承插式柔性接口鋼管在市政給排水領(lǐng)域的應(yīng)用

王 翼

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 前 言

市政領(lǐng)域的給水和排水管道連接方式主要分為3種：①以鋼管為代表的對接環(huán)焊；②以球墨鑄鐵管、PCCP、PVC 管、波紋管為代表的承插接口；③以PE管為代表的熱熔對接[1]。輸水鋼管的現(xiàn)場焊接連接方式主要包括對接環(huán)焊和承插搭接焊，前者主要應(yīng)用在油氣輸送管道現(xiàn)場連接，連接施工復(fù)雜、周期長、對施工隊伍要求高等諸多因素限制了其在低壓流體管道工程的應(yīng)用，后者在國內(nèi)應(yīng)用很少。鋼管承插式連接包括承插柔性接口和承插搭接焊接口，承插式柔性接口連接方式（橡膠圈密封）以其施工方便快捷、不需要現(xiàn)場焊接和防腐、對施工隊伍要求低等特點而受到低壓流體輸送管道用戶的普遍認(rèn)可[2-3]。

承插式柔性接口鋼管在國外已被廣泛使用超過60 年[4-6]。近10 年來，國內(nèi)一些鋼管企業(yè)在參考球墨鑄鐵管、PVC管和玻璃鋼管的基礎(chǔ)上，開發(fā)了多種鋼管的承插式柔性接口，從21 世紀(jì)初開始成功應(yīng)用在國內(nèi)很多長距離輸水和供水管道工程上[7]。

我國關(guān)于承插式柔性接口鋼管的設(shè)計技術(shù)規(guī)程T/CECS 492—2017《給水排水工程埋地承插式柔性接口鋼管管道技術(shù)規(guī)程》[8]和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 10159—2021《給水用承插柔性接口鋼管》[9]先后完成編制并施行，結(jié)束了我國長時間沒有可用的膠圈密封承插式連接鋼管標(biāo)準(zhǔn)的困境，為承插式柔性接口鋼管的應(yīng)用和推廣提供了技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)上的支撐。

承插式柔性接口鋼管采用膠圈密封，當(dāng)管道受外界荷載作用時能有限滑動，具有消除地基不均勻沉降和溫度應(yīng)力的優(yōu)點，因此其關(guān)鍵技術(shù)在于接口、膠圈的結(jié)構(gòu)形式和性能，一旦接口設(shè)計失誤，柔性接口的特點反而會引發(fā)管道滲漏事故。承插式柔性接口鋼管在國內(nèi)應(yīng)用較少，本研究結(jié)合以上兩項規(guī)程編制過程中對接口結(jié)構(gòu)形式和性能的研究成果，對柔性接口鋼管相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹和討論。

1 承插式柔性接口鋼管結(jié)構(gòu)形式

T/CECS 492—2017 中舉例了3 種比較常見的承插式鋼管柔性接口形式[8]，分別來源于3 家不同的企業(yè)，而且這3種結(jié)構(gòu)形式都具有各自的特色，代表了目前國內(nèi)主流的幾種承插式接口，具體見表1。

表1 鋼管承插式接口結(jié)構(gòu)形式

T/CECS 492—2017 在標(biāo)準(zhǔn)的名稱中加入了“埋地”的限制，在管道計算中對于水平敷設(shè)方向改變處采用重力式支墩或土體抵抗軸向力；T/CECS 10159—2021 中也暫未編入具有軸向約束能力的承插式接頭。在鋼管承插式柔性接口處增加限位措施，使其保留柔性接口優(yōu)點的同時，具備防止軸向拉脫和橫向彎曲脫口的能力，還可以通過接口傳遞軸向力，成為一種半剛性半柔性的接口，適合應(yīng)用于地質(zhì)條件較差或是局部架空的環(huán)境?？馆S力柔性接頭需要根據(jù)管道軸向力、管節(jié)長度等對限位裝置進(jìn)行計算和設(shè)計，以保證抗軸力的接頭形式能承受相應(yīng)的軸向力。目前國內(nèi)相關(guān)接口的結(jié)構(gòu)形式研究和工程案例較少，根據(jù)資料可以分為以下應(yīng)用方向：

（1）自錨式柔性接口，在單膠圈和雙膠圈柔性接口的承口或是插口設(shè)置卡環(huán)、鎖扣等形成機(jī)械止脫裝置[10]，此種接口是對現(xiàn)有承插式接口的二次研發(fā)，屬于升級產(chǎn)品，目前的研究、試驗、應(yīng)用成果有限，距離成熟應(yīng)用尚需時日。

（2）外設(shè)螺栓等限位裝置如圖1所示，通過附件限位裝置限制承插口之間的相對位移量，屬于對單膠圈和雙膠圈柔性接口的改進(jìn)，改進(jìn)方式簡單有效，受力明確，在目前階段比較容易被業(yè)主和設(shè)計單位采用。

