大口径输水管（精选4篇）
大口径输水管 篇1
南汇区地处上海市东南郊,地处长江口杭州湾的交汇处。上海市1999年对郊区实施集约化供水管理,乡镇水厂逐步划归区自来水公司统一供水,现供水面积约500 km2,供水量约36万t/d。由于南汇地区乡镇划归到区集约化供水,区自来水公司的供水面积增大,同时南汇地区经济的迅速发展,需水量逐年增长,因此对区域内水厂实施扩建。
1 工程概况
水厂输水管线扩建工程为满足区域内的社区、商品房、公用事业单位等的用水需求,管径为1 400的输水管线自水厂二泵房起,沿途经过大治河、A3高速公路,穿越咸塘港、高压走廊总长度约12.56 km;中途经泵站调蓄增压管径变为1 200,长度约3 km;经过周祝公路后输水管管径调整为1 000,敷设至上海市浦东地区外环线为止,长度约9 km。水厂扩建的配套输水管线工程是典型的大管径,长距离输水工程。
2 合理选材
由于历史原因,目前供水区域内DN500～DN1 000以上大口径供水管道有一部分为水泥压力管即混凝土管,管材严重落后,管线运行维护费用很高。国内大口径给水管道常用的管材有球墨铸铁管、钢管、灰口铸铁管等,本次输水工程管材选择是在充分考察同行业历史经验,多种管材综合比较后确定为球墨铸铁管,穿越特殊障碍采用弹性度高的钢管。
2.1 灰口铸铁管
铸铁管的特点是经久耐用、抗腐蚀性强,但缺点是性质较脆,多用于耐腐蚀介质管道工程。给水管道工程正逐步被淘汰。
2.2 混凝土管
混凝土管有预应力混凝土和自应力混凝土两种。主要用于输水管道,管道连接采用承插接口,用圆形截面橡胶圈密封。混凝土管具有价格低,耐久性强等优点,但管道刚性度低,管道容易断裂,维修难度大。
2.3 钢管
钢管优点是强度高,可以承受极高内外压,适用于穿越各种障碍。缺点是易腐蚀,大口径钢管应进行内外防腐,外防腐有涂层防腐和电防腐,内防腐采用水泥砂浆、食品级环氧树脂内衬。钢管内外防腐都是事先做好,在现场焊接时,需按规定在接口处进行内外防腐处理。由于钢管易腐蚀且造价高等缺点,在本工程中并未大规模采用,只是在不良工程地质条件与穿越公路桥梁等对弹性要求高的特殊障碍时选用。
2.4 球墨铸铁管
球墨铸铁管属于柔性管,利用离心力铸造成型,管壁致密,石墨形态为球状,基体以铁素体为主,伸长率大,强度高,性能与钢管相似,具有柔韧性,适应突发力强,且抗弯强度比钢管大,使用过程中管段不易弯曲变形,能承受较大负荷,具有较好的抗高压、抗氧化、抗腐蚀等性能。大口径(DN1 000以上)管道接口采用“K”形胶圈接口,施工不受气候干扰。接口为柔性接口,具有伸缩性和曲折性,适应基础不均匀沉陷,现得到了广泛应用,因此本工程中,管材主要选用球墨铸铁管。
球墨铸铁管、灰口铸铁管、钢管各项指标比较见表1。
3 优化设计
在合理选材的同时,需要着手准备管线工程设计的前期工作,包括管线的选址定位、穿越障碍及地基的处理方案等。
3.1 定线
定线即确定管道的走向,是确定设计方案、决定工程造价高低以及施工难易程度的关键。输水管线路的选择要求:尽量缩短管线的长度,尽量避开不良地质构造处,尽量沿现有或规划道路敷设;减少拆迁,少占良田,少毁植被,保护环境;施工、维护方便,节省造价,运行安全可靠。
