转载埋地聚乙烯（PE）排水管道的应用技术

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埋地聚乙烯（PE）排水管道的应用技术
埋地聚乙烯（PE）排水管道的应用技术
摘要： 聚乙烯(PE)管材是一种新型化学管材，具有重量轻、耐腐蚀、管壁光滑、过流能力大、密封性能好、使用寿命长、运输安装方便及施工速度快等特点。用作埋地排水管道时，具有良好的使用性能，但在设计、施工上有不同于其它排水管材的特殊要求。本文主要介绍埋地聚乙烯（PE）排水管道的性能与设计、施工等方面的有关问题。
　　关键词： 聚乙烯（PE）  排水管道  技术规程

　　1  前言
　　聚乙烯(PE)管材是一种新型化学管材，具有重量轻、耐腐蚀、管壁光滑、过流能力大、密封性能好、使用寿命长、运输安装方便及施工速度快等特点。用作埋地排水管道时，具有良好的使用性能，但在设计、施工上有不同于其它排水管材的特殊要求。在国外这种管材已广泛应用于排水管道，并已制定相应的设计施工手册，在国内部分地区也已推广应用，但缺少相应的技术规程。根据中国工程建设标准化协会管道结构委员会（2001）管字第114号“邀请上海城市建设设计研究院参加编制《埋地聚乙烯双壁波纹管、缠绕圆形肋壁管、缠绕双壁中空肋壁管管道工程技术规程》的函”的要求，我院成为编制《埋地聚乙　　烯（PE）排水管道工程技术规程》的主编单位，目前已完成讨论稿、征求意见稿和送审稿。鉴于这种新型管材目前推广前景良好，许多方面都来打听这一新型管材的性能及使用情况，故以下是对这一新型管材做概略介绍。

　　2  管材的特性
　　2.1  柔性管道和刚性管道的差别
　　对于埋设于地下的圆形管道结构，应根据管道结构刚度与管周土体刚度的比值αs，来判别刚性管道或柔性管道，以此确定管道的计算模型，当αs≥1时，应按刚性管道计算；当αs＜1时，应按柔性管道计算。聚乙烯（PE）排水管道属于典型的柔性管道。埋地柔性管道在其受到外压荷载后，能在不破坏结构情况下产生管道变形，此时由管道周围的回填材料去承受外压荷载，从而大大地减少了管道本身所受的外部荷载，而对刚性管道而言，当管道在其受到外压荷载后，荷载通过其管壁传递到垫层。因此柔性管道对于工程设计者提供了明显结构上的好处，在很多场合，因为柔性管道和回填材料的相互作用，适当铺设的柔性管可以比类似铺设的刚性管埋得深得多。刚性管常常比周围的回填材料刚硬，这样它必须承受的土壤荷载超过管道上的土柱重。反之，柔性管道不及周围回填料的刚硬，这促使周围的回填料来承受土壤荷载。柔性管道和回填材料的相互作用有效地加大了管材的结构性能，由于这一特性，容许管材铺设得很深，甚至几倍于同样铺设下刚性管道的容许深度。


　　2.2  聚乙烯（PE）管道的粘弹性
　　柔性管道可以由塑料或金属制成，但是塑料和金属是截然不同类型的材料。金属具有弹性性能，塑料具有粘弹性或和时间关联的性能。就是这种和其它类型柔性管道不同的差异造成了人们对于聚乙烯管道以及铺设后的特性产生误解，如果使用分析弹性材料的技术同样来分析粘弹性材料特性的柔性管道，必然会产生误解。对于聚乙烯，最常见的误解是认为其强度会随时间损失，这个误解就来自把弹性材料的特性用于粘弹性材料。当聚乙烯管道在试验时受到应力产生变形时，其应力、应变曲线是这样的：在开始时有高模量，几乎立即开始降低，下图所示是应力应变的曲线图形：

