3200、DN3400、DN3600、DN3800等，超出02S404防水套管標(biāo)準(zhǔn)圖集所給最大規(guī)格的3～4倍，工程使用數(shù)量500余個，防水套管對應(yīng)的DN3800及以上直徑的內(nèi)穿鋼管按SL432- 2008《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)制造；對應(yīng)的DN3600及以下直徑的內(nèi)穿鋼管按SY/T5037- 2000《低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》標(biāo)準(zhǔn)制造。按工程使用防水需要，應(yīng)選柔性防水套管，如果參照02S404防水套管標(biāo)準(zhǔn)圖集進(jìn)行選用，為達(dá)到防水效果，制造時應(yīng)對法蘭套管和法蘭壓蓋進(jìn)行機(jī)械加工，防水套管與內(nèi)穿管道制造公差需良好配合。安裝時，將防水套管套在內(nèi)穿管道上，與內(nèi)穿管道整體安裝，再澆筑井室墻體；或先安裝防水套管，澆筑井室墻體后再安裝內(nèi)穿管道。由于加工精度要求高，單體用鋼量大，單位重量造價偏高(按2013年詢價，8000～9000元/t)，安裝配合難度大，安裝過程易損傷內(nèi)穿管道防腐蝕表面。因此，有必要結(jié)合本工程需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、用鋼量小、機(jī)械加工量少、造價低廉、防水效果良好的防水套管來適合本工程規(guī)格大、用量多的需要。

2 新型穿墻防水套管研制

2.1 研制思路

基于工程實際考慮，穿越地下構(gòu)筑物防水套管須適應(yīng)以下條件：

(1)直徑≤DN3800內(nèi)穿直縫鋼管制造周長、圓度允許公差范圍分別為±12mm、30mm，直徑≤DN3600內(nèi)穿螺旋鋼管制造直徑允許公差范圍為±1.0%，防水套管應(yīng)有滿足內(nèi)穿管道制造直徑(周長)和橢圓度允許偏差變化的能力。

(2)柔性變形量應(yīng)滿足隨內(nèi)水壓力變化管道周長變化的能力。

(3)大形輸水管道在穿越各種閥門井室時，為保證閥門安裝精度，一般采用先安管道后澆井室墻體的方式，防水套管應(yīng)能滿足管道安裝后再安裝，以利其與墻體和管道均能良好配合，滿足防水要求。

(4)還應(yīng)滿足重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制造和安裝方便等條件?；谝陨弦?，設(shè)想按兩個半圓制作，采用了如圖2、圖3所示結(jié)構(gòu)形式。

圖2 新型防水套管結(jié)構(gòu)圖

圖3 新型防水套管安裝圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)防水套管主體采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其中套管采用δ=8鋼板，寬度同所穿墻厚；止水環(huán)焊于套管上，采用δ=6鋼板，環(huán)高100mm；套管內(nèi)設(shè)置止水膠圈兩道，每道止水膠圈用焊于套管內(nèi)壁的兩個擋環(huán)定位。

(2)兩個擋環(huán)間距32mm，擋環(huán)截面尺寸8mm×13mm(寬×高)；止水膠圈直徑φ25mm。

(3)套管分瓣壓板通過M8螺栓連接，壓板采用δ=16鋼板，高100mm；壓板間設(shè)置45mm厚橡膠墊片。

(4)壓板與防水套管管體設(shè)置三角肋，采用δ=8鋼板。

(5)穿墻套管內(nèi)徑與外徑應(yīng)結(jié)合主管道鋼管外徑的實際值進(jìn)行調(diào)整，其誤差等于主管道鋼管外徑誤差

(6)橡膠墊塊邵氏硬度：A型硬度為35～45；止水橡膠圈邵氏硬度：A型硬度為50～65。

(7)套管安裝完畢后進(jìn)行0.1MPa打壓試驗，采用氣壓方式，打壓結(jié)束后用M8螺栓封堵打壓孔。

(8)防水套管防腐采用環(huán)氧煤瀝青防腐涂料。

3 試生產(chǎn)與結(jié)構(gòu)調(diào)整(以DN3800防水套管為例)