在进行水厂输水管线前期定线时,原定管道走向是沿市规划的A3高速公路敷设,但因A3高速路路基尚未形成,管道施工难度增大,并且沿高速公路敷设,拆迁量极大,投入使用后管道运行、维护不方便。在A3东侧1 700 m处,横新公路路基已做好,且其是普通公路,桥梁、涵洞已成型。经过对比与多方调研后,进行了技术经济比较,最终确定管线主要沿横新公路绿化带敷设,合理确定了管线走向。施工中以大地坐标作为控制点,确定管线走向,保证施工质量。
3.2 穿越障碍
输水管线工程全长约21 km,途中有三处较大障碍:距大治河河岸仅2 m处开挖埋管,穿越359 m咸塘港和577 m沪南公路大竹林。此外还横穿了许多近房屋的障碍,穿路,过桥,小河道填埋等,大口径球墨铸铁管的最大转接角度只有1.5°,因此具体管位的确定应尽量将地下其他管线及不明确构筑物事前调查清楚,在施工前作出穿越障碍或移位方案。
3.3地基处理
管位确定后,对沿线进行了地质勘探,充分了解地基岩层的构造,对可能影响管道不稳定的因素进行充分考虑,采取相应的技术对策。管基可分为素土基础、灰土基础、砂垫基础、混凝土基础、枕基等。南汇地区地质基本为软土地质,不存在不良地质,且球墨铸铁管可直接铺设在干燥结实的原土上,多数管道不需要做管基,节省了工程造价。但南汇地区用于农田灌溉的人工开挖的小河道以及暗浜较多,穿越河道暗浜时须对管基进行处理。河道暗浜为淤泥土质,穿越的管道不能采用土基处理,而采用砂垫夯实基础。
4规范施工
优秀合理的设计需要严格规范的施工才能保证整个工程的质量。本工程采用球墨铸铁管材,因此着重注意与解决球墨铸铁管道施工中常见的问题。
4.1安装不易到位
滑入式球墨管采用吊绳安装,施工中严格注意管道中心线的对准,使管道两侧受力均匀;插口的润滑剂采用粘度较高的食用油代替肥皂水;橡胶密封圈安装到位,以免安装时由于摩擦力较大而脱离原来位置。
4.2钢管接口
球墨铸铁管与钢管的连接方式均采用球墨承插式配件,一侧接口为柔性的橡胶圈接口,另一侧为法兰连接;钢管及配件间的接口严格按照焊条质量、焊接工艺等合理规范操作。
4.3管线弧度处理
在安装中经常遇到弧度不大的曲线铺管的情况,此时应先进行直线安装,待管道安装到位后再弯转。安装过程中须在弧外侧用小木块将已铺好的管道撑稳,以免产生位移。
摘要：介绍了上海市南汇区航头水厂扩建工程的配套输水管线的设计与工程实施中的体会,通过工程具体实施中的管材确定、优化设计、穿越障碍、地基处理、规范施工的论述,以期提高对大口径管线工程设计与实施中的注意事项与采取措施的重视,提高大口径管线工程质量。
关键词：输水管线,设计,管材,优化设计,规范施工
参考文献
[1]郭建军.浅谈球墨铸铁管在工程应用中的优势[J].甘肃科技,2004,20(4):35-36.
[2]沈沛滨,亓志军.建筑给排水设计与施工的体会[J].山西建筑,2008,34(4):207-208.
[3]柳河.球墨铸铁管安装中的常见问题及解决办法[J].中国给水排水,2002,18(4):70-71.