　　弹性模量或对于粘弹性材料通常用的弯曲模量，是应力变化和应变变化量之间的比例。开始时模量是高的，然后开始下降。过些时间后管材只需要较小的力量来维持同样的应变水平。如果材料的性能是符合弹性原理的，这可以解释为强度的损失。但是，聚乙烯是粘弹性材料，认为其强度在损失是错误的。
　　根据美国Massachusetts大学对聚乙烯管材的研究：“时间对于聚乙烯模量的作用”，设计了一聚乙烯波纹管放置在一试验架上，在这一试验架上，可以在一比较长的时间内测量在重复的、间断的荷载下管材的应力和应变情况。试验时，一个荷载作用在管材上产生一个最初的变形，管材如预计的那样有一个高的初始模量，并几乎立即开始降低；然后在管材仍处在变形下，给管材增加另一个荷载增量，管材再次以它初始的模量做出反应，然后立即开始降低。几次加以荷载增量，每次管材都做同样的反应。不论何时，每次加上新荷载时产生的模量几乎维持相同。这样的特性表现不能说材料的强度在损失。
　　美国Massachusetts大学还有另一个研究项目用来确定短期或长期模量中那一个值应该用在粘弹性管材材料的设计中，试验结果表明：不论从第一次加荷载起，时间已经过去多少，每次新加荷载，材料将总是按短期强度性能反应。
　　这两项研究已经说明了不论聚乙烯管材铺设的时间长短，材料都是按短期模量反应，说明材料的强度没有随着时间损失。试验中表现出来的模量降低是聚乙烯粘弹材料特性的表现。根据这些研究结果表明，即使在长期情况下也推荐采用短期强度性能。
　　为什么聚乙烯管材在应变保持恒定时应力降低呢？答案在聚乙烯的粘弹性特性，粘弹性材料具有两个与时间关联的特性；蠕变和应力松弛。在恒定的应力下应变增加，这是蠕变。这是柔性管材在土壤荷载下变形直到管材和回填材料系统稳定的原因。另一方面，在恒定的应变下应力降低，这是应力松弛。当管材和回填材料系统稳定以后，应力几乎立即开始降低。应力松弛防止应力水平保持在很高水平上，这对于埋地的聚乙烯管材是应该很有利的事。应力松弛还没有定量化到可以应用在设计中，但是不计入这个效果增加了整个设计的安全性。
　　根据以上的研究结果，本次在编制《埋地聚乙烯（PE）排水管道工程技术规程》时，聚乙烯管材的弹性模量采用了短期弹性模量，这对于聚乙烯材料是适当和安全的。