3.1 試生產(chǎn)裝配

3.1.1 試生產(chǎn)

(1)數(shù)控切割出防水套管兩片瓦片鋼板并在卷板機(jī)上卷成半圓形，壓板、三角肋、止水翼環(huán)及擋環(huán)也通過數(shù)控切割以保證精度。壓板平均每200mm沖眼，共4個。

(2)按圖4所示，將壓板與瓦片對接后采用熔透焊焊接，之后加裝三角肋固定。下一步將套管兩瓣通過壓板用M8螺栓連接后進(jìn)行矯圓，矯圓后再進(jìn)行止水橡膠圈擋環(huán)及止水翼環(huán)的組對焊接。擋環(huán)及止水環(huán)分成1/4圓周生產(chǎn)，測量劃線后焊接到指定位置并打磨掉表面的毛刺。

圖4 壓板與瓦片連接圖

3.1.2 裝配安裝

與傳統(tǒng)防水套管相比，分瓣式防水套管需要將防水套管套在內(nèi)穿管道上，再進(jìn)行整體安裝，否則，內(nèi)穿管道將很難穿過止水橡膠圈并且防腐層也極易損傷。

安裝過程利用簡易鋼支墩，將防水套管一瓣放置于支墩上，在內(nèi)穿管道外壁測量劃線標(biāo)出止水橡膠圈放置位置，然后將止水橡膠圈套到劃線標(biāo)示部位，之后將管道緩緩放置在防水套管上，確保橡膠圈進(jìn)入擋環(huán)槽內(nèi)。調(diào)整完畢后將另一瓣防水套管放置于管道上。上下瓣防水套管對接完畢后，安裝壓板處高強(qiáng)螺栓，緊固完畢后進(jìn)行打壓試驗，如圖5所示。

圖5 防水套管安裝支墩及裝配示意圖

3.2 問題及解決方法

至此，上述試生產(chǎn)安裝過程中已暴露了一些問題：

(1)φ25mm止水橡膠圈與擋環(huán)槽之間吻合度欠佳。壓板處螺栓緊固量小，無法將防水套管兩瓣緊密連接。

此問題是由于止水橡膠圈尺寸選擇與擋環(huán)槽的尺寸不匹配造成。止水橡膠圈具有良好的彈性和壓縮比率，應(yīng)對其尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

首先，計算套管擋環(huán)空間。見表1，根據(jù)計算結(jié)果，要使止水橡膠圈順利安裝進(jìn)入擋環(huán)槽內(nèi)并填滿鋼管與套管內(nèi)空間，止水橡膠圈外徑應(yīng)小于32mm，體積應(yīng)大于640mm3，據(jù)此得出橡膠圈外徑區(qū)間29～31mm，并根據(jù)安裝時聚異戊二烯止水橡膠圈的壓縮表現(xiàn)擬采用φ30mm止水橡膠圈。此時，止水橡膠圈與擋環(huán)槽形象見圖6所示。

表1 防水套管止水擋環(huán)槽內(nèi)空間計算

圖6 止水橡膠圈與擋環(huán)槽示意圖

(2)壓板處螺栓緊固量小，無法將防水套管兩瓣緊密連接。

此問題可通過2方面解決，一是提高螺栓強(qiáng)度，由原先的M8螺栓改為M25φ20mm的高強(qiáng)螺栓；另一方面，將原設(shè)計的108mm×4mm5×800mm橡膠墊塊改為5片108mm×10mm×800mm橡膠墊板，橡膠墊板上螺栓孔為φ20mm，分片后可通過增減墊片個數(shù)以適應(yīng)不同管徑需求。