云南省大口径塑料排水管发展状况 篇2
1 大口径塑料管的主要性能
1.1 耐腐蚀性强
不被污水、废水及化学药品腐蚀, 不被土壤中腐烂物所腐蚀。
1.2 抗外压能力强
管道为柔性管道, 耐冲、耐压, 受到外部冲击力时, 恢复原形优越, 地基沉降情况下也不易破裂。
1.3 耐老化性能好
管材通常加入炭黑, 管道埋地可有效使用50a以上, 管道有较强的抗老化能力。
1.4 耐寒性能好
管材在-40℃的环境中不会被冻裂和膨胀漏水。
1.5 重量较轻
重量轻, 与同等口径相比重量是钢管的1/6、水泥管的1/8, 便于运输, 施工方便快捷, 施工过程中不需要使用大型吊装机械设备。
1.6 施工性能好
管材连接方便、密闭性能好、不渗漏可先在沟外连接, 以减少所需的工程时间和工程费用。
1.7 耐久性好
管壁耐磨性能好, 内壁光滑, 粗糙系数低, 介质输送能力强, 排水速度快。
1.8 经济性能好
管材综合造价合理, 施工、管理、维护费用低。
1.9 环境影响
原料是无毒性原料, 对土壤、水体无害, 不会污染环境。
1.10 材性优良
管材具有良好的挠曲性, 良好的动态断裂韧性, 抗震性特好。由于柔性管道材料本身的特性, 在受到外力时, 管材可有一定挠曲变形而不会破裂, 能适应复杂地形。对地下运动所产生的地面沉降 (特别是地震) , 有很好的抵抗能力。
2 大口径塑料管的国家新技术产业政策
2004年3月18日, 中华人民共和国建设部公告 (第218号) 《关于发布建设部推广应用和限制禁止使用技术》的公告明确规定:传统水泥管、铸铁管为限用技术, 平口、企口混凝土排水管 (≤500mm) 不得用于城镇市政污水、雨水管道系统。 (该公告于2005年1月1日起执行) 。公告中明确指明:市政公用管网该类管材重量轻、耐腐蚀。管材环刚度可设计, 接口密封性能好, 管道系统不渗漏, 可防止地下水的污染。包括高密度聚乙烯双壁波纹管, 硬聚氯乙烯双壁波纹管, 硬聚氯乙烯环形肋管, 高密度聚乙烯缠绕结构壁管, 玻璃钢夹砂管 (GRP) 。产品性能应符合相应国家标准要求, 设计、施工应符合相应行业标准要求。管材口径采用内径系列管材, 检查井尽量采用塑料检查井。管周围填土密实度应在95%以上。可在市政公用管网中的市政排水管、城镇塑料排水管道系统中推广应用。是传统排水管道最理想的替代产品。
3 云南省大口径塑料管生产技术及运用状况
3.1 大口径塑料管生产技术状况
大口径塑料管的生产主要受生产设备技术的限制。我国大口径塑料管生产技术及运用技术发展相对较晚, 约2000年后才开始推广, 相继引进国外生产线开始生产。云南省2002年由玉溪耀龙塑胶公司引进大口径中空壁缠绕管生产线, 口径为DN300~DN1 600mm, 在云南省内第一家开始生产推广大口径塑料管, 填补了省内空白, 由于云南地处边疆, 交通运输不便, 运输远、运费高, 因此省外的大口径塑料管在云南省内的推广一直不是很顺畅。常用的DN500mm的管材1车仅装15根, 约150m, 而大于DN1 200mm以上仅能装1根, 约10m。因此, 大口径管材的运输费用的成本高昂不宜长距离运输, 一般认为运输半径不宜超过400km。云南省内至2002年以后, 大口径塑料管的推广运用得到了较快的发展, 生产厂家先后有了耀龙塑胶、普尔顿管业、公益管道、恺达塑胶、工程塑料厂、特瑞特塑胶等8~9家企业, 生产规模能力达到了5万t/a以上, 年产值近2亿元左右, 生产的管型多元化, 有HDPE双壁波纹管、PVC双壁波纹管、中空壁HDPE缠绕管、钢带增强聚乙烯 (PE) 螺旋波纹管等, 基本上代表了目前国内生产技术的最高水平。
3.2 大口径塑料管运用状况
3.2.1 用途
大口径塑料管主要用于:
市政工程雨、污水管网系统;城市道路雨水管网、居民生活区污水管网、浸透水处理管网、垃圾处理场、浸透水处理管网;工业废水排放;冶金、化工、轻纺、造纸等工业废水排放管网;农业用水、灌溉水路;化工防腐容器。