　　3    管材结构断面的设计是提高环刚度的关键
　　非埋地的塑料排水管一般都采用实壁管，但埋地塑料排水管是承受外压负载的，所以一般都采用结构壁管，很少用实壁管。因为结构壁管可以在达到同样环刚度下比实壁管节省30-70％的材料。所谓结构壁管就是为达到某一标准的物理、机械和其它性能的要求，对管壁进行最优化设计，从而提高管材的环刚度。埋地聚乙烯排水管目前有二大类，其一是聚乙烯双壁波纹管，其二是聚乙烯缠绕结构壁管。聚乙烯双壁波纹管是一种内壁光滑平整，外壁为梯形或弧形波纹状肋，内壁和外壁波纹间为中空，用挤出成型工艺制成的管材。聚乙烯缠绕结构壁管又分缠绕双壁矩形中空肋壁管和缠绕圆形中空肋壁管，缠绕双壁矩形中空肋壁管是一种内外壁光滑平整，管壁中间为矩形中空肋，用挤出成型的中空矩形管在圆形模具上缠绕焊接成型的管材；缠绕圆形中空肋壁管是一种有内壁光滑、外壁平整、管壁中间为圆形中空肋和内壁光滑、外壁为螺旋状的圆形中空肋两种类型，用挤出成型的中空圆形管在圆形模具上缠绕焊接成型的管材。目前这三种管材在国内都有引进的生产线，产量不低，并有一定的市场。聚乙烯双壁波纹管主要填补由于聚氯乙烯双壁波纹管或环状肋管在生产DN600管径以上由于在生产工艺上有困难(聚氯乙烯流动性差、热稳定性差和热熔接性差)而留下的塑料埋地排水管系列管径空缺，目前主要生产中小口径系列，本次在编制《规程》中，明确了双壁波纹管的公称直径不宜大于DN1200；聚乙烯缠绕结构壁管优点之一是可以制造很大直径的埋地排水管，它的生产工艺决定了它可根据不同埋深、不同管径、不同覆土状况而设计出最经济的结构壁管，部分生产缠绕结构壁管的厂家,目前生产管材的最大直径已达DN3500，但这部分比例不大，且管径越大，环刚度越低，若提高环刚度，则很费料，故本次在编制《规程》中，明确了缠绕结构壁管的公称直径不宜大于DN2500。
　　怎样能够用最少的材料达到要求的环刚度是生产企业需要解决的关键问题。环刚度的物理定义是EI／D3，可见提高弹性模量E和结构断面的惯性矩I是提高环刚度的基础，弹性模量取决于材料的选择；惯性矩取决于结构断面的设计。无论是直接挤出成型的双壁波纹管，还是缠绕熔接成型的结构壁管都有许多不同的结构设计，目标都是在尽量少用材料下提高惯性矩(同时要保证其他方面的要求)。例如：双壁波纹管的结构断面设计中适当增大波纹的高度可以明显地提高惯性矩，国内外生产埋地双壁波纹管的企业都在研究这个课题，近年也有不少新进展。一般讲，比较相同直径、相同环刚度下每延米的重量是判断管材结构设计是否先进的一个重要指标。

　　4  聚乙烯管道的结构设计
　　无内压的聚乙烯管道的结构设计应包括管道环截面变形验算、管道环截面强度计算、管道环截面压屈失稳计算、管道抗浮稳定计算。
　　本次在编制《规程》中，正逢国家标准《给水排水工程管道结构设计规范》GB 50332－2002发布，因而在编制《规程》中均采用了以概率理论为基础的极限状态设计法，管道上的作用也是按照《给水排水工程管道结构设计规范》GB 50332－2002中的相关条款制定的。

　　4.1  管道环截面变形验算
　　本《规程》的管道环截面变形公式采用了美国spangler氏公式，此公式符合国际上普遍采用的柔性管变形计算公式：
　　　　　　　　
　　式中　ωd,max──管道在组合作用下的最大竖向变形量(m)；
    　　　 Kd──管道变形系数，应按管道的敷设基础中心角确定；
    　　　 Dl──变形滞后效应系数，可根据管道胸腔回填密实度取1.2~1.5；
    　　　  Ψq──可变荷载的准永久值系数；
    　　　 Ep──管材短期弹性模量(kN/ m2)；
    　　　 Ip──管道纵截面每延米管壁的惯性矩(m4/m)；
    　　　  R0──管道计算半径(管壁中性轴半径)(m)；
        　　 Sp──管材环刚度(kN/ m2)；
      　　  Ed──管侧土的综合变形模量(kN/ m2)，应由试验确定。
　　在上述管道环截面变形公式中，本《规程》给出了二个验算公式，其一是已知管材截面特性求管道最大竖向变形量，这是基本公式，考虑到聚乙烯结构壁管管材的截面特性很难求出，而管材的环刚度是已知的，故本《规程》又给出了已知管材的环刚度求管道最大竖向变形量的公式。
　　在管道环截面变形计算中，需要应用管侧土的变形模量，在《规程》的初稿中对此仅考虑了管侧回填土的密实度，以此确定相应的变形模量。实际上管侧土的抗力还会受到沟槽两侧原状土土质的影响，国外相应的规范中已计入这一因素，因此在《规程》的送审稿中采用了考虑原状土性能后的综合变形模量。
　　管道的允许直径变形率，在美国聚乙烯波纹管协会资料（聚乙烯波纹管的结构设计方法）中规定小于7.5%；在《给水排水工程管道结构设计规范》（GB-50332-2002）中规定小于5%；考虑到国内各类型管材产品性能不一、产品质量有高低，因此本《规程》明确规定小于5%。
　　4.2  管道环截面强度计算
　　在《规程》中，管道环截面强度计算公式是参照了美国聚乙烯波纹管协会资料（聚乙烯波纹管的结构设计方法）的有关内容而制定的。管道环截面的强度计算按柔性管的理论计算，管两侧的侧向土抗力由管道在竖向荷载作用下管径侧向变形的大小确定。侧向土抗力的图形采用Spangler抛物线型，管道在外压荷载作用下的弯曲应力通过在竖向变形下管材的应变来计算。
　　抗拉强度问题：美国聚乙烯波纹管协会有关《聚乙烯波纹管的结构设计方法》资料中推荐聚乙烯抗拉强度值为20.7MPa；根据国家标准高密度聚乙烯树脂GB 11116-89 挤塑类的高密度聚乙烯的拉伸屈服强度都在21MPa以上：
挤塑类    拉伸屈服强度（MPa）
PE-EA  57D003    22～24
PE-EA  57D012    22～24
PE-FA  50D012    21～23
PE-FA  50G200    21～23
PE-GA  50D006    22～24
PE-GA  57D006    22～24
PE-GA  57D012    22～24
PE-LA  50D012    22～24
PE-LA  57D006    22～24
　　故本《规程》提出的聚乙烯管材的抗拉强度标准值： ≥ 20.7 MPa。

