《埋地聚乙烯(HDPE)排水管道技术规定》-培训讲义解析

《埋地聚乙烯（HDPE）排水管道技术规定》培训讲义青岛市市政工程设计研究院二〇〇五年十二月一、聚乙烯管的发展在国外，聚乙烯管的应用始于20世纪40年代最初用作电话线导线和矿井无压排水。20世纪50年代中期，用于给水管道（高密度聚乙烯管）。20世纪60年代中期，用于输配气管道（高密度聚乙烯管）。目前，聚乙烯管材已成为在PVC-U管材后，世界上消费量第二大的塑料管材品种。消费量在150万吨以上。广泛用于燃气输送、给水、排水、农业灌溉、油田、矿山、化工及邮电通信等领域。我国近年来HDPE管道发展很快。2000年以来引进的HDPE管材生产线超过了100条，生产能力超过30万吨/年。并且有了一批大型的管材生产企业，这些企业不仅生产线全部进口。而且还有很强的管件生产能力。我国已经能够生产直径1600的HDPE给水管。大多数拥有进口生产线的企业也都能够生产到直径630。而PVC管材的生产发展速度有些放慢，目前生产的最大直径为720。聚乙烯塑料管材主要用于排水管和中水管道采用的比较多，而给水管道使用的比较少。一、聚乙烯管的发展在我国用于排水管的结构壁管首先发展的是U-PVC的双壁波纹管和环状肋管。从这两种U-PVC结构壁管发展状况来看，双壁波纹管逐渐占了上风。主要的原因首先是生产双壁波纹管比生产环状肋管要容易一些，其次就是环状肋管生产线国内没有很好开发，只有上海“金纬”比较成功。还有一个重要的原因就是双壁波纹管比环状肋管节省原料（在同样直径,同样环刚度条件下）。U-PVC结构壁管由于原料加工性能的限制，我国只能生产到直径500，但是上海“公元”最近引进的生产线已经可以生产到直径600。由于U-PVC的刚度要明显好于HDPE，因此U-PVC双壁波纹管的承口刚性也比较好，连接比较可靠。并且承口是下线加工，生产线可以始终在较高的速度下运转。加上产品很低的价位，因此在直径500-600以下的范围内是HDPE双壁波纹管强劲的竞争对手。U-PVC结构壁管有刚度好，价格低等优点，但是也有低温抗冲击性能差的缺点，特别在我国北方冬季施工时非常容易破损。近年来由于市场竞争激烈，U-PVC的配方性能越来越差，以致在堆放和运输中也时常发生破损，影响了U-PVC结构壁管市场进一步开发。尤其是北方市场HDPE结构壁管在这一点上有明显的优势。一、聚乙烯管的发展另一种缠绕管就是中空壁缠绕管，这种管材在我国的发展是来自韩国的技术。2000年我国引进了10条韩国中空壁缠绕管生产线。由于投资较小，生产过程简单，又可以生产直径2000或者更大的缠绕管，因此很快在我国形成了大口径中空壁缠绕管热。有20多个设备生产企业开发了中空壁缠绕管生产线，实际销售的数量难以统计。但是这一股热潮没有持续很久，很快就被双壁波纹管取代，主要的原因是国内双壁波纹管生产线开发成功，并且迅速形成批量的生产能力，设备的价格也能够为国内企业接受。另一方面在产品经济技术指标上，双壁波纹管占有一定的优势。因此HDPE双壁波纹管逐渐成为塑料埋地排水管的主流产品迅速发展起来。以HDPE双壁波纹管和中空壁缠绕管相比，在相同的直径和相同的环刚度条件下，双壁波纹管要比中空壁缠绕管节省原料30%以上，因此在产品的价格上双壁波纹管占有明显优势。二、聚乙烯（PE）管道的类别聚乙烯管可分为:实壁管（Solid-wallpipes）结构壁管(Structured-wallpipes)聚乙烯管道最初和最主要的结构形式是通常见到的实壁管。它的基本特征是沿管材任一位置的横断面处结构尺寸均一致，而且管壁材料密实、均质。所谓结构壁管是指对管材的断面结构进行优化设计，以达到减少材料，增强管材结构性能（如提高刚度）的管材品种。主要有以下几种。二、聚乙烯（PE）管道的类别塑料波纹管是指管壁为同心环状中空棱纹的管材，波纹为平行环型。具有用料省、刚性高的特点。最早的是单壁塑料波纹管，指塑料的内、外壁均具有波纹的管材；主要用于高尔夫球场、农田的暗沟排水管；这种管材的内表面有凹凸，阻碍流体的流动。