3.2.2 实际工程运用状况
近几年在工程中运用的城市主要有昆明市、大理市、潞西市、普洱市、曲靖市、玉溪市等, 典型的工程有昆明市滇池路排污工程、大理市排污管网改造、玉溪高新区排水管网工程、普洱市城市管网改造工程、昆明呈贡新城管网建设等。这些工程的成功运用, 说明大口径塑料排水管在云南省管网建设中将大有可为, 尤其是2008年雨季, 昆明主城区多处内涝, 排水不畅, 而运用中空壁HDPE缠绕管改造的滇池路没有发生水患, 进一步证明了塑料排水管过水能力强的特点。
4 塑料排水管管与水泥管道的综合比较
4.1 塑料排水管与水泥管施工工序比较
水泥管施工流程图详见图1。
塑料排水管施工流程图详见图2。
从上述工序流程比较可以看出, 塑料排水管开槽、排管、回填可一气呵成, 而水泥管由于工艺流程复杂, 同样一段管路, 塑料排水管可大大缩短工期并可节省一定的工程费用。
尤其是雨季施工, 沟槽如果早一天回填, 安全系数就大一些, 晚一天回填, 发生榻槽, 泡槽的可能性就大一些, 还会给施工单位带来很大的经济损失。如使用水泥管既要打通基, 还要打斜壁, 每次打完之后, 还要养护, 达到一定强度之后方可进行下一道工序, 这样一来工期就要延长, 如果发生安全事故, 后果更不堪设想。
4.2 典型大口径塑料HDPE中空壁缠绕排水管与水泥管重量对比
4.3 塑料排水管与水泥管安装施工效率及工期的比较
从表1和表2可以看出HDPE中空壁缠绕管的施工速度比水泥管施工速度平均快5倍。
4.4 塑料排水管与水泥管安装费比较
成本计算基准:
施工所需人员。缠绕管安装需4人, 水泥管安装需8人以上, 工时8h/d, 每人每天工资按50元计算。水泥管吊管用吊车 (含司机) 按1 000元/台班。
同样安装DN600mm的100m管材, 缠绕管仅需1d就能安装完成, 需安装人工费400元, 4元/m;水泥管至少需5d才能安装完成, 需安装人工费2 000元, 20元/m。
DN600mmHDPE中空壁缠绕管安装不需要用吊车, 水泥管吊管用吊车台班5d, 共计台班费5 000元, 50元/m。
4.5 塑料排水管和水泥管工程综合性能对比
塑料排水管和水泥管工程综合性能对比结果详见表4。
5 大口径塑料排水管在应用施工中存在的问题
云南省内生产推广运用大口径塑料排水管毕竟时间不长, 大规模运用的时间只有5a左右的时间, 难免存在着许多有待进一步完善解决的问题:
(1) 施工单位安装运用大口塑料管的专业队伍少, 还基本是用安装水泥管的施工方式对塑料管进行施工;
(2) 对塑料管优良的“柔性管”特性认识不足, 还在用水泥管的思维方式认识“柔性管”, 强调管材的刚性、冲击性、耐压性。
(3) 施工过程管理粗放, 不严格按照国家相关行业技术规程、规范施工, 表现为: (a) 沟槽开挖宽度不够, 只够管材放下沟槽; (b) 回填材料不严格按照规范要求, 大石块、大土块随便往管沟内回填; (c) 回填不好, 回填夯实过程不采用分层夯实的方式进行, 密实度达不到要求; (d) 施工流程控制不严, 管材安装完毕检查合格后不及时回填, 造成积水泡沟槽, 严重的产生“浮管”现象, 造成管材损坏、检查井破坏; (e) 回填高度控制不够, 就在上面通过大型施工机械, 易造成管材产生形变或破坏。
6 管材制造厂家存在的问题
(1) 制造厂普遍存在规模不大, 技术薄弱, 尤其存在着重生产技术, 轻现场施工技术的问题, 产品售后技术服务支持的能力弱。
(2) 制造厂家重产品的独立销售, 轻技术的推广应用, 造成购买者与使用者现场运用存在诸多施工质量问题。问题发生后, 造成施工方与产品供方的矛盾, 相互指责, 容易出现扯皮现象;
(3) 在市场竞争日趋白热化的时代, 存在着产品质量不过硬的问题, 有些厂家只有单一的生产线, 而最基本的出厂检验设备、质检员都不具备, 产品质量何以谈起, 产品质量更无从保证;