圖1 外設(shè)螺栓限位抗軸力柔性接頭

2 承插式柔性接口允許轉(zhuǎn)角

承插式柔性接口允許轉(zhuǎn)角=允許偏移量/直徑。承插式柔性接口的最大偏轉(zhuǎn)角度與管徑、接口結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。一般情況下，同直徑的雙膠圈接口小于單膠圈接口的轉(zhuǎn)角；對于同種柔性接口結(jié)構(gòu)形式，管徑越大，允許的偏轉(zhuǎn)角度越小。

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 492—2017 的3.3.2 條要求承插式柔性接口管道的接口允許轉(zhuǎn)角要滿足表2的要求；在6.1.7 條要求實際敷設(shè)的時候單個接口可用轉(zhuǎn)角值不得大于接口允許轉(zhuǎn)角的1/2。在接口設(shè)計時候要求滿足較大的轉(zhuǎn)角而不產(chǎn)生滲漏，實際使用時對最大轉(zhuǎn)角進(jìn)行限制，提高接口的安全度。

表2 T/CECS 492—2017接口允許轉(zhuǎn)角

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 10159—2021 中承插式柔性接口型式試驗對接口的允許偏轉(zhuǎn)角度見表3，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對于接口的允許轉(zhuǎn)角要求高于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，要求產(chǎn)品具有更高的安全余量。

表3 T/CECS 10159—2021接口允許轉(zhuǎn)角

3 承插式柔性接口對水頭損失的影響

管道的總水頭損失是由沿程水頭損失和局部水頭損失累加產(chǎn)生，承插式柔性接口鋼管的內(nèi)壁在每個承插接口位置都存在不平整面，有可能會增加管道的局部水頭損失。

由于鋼管采用的內(nèi)襯涂層材料的不同，內(nèi)壁的粗糙度不同以及受到水流流態(tài)的影響，很難采用一種公式進(jìn)行各種材質(zhì)管道沿程水頭損失計算。市場上用于直埋的承插式柔性接口鋼管基本采用內(nèi)環(huán)氧外PE 的防腐方式，T/CECS 492—2017 認(rèn)為這種管道的沿程水頭損失計算可以適用塑料管道的計算公式；GB 50013—2006 在計算沿程水頭損失時也將內(nèi)涂塑料的鋼管與化學(xué)管材定義到同一類型的管道進(jìn)行考慮。

為研究鋼管承插式柔性接口對局部水頭損失的影響，同時驗證涂塑鋼管的內(nèi)壁光滑程度符合規(guī)程的要求，山東沃亞森曼機(jī)械科技有限公司（T/CECS 492—2017 的參編單位）在2016 年結(jié)合某調(diào)水工程，利用一段長度為2 440 m，管徑為DN900 mm，采用環(huán)氧內(nèi)防腐，兩測點相對高差0.815 m 的承插式柔性接口鋼管管道進(jìn)行了水頭損失現(xiàn)場測試，如圖2所示。

圖2 承插式柔性接口鋼管水頭損失試驗示意圖

根據(jù)GB 50013—2006 的管道沿程水頭損失計算方式，選擇海曾-威廉計算公式（見公式1）。本次試驗的主要方式是根據(jù)管道長度、管徑、實測流量、實測水頭損失，推算海曾-威廉系數(shù)Ch，計算結(jié)果見表4。

表4 管道水力計算參數(shù)結(jié)果

式中：i——單位長度管道沿程水頭損失；

dj——管道的計算內(nèi)徑，m；

q——設(shè)計流量，m/s；

Ch——海曾-威廉系數(shù)；

hy——管道沿程水頭損失，m；

l——管道長度，m。

根據(jù)試驗和計算結(jié)果可以看出，按實測水頭損失值推算的海曾-威廉系數(shù)Ch與GB 50013—2006條文說明附表9中化學(xué)管材、內(nèi)襯與涂塑料的鋼管的海曾-威廉系數(shù)的取值范圍基本吻合，且Ch值均大于140，表明：①長距離輸水管道的水頭損失以沿程水頭損失為主，承插式柔性接口引起的局部水頭損失可以忽略；②鋼管采用內(nèi)環(huán)氧防腐的管壁光滑程度與塑料管相近。

4 結(jié)束語

T/CECS 492—2017 和T/CECS 10159—2021總結(jié)了我國近年來承插式柔性接口鋼管的實踐經(jīng)驗，借鑒了國內(nèi)承插式柔性接口的技術(shù)研究成果，將成熟、先進(jìn)的鋼管管道連接形式納入規(guī)程，給出了典型的滑入式連接接頭，接口形式技術(shù)先進(jìn)、施工方便、縮短工期，具有較顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，充分體現(xiàn)了技術(shù)的先進(jìn)性和可操作性。同時對構(gòu)造、設(shè)計、施工等做了相應(yīng)規(guī)定，并與管道設(shè)計、施工及驗收的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)。

承插式柔性接口鋼管有較好的市場需求，從外觀品質(zhì)、施工、造價、綠色建材等各角度來看，在市政給水和排水工程中均是球墨鑄鐵管和焊接鋼管的優(yōu)質(zhì)替代產(chǎn)品。相關(guān)的設(shè)計和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)均已發(fā)布實施，國內(nèi)一些鋼管制造企業(yè)也已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品，這種新型管道的推廣和使用將進(jìn)一步推動我國輸水鋼管的發(fā)展。