聚乙烯（PE）管道爆管的原因及解决措施

Reasons of PE Pipe Break and the Resolving Measures

张志浩    姜炳和  郑小明

（上海市自来水闵行有限公司  上海201100）

摘要：聚乙烯管作为新一代的自来水水管材正在水行业中得到迅速推广应用，但管材纵向回缩率的物理特性对施工质量会产生较大影响，工程实践中的案例研究表明，在聚乙烯管设计施工时一定要考虑管材纵向回缩率这一问题，要严格按《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》组织施工，提出了预防管材纵向回缩率的相关措施。

As a new generation of water supply pipe material, the PE pipe is wildly used in the water industry. However,the physical characteristic--longitudinal reversion of the pipe material, will put a deep infection on the construction quality.Research of practical cases indicates that, during the design and construction of PE pipeline, the longitudinal reversion must be considered, strictly according to the Technical Specification of Buried PE Pipeline of Sewer Engineering, while proposing relative measures to prevent it. 

关键词：爆管；温差；聚乙烯管材；纵向回缩率

Key words: Pipe Break；Temperature Difference；PE Pipe, Longitudinal Reversion.

由于聚乙烯埋地管材（以下称PE管）可以比较方便做到热熔对接、电熔接和承插接，且在抗冲击、环保、经济性等方面具有优势，因此在上海得到大力推广，并且将逐步代替聚氯乙烯管材。

PE管材另一大独特的特点就是其应用于非开挖技术施工，上海市自来水闵行公司将该技术大量的应用于排管工程中需穿越道路、河道等地段的施工中，不但减低了建设成本，而且提高了施工进度。

在新材料、新技术的不断应用中，我公司也不断探索研究。这次在上海地区气温急剧下降后，供水管网上出现了多处由非开挖导向钻敷设的PE管道接口断裂、回缩脱口等管道爆管事故，引发了我们对PE管应用问题的思考，并就此提出了一些观点，特整理出来供参考。

1          事故现象：

      2005年末，上海地区突遇寒潮来袭，地面温度下降至-5℃，突发的低温使得我公司供水管网的维修工作量大大增加，在这其中连续有3次大口径PE管道的爆管事故发生，漏水量较大，而且发生故障的管道部位比较特殊，经过现场观察、调查和分析，我们认为这3次爆管的情况比较相似，表现出的特征比较明显、典型，如下图，我们可以比较看到由非开挖导向钻进技术铺设的PE管道受到温度影响发生纵向回缩的情况，相对回缩位移长度较大。

实例图：管道接口完全脱出

通过实地调查，我们注意到发生爆管事故的供水管道都是在2005年6月中旬竣工的新建工程（输水管道），同时爆管部位均发生在非开挖定向转穿越工艺施工的聚乙烯管道与直路球墨管相接处，为球墨配件脱落引起的；而且全部是管道的纵向位移，管道接口脱离距离较大，另外这3次爆管漏水同时发生在上海寒潮来袭的次日，较多的共同特征引发了我们的思考：

什么原因导致事故的发生？

季节温差的变化是否是这3次爆管漏水事故真正“元凶”？

在非开挖工艺中使用热熔对接的聚乙烯管道受温差变化到底有多大？

市政道路上使用聚乙烯管道又应注意哪些方面呢？

1.1         观察以及调查情况

我们翻阅这3项新建工程的竣工档案，对部分相关信息作了对比，同时结合爆管现场观察到的具体情况，整理得到下表：

l        3组实例故障部位的接口示意图如下： 

1.2         归纳相关特征

我们针对以上情况，总结并且归纳了如下六点共同特点：

l        3处拉脱部位，为PE管道与球墨管道的接口连接，球墨配件；接口配件脱落部位（承插口）均为靠聚乙烯管道一边，表现PE管道的受冷后纵向回缩现象而产生的位移，偏移距离较大；

l        聚乙烯（PE）管道使用的是非开挖定向钻进穿越工艺，均采用热熔对接连接，管道末梢安装法兰；

l        实施管道和发生事故当天气温温差达到30~35℃；管道埋设深度1.1米（管顶到地面）；

l        该接口节点覆土未按《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》要求的：聚乙烯管道宜采用弧形人工砂基的有关要求；