(4) 市场不规范, 各制造厂商恶性竞争严重, 同样的产品同样的规格尺寸, 价格差距较大, 在加之招标经常采用最低价中标法则, 超低价产品严重偏高了其本身的价值, 产品质量、服务质量将难于保证;
(5) 各制造厂商之间的恶性竞争, 还造成了“先货后款”的不良行规, 采购方大量恶性拖欠制造厂商的货款, 造成了制造厂商流动资金周转困难, 企业经营不畅, 缺少现金流, 生产经营困难的局面。 (而采购原料, 现在基本上都是现款现货的行规)
7 总结
综上所述, 云南省大口径塑料排水管通过近5a的高速发展和推广应用, 取得了很好的成绩, 基本上改变了过去只能靠省外发达省市提供产品技术的状况, 云南省制造厂家的数量规模增长较快, 产品种类丰富, 基本上覆盖了国内现有常用的成熟产品, 形成了技术水平和国内同行业共同发展的一个良好局面, 是云南省塑料制品中为数不多与国内同行差距不大的行业。当然也应该清醒地看到, 云南省在运用推广大口径塑料管方面还存在许多的不足, 有待制造商家与施工方加强技术交流, 规范市场秩序, 加强与建设主管部门的联系, 多开展一些技术交流, 技术培训, 为大口径塑料排水管创造一个良好的发展空间。
摘要：详述了大口径塑料排水管的性能及在云南省的生产应用发展状况, 并介绍了云南省的主要生产厂商、该产品与水泥管的综合投资对比, 以及产品生产应用中存在的一些问题。
关键词：大口径,塑料排水管,性能,应用
参考文献
[1]高复栋, 马永安, 马中驹, 等.埋地硬聚氯乙烯排水管道工程技术规程CECS122:2001.中国工程建设标准化协会标准
[2]蔡洁茵, 张玉川, 孙家珍, 等.埋地聚乙烯排水管道工程技术规程CECS164-2004.中国工程建设标准化协会标准
[3]孙逊.聚烯烃管道.北京:化学工业出版社, 2003, 5
[4]张小文.塑料管道及管件加工与应用.北京:中国石化出版社, 2003, 2
大口径输水管 篇3
聚乙烯供水管抢修节能够快速的对破裂管道堵漏, 由于承受内部水压, 因此可看作内压容器分析设计。聚乙烯供水管抢修节螺栓固定位置的受力情况相对复杂, 依靠力学理论计算不能全面精确反映应力分布, 故本文结合理论与有限元计算, 对聚乙烯供水管抢修节受水压的应力和变形分布情况进行分析。
1 有限元法特点
有限元法 (Finite Element Method) 是利用计算机进行的一种数值近似计算分析方法, 它是通过对连续问题进行有限数目的单元离散来近似的, 是分析复杂结构和复杂问题的一种强有力的分析工具[1]。
有限元法与其他常规力学方法相比, 具有许多优越性[2]:
1) 可以分析形状复杂的、非均质的各种实际的工程结构;
2) 可在计算中模拟复杂的材料结构关系、载荷和条件;
3) 可以进行结构的动力分析;
4) 由于前处理和后处理技术的发展, 可以进行大量方案的比较分析, 并迅速用图形表示计算结果, 从而有利于对工程方案进行优化。
常规的力学计算只能针对结构相对简单的问题, 或者将相对较复杂的问题简化计算, 对于计算复杂的结构问题有局限性。而有限元法将复杂的物理模型进行数学离散化, 充分反映结构之间相互作用的影响。
2 聚乙烯供水管破裂抢修
与传统供水管材相比, 聚乙烯供水管具有化学稳定性好、耐腐蚀、重量轻、抗冲击以及抗震性能好。近年来聚乙烯给水管在给水工程中的应用增长迅猛, 已成为给水工程的主选材料。但是聚乙烯管也有不耐高温、暴晒, 高温下管道纵向伸长率较大 (接近3%, 是钢管的十几倍) , 金属探测仪无法定位, 聚乙烯管件价格高, 故障后维修成本较高等缺点。在设计、施工中应积极采取措施应对[3]。
由于聚乙烯供水管的刚度相对较小, 在水压较低的情况下, 受静水压力以及自重的影响, 聚乙烯供水管会在径向发生变形, 甚至导致管道难以对接;通径超过400mm的大口径变形情况更为明显。在发生聚乙烯供水管破裂的情况下, 裂纹周围变形量大难以对接维修, 因此需要有抢修节对聚乙烯供水管进行堵漏。此外抢修节能提高聚乙烯供水管裂纹位置的刚度, 防止由于管体变形产生的缝隙造成二次泄漏。