　　5 埋地聚乙烯排水管道的连接和敷设技术
　　埋地聚乙烯排水管道的连接和敷设是非常重要的。埋地聚乙烯排水管道和传统的混凝土管道竞争优势就在连接和敷设的方便与可靠上。换句话说，如果埋地聚乙烯排水管的连接和敷设不方便、不可靠，价格又比混凝土管高，就不可能被市场接受。
　　5.1  埋地聚乙烯排水管道的连接方法
　　埋地聚乙烯排水管道的连接方法有很多种，各有其优缺点和适用范围。聚乙烯管道连接一般有承插式密封圈连接、电熔连接、热熔连接、焊接连接和其它机械连接（哈夫连接和法兰连接）等形式。承插式密封圈连接包括单承口密封圈连接和双承口密封圈连接。单承口密封圈连接是目前常用的管道连接方式，管材的一端为承口，另一端为插口；双承口密封圈连接的管材两端都为插口，另配双承口短管，二根密封圈，此连接方式是通过管道的插口端插入相邻管端的承口端构成的搭接连接，承口和插口管端间空隙内用配套的橡胶密封圈密封，属柔性连接。电熔连接包括承插式电熔连接和套筒式（带或套）电熔连接。此连接方式是通过镶嵌在连接处接触面的电阻丝通电后产生的高温将接触面熔接成整体，属刚性接。热熔连接包括对接式和套筒式（带或套）等连接形式。此连接方式是通过专用热熔设备将连接部位表面加热，使其熔融部分连接成整体，属刚性接。焊接连接包括承插式焊接连接、平口式焊接连接、V型焊接连接。此连接方式是通过专用焊接工具及焊条（焊片或挤出焊料）将相邻管端加热, 使其熔融成整体的连接方法，属刚性接。机械连接包括法兰连接和哈夫连接，法兰连接是通过相邻管端法兰用螺栓紧固，使配套的橡胶密封圈压密的连接方式；哈夫连接是通过相邻管端用螺栓紧固两半外套筒，使套筒和管外壁间的橡胶密封圈压密的连接方式，前者属刚性接，后者属柔性连接。
　　聚乙烯双壁波纹管的连接中应用最广泛的是承插式密封圈连接。此连接方法施工非常方便，最受用户欢迎。连接的关键是保证密封，按国际标准对承插连接的密封性要进行检测（最近部分企业已开始开展此项检测）。根据欧洲标准EN 1277：1996《塑料管道系统－无压埋地用塑料管道系统－弹性密封圈型接头的密封试验方法》中的检测内容介绍，此项检测主要是要试验承插式管道连接处在管道发生不同变形量和发生转角时密封的可靠性。
　　聚乙烯缠绕结构壁管分为缠绕双壁矩形中空肋壁管和缠绕圆形中空肋壁管。我国目前已引进的缠绕双壁矩形中空肋壁管的连接方法有多种：热收缩带连接、电熔带连接和机械压紧连接。从实际使用的情况看，电熔带连接的方法比较可靠和方便(一般在地面上把管材连接好后再放入沟槽内)，此连接方法成本比较高。而热收缩带连接的方法可靠性较差，而且施工不方便，因为连接处的强度较低，如果在地面上把管材连接好后再放入沟槽内，连接处容易损坏。用热收缩带连接一般要在管材敷入沟槽内后在沟槽内进行，因为需要操作者进入沟槽内，并完成对于管材底下部分热收缩带的适当加热，显然不方便(尤其在地下水位较高的地区)，所以有些用户不愿意采用。我国目前已引进的缠绕圆形中空肋壁管的连接方法主要是电熔连接，在生产管材时在管材的一端专门制作一段内埋电热丝的承口，到铺设现场承插后用专门的设备通电熔焊。这种连接方法的优点是密封性可靠，但制造成本较高，施工时需要电源和专门的设备。
　　5.2  埋地聚乙烯排水管道的敷设技术
　　埋地聚乙烯排水管主要承受的是外压的荷载(包括管顶土重荷载和地面上汽车带来的活荷载等)。因为聚乙烯管属于柔性管，外压荷载是由管材和周围土壤共同承受的，敷设的条件和质量对于其是否能够安全工作起到决定性的作用。国内外应用埋地聚乙烯排水管道的实践证明，工程成败常常取决于敷设。近年在欧洲塑料管材管件协会TEPPFA组织下对于埋地塑料管的负载机理和设计方法进行了系统实验及研究，研究结果明确指出，对于埋地柔性管，铺设是最重要的，比较起来，负载大小、环刚度高低和设计的方法都不及控制好敷设重要。故对我们设计而言，应在设计中强调敷设的重要性，而对施工方来说，应重视敷设的重要性，改变以往敷设混凝土管的粗放野蛮施工方法，只有把握好这一关键环节， 才能保证埋地聚乙烯排水管的顺利推广应用。