l        管道接口为郊区农田或小河附近，土体经过开挖后土质现状较松，回填土也未按要求压实；

l        定向钻进的施工企业和聚乙烯材料的生产厂家，都是我公司通过审核认证的定点单位，产品质量和技术能力是合格的；

2          分析

2.1         PE特性及施工规范

根据现行行业标准——《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》中有关描述如下：

l        管材物理性能纵向回缩率（110℃），不大于3%；

l        自由管段由季节温差引起的纵向变形量ΔL，可按下式计算：

                                   ΔL =αLΔt                     （3.1）

   α—聚乙烯管道的线膨胀系数，(文中我们取值0.2mm/m·℃)

l         管道接口的连接方式应根据管道的受力状态、管道沿线工程地质条件等因素合理确定。

l        聚乙烯管道宜采用弧形人工砂基，其管底以下垫层部分的厚度不宜小于100mm。

l        聚乙烯管道的回填土应压实，其压实系数应在有关设计文件中明确规定，对弧形人工砂基管底垫层应控制在0.85~0.9。

2.2         数据分析：

2.2.1   按式3.1公式，我们在得到纵向变形长度与温差变量的线性关系图（如下）：

2.2.2   图中，我们将实际发生的3次纵向收缩引起的位移长度，标示在图中，温度参照施工当天气温与发生爆管当天的气温温差值（34℃、30℃、28℃）。可以发现3个实例按其实际温差不同发生的纵向位移长度线性关系于计算得到的纵向位移线性关系基本平行；

2.2.3   实例的纵向位移长度低于计算的纵向位移长度，图中3个变形量的点在正比曲线下方，分析为实际土壤中发生的温差变化远远小于地面上的温差变化；

2.2.4   按纵向回缩率的变化曲线，实例1在3组实例中发生的位移最大；

2.3         原因归纳：

2.3.1              PE管道纵向回缩集中发生于两种管材结合薄弱部：

由于PE管道是热熔连接的，而与球墨管连接时靠法兰接口相接，所以对于PE管道部分来讲可以认为是一体的，那么PE法兰以后安装的平插、平承或套筒等连接其后球墨管段的部位就成了最薄弱点，而这个部位的接口连接方式在目前相关的施工规范中没有特别规定（即对防范PE管道的纵向回缩没有任何措施），所以金属管道与聚乙烯管道的接口连接的这个部位可能就是防止PE回缩造成损害的关键部位了。

2.3.2                    施工时的日照对PE管道影响较大

实例1的位移长度略大于计算长度，在3组实例中变现的最为突出，这是什么原因，我们分析，这可能是6月中旬，上海地区已进入夏季，日照情况相对比较强列，而PE管道在现场地面进行接口热熔过程中，受到太阳的直接曝晒，因为给水用PE管道表面为黑色，PE管道添加有炭黑材料，作用是防止紫外线对管道材质进行光降解，在日照情况，黑色容易大量的吸收热量，下管前管体表面温度远远超过实际气温，热膨胀程度更严重。这主要是施工过程中缺乏适当的措施，来避免日照对管道影响。类似的PE管道直接曝晒于强烈阳光下的施工，在给水工程施工中比比皆是，而实例1正是这个问题的最好证明。

2.3.3                    上海地区季节温差较大（夏季/冬季），是管道纵向回缩的主要原因

上海的季节温差变化比较大，夏季和冬季的最高和最低温差变化可能要达到40℃以上，作为东部沿海城市，受季风影响，土壤冷热干湿四季分明；而土壤的土体温度变化是受到湿度（水分循环）和温度的影响，所以上海在潮湿的冬季温度下降应该是最大的，而上海地区夏、秋两季比较干燥，日照较多，土体温度下降不明显，可能类似于保暖筒，土壤温度变化不大。所以管道定向钻进拖入土中后由于环境没有较大变化，于是管道物理性能保持原状；而进入冬季随着湿度的提高，土壤热循环速度加快，带来土壤表层温度的急剧下降。所以上海寒流的突然袭击，环境条件的突然变化，使得定向钻进拖入的聚乙烯管道产生冷缩现象，即其物理性能纵向回缩，导致管道接口薄弱处脱出爆管产生。