聚乙烯供水管抢修节一般由金属材料制成, 抢修节的壁厚以满足强度要求为前提, 因此需要对抢修节的强度进行设计分析。如果抢修节的壁厚过小, 则会导致按全性降低, 可能在水压较高的情况下破裂, 达不到抢修管道的目的。
3 聚乙烯供水管抢修节理论计算
聚乙烯供水管抢修节属于带压钢制容器, 因此, 依据GB150-1998《钢制压力容器》的国家标准规定, 对抢修节进行理论计算。
抢修节材料选用Q235A, 这是因为Q235A韧性和塑性较好, 有一定的伸长率, 可在一定程度上补偿聚乙烯供水管的变形, 以保证密封效果。具有良好的焊接性能和热加工性。由于供水管网一般在常温下工作, 因此在常温下, Q235A的力学性能为:抗拉强度σb:375～460MPa;屈服强度σs:≥235MPa;弹性模量E=220×109Pa;泊松比μ=0.3;密度ρ=7.85×10-6kg/mm3;许用应力[σ]=113MPa。
在大口径输水聚乙烯供水管道中, 管径可达500mm, 因此根据设计, 抢修节的内径Di=570mm, 有效厚度δe=10mm, 而管内最大供水压力Pc可达1.6MPa。因此在管道破裂后, 抢修节内的压力即为供水压力。
计算聚乙烯供水管抢修节的圆筒位置的应力值, 由GB150-1998的规定, 常温下的计算应力:
undefined
环向应力:undefinedMPa;
径向应力:undefinedMPa。
4 聚乙烯供水管抢修节的有限元计算
依据GB150-1998的理论计算不能直观而全面的反映抢修节上的应力分布情况, 尤其在局部位置, 例如抢修节上螺栓固定的位置上, 在受内部水压情况下会产生弯矩, 从而在该位置产生较高的应力, 因此需要采用有限元法对抢修节的应力分布进行全面分析。
本分析以大口径聚乙烯供水管抢修节为分析目标, 以内部极限水压1.6MPa为分析工况。主要针对抢修节的强度进行计算分析, 得到该装置在1.6MPa水压力下的应力分布情况, 目的是效验该装置工作的安全性;此外计算抢修节的变形分布情况, 为确定抢修节的变形对密封性能的影响提供参考。
对于一些不影响结果的特征, 在建模过程中合理的简化能够保证运算精度和速度[4,5]。对聚乙烯供水管抢修节模型进行网格划分, 为了节省计算时间, 保证计算精度, 将抢修节网格加密, 其他配件网格加粗。采用四面体网格结构, 得到155790个节点, 83451个实体单元, 21279个接触单元。
由于在抢修过程中, 管壁破漏后抢修节直接在破损位置的外壁封堵, 因此抢修节内壁所受水压与管道内部水压相同, 经抢修后的管道两侧水压保持平衡, 因此可以保证破损位置不再扩大。考虑管道最大的承压为1.6MPa, 故在抢修节内腔表面, 施加1.6MPa的压力载荷。
聚乙烯供水管抢修节的环向应力如图1所示, 抢修节外壁面环向应力值在45.601MPa左右。抢修节两侧靠近螺栓连接位置的应力值较高, 为101.26MPa左右, 未超过GB150-98规定Q235A的许用应力113MPa。在这个位置产生较高应力的原因在于, 该位置的变形量相对较大, 而两侧的螺栓固定限制了抢修节在该位置的变形, 从而产生了较高的应力。虽然有部分位置的应力值相对较高, 但是低于许用应力, 分布范围较小, 能够保证抢修节的强度在安全范围内。
抢修节的径向应力如图2所示, 抢修节外壁面的径向应力在22.8MPa左右;两侧的径向应力较高, 为41.2MPa左右, 这主要是因为受到螺栓和配件约束的作用, 导致该位置的径向应力较高, 但未超过许用应力值。与环向应力相比, 聚乙烯供水管抢修节的径向应力较小, 可以环向应力作为强度评判标准。