3.3 試驗

上述問題解決后，進(jìn)行水壓試驗。通過防水套管上預(yù)留的密封試驗孔進(jìn)行注水，試驗壓力為0.1MPa，隨著壓力提升，套管分瓣連接擋環(huán)處橡膠墊板與止水橡膠圈出現(xiàn)輕微滲水，其他部位正常。

研究發(fā)現(xiàn)，此處滲水是由于分瓣連接處橡膠墊板對應(yīng)橡膠圈無擋環(huán)造成，此處依靠橡膠墊板與止水橡膠圈的擠壓防水，一旦擠壓力不足便容易滲水，如圖7所示。

圖8 分瓣式柔性防水套管結(jié)構(gòu)參數(shù)選

圖7 止水橡膠圈與橡膠墊板示意圖

解決方法：一是通過繼續(xù)緊固高強(qiáng)螺栓，增加擠壓力，降低滲水；二是通過在橡膠墊板與止水橡膠圈之間及每層橡膠墊板中間涂雙組份聚硫密封膏，隔斷滲水路徑；三是將擋環(huán)的長度增加1cm，減小無擋環(huán)段距離。

由于試驗管擋環(huán)不宜再做調(diào)整，僅通過前2種方法進(jìn)行調(diào)整，完畢后再次進(jìn)行打壓試驗。試驗壓力下再無滲水。切記，工地正常安裝打壓時要采用氣壓，不得采用水壓。

4 新型分瓣式柔性防水套管最終型式

綜上，新型分瓣式柔性防水套管最終型式得以確定，如圖8所示。該圖中僅列入DN3200～DN3800三種管徑的尺寸，如內(nèi)穿管道直徑調(diào)整，僅需據(jù)此調(diào)整防水套管相關(guān)直徑即可，其余如止水橡膠圈、擋環(huán)槽、壓板及橡膠墊板等寬度、厚度不需要再調(diào)整。

4.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)生產(chǎn)工藝簡單，安裝方便快捷，適合各種管徑管道。

(2)分瓣式裝配結(jié)構(gòu)，可以在管道安裝后再行防水套管安裝。

(3)防水套管外帶止水環(huán)，內(nèi)有雙膠圈止水，有效防止內(nèi)外滲漏水。

(4)膠圈直徑填充擋圈內(nèi)腔后，套管內(nèi)側(cè)與內(nèi)穿管道間由于有膠圈作為柔性墊層，可以適應(yīng)不均勻沉降和軸向變形。

(5)防水套管上套管和擋圈需與內(nèi)穿管道配合尺寸按內(nèi)穿管道周長(或直徑)負(fù)偏差進(jìn)行控制，并用防水套管壓板間的分層橡膠墊板進(jìn)行內(nèi)穿管道制造正偏差調(diào)節(jié)，可進(jìn)行密封性能檢查，并利用壓板螺栓緊固進(jìn)行密封性能調(diào)整。

(6)不需要按圖集02S404柔性防水套管的法蘭套管和法蘭壓蓋等雙法蘭結(jié)構(gòu)，降低用鋼量、機(jī)械加工量和裝配量。

4.2 應(yīng)用效果

本工程各配水站干線檢修閥室、干線沿線檢修閥井、流量計井、穿越道路檢查井等各部位，均采用了由鋼管采購標(biāo)制造的分瓣式柔性防水套管，由于可以在內(nèi)穿管道安裝后裝配，并進(jìn)行密封性能檢查調(diào)整，自2014年開始安裝，至今已經(jīng)基本安裝完畢，井室外側(cè)皆已回填完畢，安裝后分瓣式柔性防水套管沒有發(fā)生穿墻滲漏水，表明此種柔性防水套管結(jié)構(gòu)合理、防水可靠，且按合同造價噸單價較帶法蘭結(jié)構(gòu)的02S404柔性防水套管詢價平均低1500～2000元，并節(jié)省鋼材約240t，結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便，達(dá)到了預(yù)期研制目標(biāo)。經(jīng)推算，采用新型分瓣式柔性防水套管，為本工程節(jié)省投資357萬元，直接效益和間接效益顯著。