2.3.4                    接口部位砂基处理和回填土压实处理：

按施工规范规定PE管道宜采用弧形人工砂基，其管底以下垫层部分的厚度不宜小于100mm。并且PE管道的回填土应压实，此次我们列举的3个实例，受破坏的3处接口均没有做到以上的工作，这可能也是漏损得主要的原因之一。土壤的结构对管道外壁有一定的摩擦阻力，所以它的密实度和稳定性对管道接口的安全有一定的保障作用。砂基处理目的是保障土体的稳定性，回填土压实是保障土体的密实度。例如：我公司在05年有大量的非开挖定向钻进工程竣工，但所有在市政道路上施工的项目（需进行路面修复的）都没有出现纵向位移现象，或者可以严格的说是没有表现出漏水现象，而就是这三处在郊县田埂、河岸边的管道施工项目，施工单位未对接口处的回填土按要求操作，也是导致问题就产生原因之一，这就可以说明砂基处理和回填土压实处理应该是保障管道接口安全的必要措施之一。

2.3.5                    定向钻进技术拖拉PE管道的影响

PE管道的另外一个特性是断裂伸长性，简单的说定向钻进使用的拖拉机械提供的拉力与聚乙烯管道自身的重力、土体对管道的阻力，这两组相反的作用力，对PE管道在钻进施工过程产生一定的拉伸变形，而PE材质又是一种存在一定记忆性的化学聚合物，在一定的环境条件下，需要恢复拉伸的变化量即回缩一定的量，这个变化可能比较微小也较慢，但这个物力性能应该对本文中PE管道的纵向回缩变化的一种补充解释，也应作为影响因素的一方面。

综上所述：

l        目前使用的PE管道与金属管道连接的接口部分，其连接配件是容易发生管道漏损的薄弱点；

l        要防止该接口漏损现象的出现，除了按施工规范严格控制野外施工质量外，必须要预防PE管道本身存在的热胀冷缩现象，即它在温差变化较大的情况下有纵向回缩现象出现，该现象对于季节温差变化比较大地区对其供水管网是一种潜伏的隐患；

l        另外PE管道受到拉力后也有一定拉伸变形，在一定条件下会恢复拉伸的变形量，也是隐患之一，必须预防，保障管道的运营安全；

l        建议对现行行业标准——《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ 01-2004）中的 “5 管道连接”一章进行必要的修改，进一步规范PE管道在施工过程中的接口连接方式；

3          解决措施

如何预防PE管道的纵向回缩现象，在市政道路上进行PE管道的施工应注意哪些方面？是我们在运用PE管道上需要认真对待的问题，我们要积极的寻求措施和方法减小PE管道的纵向回缩产生的破坏性影响，结合这次遇到3个实际例子，我们应从以下几个方面来考虑：

3.1         PE管道在现场施工过程中，特别是热熔接口，必须做好现场的避阳工作，减少夏季施工时太阳的直接曝晒，降低受热程度；做好施工组织设计，对现场聚乙烯管材的温度要有一定量的控制，必要时可选择在早晚间敷管，避免阳光直射，在措施上降低一定量的温差变化。

3.2         严格按照《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》中要求的聚乙烯管道的填砂，回填土等施工规范来控制覆土质量，增加土体对管材的阻尼，降低由于覆土问题（土体的密实度稳定性）而导致的接口漏损问题。

3.3         考虑在PE管道接口处设置补偿器，增加一定量的变形余量：

3.3.1   根据目前的管配件情况，考虑在PE管道与金属管道结合处加装管道伸缩接，可以增加一定的变形余量，起到降低漏损风险的作用。该方案实施比较简单，但管道伸缩接的屈伸距离较小，可能只适合短距离的PE管道上，如定向钻进的PE管道和金属管道的连接方案，拖拉管两侧均要设置管道伸缩接，补偿PE管道的纵向回缩量；

3.3.2   设计适合给水用的波形补偿器，连接PE管道与金属管道，提供足够的变形余量，防止管道的热胀冷缩造成的管体位移；如果考虑PE管道长距离铺设，利用波形补偿器，在一定的距离范围内设置，以减少聚乙烯材料的物理特性对管网安全的危害，大大降低漏损风险；

4.4  目前我公司PE管道敷设主要采用热熔接口和承插接口，热熔接口因其技术相当成熟，故被广泛使用；但是如果考虑尝试在市政道路上应用承插连接方式的PE管道，根据承插PE管接口特点——柔性的带有一定收缩余量，那么由于季节变化的纵向回缩量，在每个承插接口上得到分解，纵使每根PE管长六米，该管变化虽微乎其微，但已将该纵向变化化解于无形中，这也不妨是个好的方法；

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