通过分析结果可以看出, 从强度的角度考虑, 抢修节外壁面接近中间连接位置的应力值相对较大, 但未超过GB150-98规定Q235A的许用应力113MPa。将理论计算与有限元计算的内容进行比对, 理论计算所得的环向应力为45.6MPa, 有限元计算所得的环向应力为45.601MPa;理论计算所得的径向应力为22.8MPa, 有限元计算所得的径向应力为22.8MPa。两种方法计算结果吻合, 变形趋势符合其结构特点, 故所得分析结果可信。
5 结论
1) 聚乙烯供水管抢修节圆筒部分受周边螺栓的影响较小, 得到的应力值与理论计算相符, 环向应力为45.6MPa, 径向应力为22.8MPa, 未超过材料的许用应力113MPa, 因此本结构的聚乙烯供水管抢修节强度安全。
2) 聚乙烯供水管抢修节螺栓固定位置的受力相对复杂, 通过有限元计算能够全面准确地反映整个抢修节的应力分布情况, 确定薄弱位置, 并通过分析结果判断抢修节能否安全工作。
3) 通过有限元分析结果, 根据具体情况相应该尽结构, 有针对的加强性聚乙烯供水管抢修节的工作性能。如果工况较差, 施工中可考虑使用增大局部厚度或局部加筋的方法, 加强薄弱位置的强度。
4) 利用有限元计算方法, 可以为大口径聚乙烯供水管的抢修工作提供理论支持和设计依据, 并对施工安装起到指导作用。
参考文献
[1]康国政.大型有限元程序的原理、结构与使用[M].成都:西南交通大学出版社, 2004.
[2]方鹏, 汪进国.有限元法及CAE技术在钻柱研究中的应用[J].装备制造技术, 2006, 32 (5) :39-40.
[3]蒲红波.聚乙烯给水管施工常见故障及解决办法[J].给水排水, 2008, 34 (2) :99-101.
[4]胡海峰.基于实体的有限元建模技术[J].机械, 2003, 18 (5) :78-80.
大口径输水管 篇4
为推进“四新技术”在南水北调配套工程中的应用,2013年1 月17 日,河北省南水北调办公室就邢清干渠引进高密度聚乙烯管材事宜进行了专题研究,决定选取邢清干渠末端威县至南宫市段作为HDPE管道施工的试验段。邢清干渠是南水北调配套工程的重要组成部分,管线全长168.746 km,采用有压管道输水,地下埋管形式,管道主要采用DN1200~DN2200 输水管道,设计内压0.6~1.0 MPa。南宫干线属于邢清干渠的一部分,长为44 km,采用DN1200、DN1400 的HDPE输水管道,输水流量0.85~1.1 m3/s,设计内压0.6 MPa。如此超大口径长距离HDPE输水管道在我国尚属首例。
由于超大口径长距离HDPE输水管道的技术标准在我国仍处于空白,在管道铺设回填、管道变形率分析等技术方面没有统一的国家标准。因此,本文以南宫干线试验段实际情况为依托,对4 种不同回填方式的管道变形率进行试验检测,建立4 种不同管道回填方式的管道变形有限元模型,并与管道变形率测试结果进行对比分析,最后选取一种节约成本的管道回填方式。
1 不同回填方式管道变形测试
1.1 回填试验方案设计
根据工程要求,选取700 m长度的HDPE管道进行回填,分别采取4 种不同回填方式,每种回填方式长度为100 m。4种不同回填方式如下:
(1)桩号N3+799~N3+899 区域,按照方案中全部原土至管顶50 cm回填方式进行回填;(2)桩号N3+899~N3+999 区域,按照方案中垫层中粗砂,原土至管顶50 cm进行回填;(3)桩号N3+999~N4+099 区域,按照方案中管道120°范围内中粗砂,原土至管顶50 cm进行回填;(4)桩号N4+099~N4+199 区域,按照方案中中粗砂回填管道半径以下部分,管道半径至管顶50 cm处用原土回填。图1 为4 种回填方式的示意。
1.2 实际测试结果
采用3 m卷尺,按照4 种不同回填方式,分别选取横断面1(回填方式1)、横断面2(回填方式2)、横断面3(回填方式3)、横断面4(回填方式4)进行不同回填高度的HDPE管道变形率测试。