　　6　管道的密闭性检验
　　本《规程》在管道的密闭性检验章节中提出了二种检验方法，其一是闭水试验法检验，其检测标准通过比较，最终选择了最为严格的美国《PVC管设计施工手册》的相关标准，作为管道的允许渗水量标准。其二是闭气试验法检验，对于管径较大、缺少水源的工程，如采用闭水试验法检验有一定的困难，本次在编制《规程》中，我们通过收集国外的相关资料，首次提出了在排水管道工程中采用闭气试验法检验，并在《规程》的条文说明中具体地列出了不同管径在规定压降下所需的最短时间。此方法是向封堵严实的检验管段内充入低压空气，如果在规定的时间内，检验管段内的压降量未超过规定值，则判定该管段合格。在《规程》中，我们还提出了具体的检测方法和在检测过程中必须严格遵守的安全注意事项，我们希望这一检测方法能在工程实践中得以推广应用。
　　塑料埋地排水管在国际上已经广泛应用了几十年，在我国塑料埋地排水管是到1998年后才逐步推广开来。由于塑料埋地排水管的独特优越性和**的支持和鼓励，近年来市场在迅速扩展。根据国内已有的工程实例，塑料埋地排水管本身的价格虽然比混凝土管要高一些，但是由于铺设方便迅速，管道系统的综合造价上常常可以接近甚至低于用混凝上管。前几年，小口径的聚氯乙烯双壁波纹管或环状肋管在上海的广泛应用，为塑料管的推广应用开了一个好头，我们相信，中小口径的聚乙烯排水管也将有广泛的推广应用价值。