双壁塑料波纹管，是在单壁塑料波纹管的基础上发展起来的，管壁纵截面由两层结构组成，内层光滑，外层为波纹状（波纹形状可为直角、梯形、正弦形等）。双壁波纹管是同时挤出两个同心管再将波纹外管熔接在内壁光滑的内管上而制成的。由于管壁截面中间是空芯的，在相同的外压承载能力下可以比普通的实壁管节省50％以上的材料。主要用于室外埋地排水管道、污水管道、通讯电缆套管和农用排水管。塑料波纹管的最常见的材质是PVC-U和聚乙烯（PE，通常为HDPE）、聚丙烯（PP，多为PP-B）。最早的波纹管是PVC材料，在1958～1959年间出现。PVC-U双壁波纹管的外径通常在800mm以下。聚乙烯双壁波纹管的外径达到2000mm。2.1波纹管二、聚乙烯（PE）管道的类别2.1波纹管标记示例：公称内径为500mm，环刚度为SN8的PE双壁波纹管材的标记为：双壁波纹管PEDN/ID500SN8GB/T19472.1-2004二、聚乙烯（PE）管道的类别2.1波纹管二、聚乙烯（PE）管道的类别2.2螺旋缠绕管螺旋缠绕成型的管材种类比较多。其共同特点是在缠绕芯轴上螺旋缠绕挤出的PVC-U和HDPE型材而成型为整体管材。技术的特点是管材口径由螺旋缠绕芯轴直径决定，而芯轴直径可以设计得很大，因此可以用较小的挤出机生产口径很大的管材。螺旋缠绕中空壁（双层壁或多层壁）高密度聚乙烯管该技术先挤出方管型材坯，通过缠绕成型台缠绕成型管子，在方管型材缠绕熔接时，向型管间挤出工字型填充的熔料。该类型管子的优点是管内壁、外壁均平滑，方便连接。以上是按照管道的结构特征分类的，当然，还有按照管道的材料的品种分类的，如：主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。按照管道的材质组成分类，如管壁是由两种或两种以上的不同材料分别组成的结构部分复合在一起构成的，这种管子为结构复合管。结构复合管由分为塑－塑复合管，塑－钢复合管、塑－铝复合管等。二、聚乙烯（PE）管道的类别2.2螺旋缠绕管二、聚乙烯（PE）管道的类别2.2螺旋缠绕管三、HDPE管道的特点3.1水力条件好由于HDPE管内壁表面光滑，管道的粗糙系数n＝0.009～0.01，按曼宁公式计算流量时，同等管径条件下，比砼排水管过流量大30％，即选用HDPE管，其管道管径可以选用砼（钢筋）缩小1～2个管道等级。3.2密封性好可实现零渗漏，由于管道连接可采用电熔焊技术，便接口处的两段管安全熔为一体，保证了管道接口不会渗漏。3.3生产的管径范围广HDPE管目前可生产的管径范围为200～4000，比PVC管生产的管径范围要广（PVC管管径最大为DN600）。抗老化性能好，由于HDPE管的原材料为高分子成分的聚乙烯组成，更能有效地抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀和未经处理的工业废水和生活污水的侵蚀。3.4耐腐蚀3.5柔韧性好3.6质量轻3.7强度高HDPE管属柔性管，延伸性能好，能适应地基较差条件下的施工及避免地基沉降对管道性能的影响。特别是在沿海地区，工程地质条件普遍较差，沉降严重，该种管材与其它管材相比，具有明显的优势。安装方便，减轻了劳动强度，缩短了施工工程使用寿命长，由于HDPE管是采用100％高密度聚乙烯在热熔状态下整体制成的管道，其整体性好，化学性质稳定，强度高，使用寿命长，一般可达50年以上。三、HDPE管道的特点四、结构计算4.1竖向变形计算管道外压荷载比较复杂，主要包括土壤重量和地面产生的静荷载，以及运输车辆经过时产生的动荷载。HDPE属于柔性管，在外压荷载下管材和周围的土壤（回填材料）产生“管土共同作用”（即管材和周围土壤（回填材料）共同来承受外压荷载）。目前世界各国在埋地管道的设计计算方面还没有完全一致的方法，但是绝大多数国家都以美国Spangler公式衣阿华公式作为计算埋地柔性管外压荷载下变形量的基础公式。Spangler公式如下：33'061.0rEEIrKWDXcL四、结构计算Spangler模型土壤压力分布《埋地聚乙烯（HDPE）排水管道工程技术规定》也是以此公式为基础的。《规定》中计算HDPE管在外压荷载下，竖向管道变形量的公式5.3.2-1：doppvkqksvdldErIEDqFKDw061.0/31,max,四、结构计算其物理含义是doppvkqksvdlErIEDqFKD土壤参数管材参数管径车辆压力系数土压力系数系数变形量061.0/31,物理含义可简化为土壤参数管材参数车辆压力土压力系数变形量从5.3.2-1中可以清楚地看出决定埋地柔性管外压荷载下变形量的一方面是荷载的大小（公式中分子部分），另一方面是管材结构性能和周围土壤结构性能两者之和（公式中分母部分的两项）。所以，决定HDPE管铺设后能否正常工作的，荷载、管材和土壤（回填）三个参数都很重要，而且相互影响。4.2环刚度的物理定义和测定。四、结构计算根据承受荷载的管土共同作用，从5.3.2-1中可以看到管材的结构性能是决定能否承受荷载的重要参数。这个管材参数（抗外压荷载）有三个由管材材料、结构和尺寸决定的因素（EpIpro）：3rIEpp管材参数Ep---管材短期的弹性模量（kN/m2）Ip----管道纵截面每延米管壁的惯性矩（m4/m）ro----管道计算半径（管壁中性轴半径）（m）所以，从理论上讲，每当我们进行塑料埋地排水管设计时必须首先知道这三个数值，然后才能放在公式中去设计计算。由此，如果设计时根据了这三个数值，生产企业提供的管材就要保证这三个数值。但是，在实践中这三个数值不容易获得。首先，管材的弹性模量不容易测量，采用不同牌号和不同配方的原材料弹性模量都会有很大变化。此外，管道纵截面每延米管壁的惯性矩很难计算（埋地塑料排水管一般采用结构壁管，结构截面常常是比较复杂的几何形状），结构尺寸（如壁厚）的变动会造成惯性矩明显变化。而且，在设计确定以后，如果要求制造厂保证这三个数值都不变也是很不现实的。为此引入“环刚度”，用以保证管材的抗外压荷载的能力。国际标准ISO对于环刚度S的定义是：四、结构计算3DEISE材料的弹性模量I惯性矩D管环的平均直径单位是KN/m2所以，计算竖向管道变形量的公式可以直接用环刚度数值表示为dpvkqksvdldESDqFKDw061.081,max,四、结构计算其中Sp就是国际标准规定的环刚度。3rIEpp管材参数38DIEpp（D=2ro，==8Sp）因此，只要知道环刚度Sp的数值，不需要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值就可以进行设计计算。而环刚度Sp的数值可以通过对管材的实际测量来获得。通过对管材的实际测量来获得环刚度Sp的方法已经标准化，有国际标准ISO9969:1994。我国国家标准GB/T9647-2003“热塑性塑料管材环刚度的测定”等同采用了ISO9969:1994。国家标准GB/T9647-2003测定环刚度的方法比较简单：按要求的方法在两个平行的平板间压缩一段管材，测量在管直径方向变形达到3%时的作用力F，就可以按照以下公式计算出管材的环刚度：LYFdYS/025.00186.0其中，F–相对于管材3%变形时的力值（kN）L–试样长度（m）Y–变形量（m）d—内径（m）四、结构计算4.3环刚度的选择方法环刚度是HDPE管抗外压负载能力的综合参数，显然，为了保证HDPE管在外压负载下安全工作，环刚度的选择是设计中的关键之一。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成用材料太多，成本过高。环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤（回填材料）的情况（变形量公式中的数值Ed—管侧土综合弹性模量（kN/m2），Ed又取决于回填材料的种类、压实程度、槽侧原状土情况等）。环刚度的选择是先初步选择，然后进行‘管道结构设计’，进行管道变形验算、强度计算、压屈失稳计算等。如果计算结果不满足要求就增大环刚度重新计算（或者减少后重新计算）。五、施