回填至管顶50 cm时,不同回填方式竖直方向对应的HDPE管道变形率见表1。
注:①GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》规定,管道竖直方向允许变形率为3%。
2 管道变形有限元模型
2.1模型建立
(1)基本假定
在对管道受力变形进行模拟时,对模型作如下假定[5]:
①管线纵向足够长,三维空间问题可以转化为二维平面问题,按照平面应变问题处理,选取管道铺设标准横断面作为研究对象,建立相关模型;②HDPE管道埋在地下之后,管道处于恒温,不考虑温度对管道受力变形的影响,管道埋地一段时间后,弹性模量的时间相关性减弱,模型中把HDPE管道简化成弹性材料进行受力分析;③回填过程中,相同土质类型并且具有相同压实度或相对密度设计要求的土体视为同一材料处理,沟槽两侧和底部原土视为同一材料处理,相关参数率定取检测结果的平均值。
(2)几何建模
采用管道和土体的二维模型进行计算,以邢清干渠南宫干线试验段为依托,选取DN1400 HDPE管道铺设标准横断面,桩号N0+000~N15+300,岩性组合特征为砂性土、黏性土多层结构,开挖边坡1∶1.25,管底铺设150 mm的中粗砂垫层,相对密度不小于0.7;管底180°范围内,回填中粗砂,相对密度不小于0.7;管底180°范围以上至管顶范围原土回填,压实度不小于0.95;管顶至管顶以上0.5 m范围内原土回填,压实度不小于0.90。
根据管道铺设标准横断面及施工工序,建立几何模型如图2 所示。
(3)材料定义
有限元采用材料表方式管理模型中材料定义。回填土体和原土体材料选用摩尔-库仑材料模拟,表征该材料属性的参数有:弹性模量E、泊松比 ν、密度 ρ、内摩擦角 φ、黏聚力c、拉伸截止极限、膨胀角[6,7,8]。各土层参数如表2 所示。
HDPE管道用线弹性材料模拟,表征该材料属性的参数有:弹性模量E、泊松比 ν、密度 ρ、膨胀系数等,材料参数由河北泉恩高科技管业有限公司提供或查阅相关文献所得:管材公称外径为1400 mm、壁厚为53.5 mm、弹性模量为350 MPa、泊松比为0.45、密度为950 kg/m3,其中,管道弹性模量值为承受荷载100 h左右对应的弹性模量。
(4)边界条件定义
模型的建立选择Y-Translation、Z-Translation两个自由度。通过控制节点在y,z方向的“固定”或“自由”来定义边界条件。该过程是通过定义透水边界来实现的,当土体透水时,定义为透水边界,否则为不透水边界[9]。模型的各边界条件如表3 所示。
注:“0”代表自由;“1”代表固定。
(5)单元组定义
模型的土体单元定义为2D-Solid,管单元定义为Pipe,单元子类型均为平面应变。各土层渗透系数参照表4。
(6)网格面单元划分
对管道回填模型网格进行划分,标准横断面计算模型的网格密度控制和划分如图3 所示。
2.2 模型计算结果分析
根据管道4 种不同回填方式建立有限元分析模型,对管道变形率进行分析计算。管道有限元模拟结果如下:
(1)全部原土回填至管顶50 cm时,其底部由于是原土,有一定的粘聚力,所以对管道的挤压作用减小,底部向上的位移减小,而且底部最大作用点向管道中心移动,竖直方向位移如图4 所示。
(2)垫层中粗砂,垫层以上至管顶50 cm原土回填。管道变形情况与方式1 基本一致,如图5 所示。
(3)管道120°范围内中粗砂回填,管道120°以上至管顶50 cm原土回填。竖直方向位移如图6 所示。
(4)中粗砂回填管道半径以下部分,管道半径至管顶50cm处用原土回填。竖直方向位移如图7 所示。
4 种不同回填方式在管道回填至管顶50 cm时,竖直方向对应的HDPE管道变形率模拟结果见表5。
3 测试结果与有限元模型模拟结果对比
4 种不同回填方式的管道变形率测试结果与模拟结果对比如表6 所示。
从表6 可知,模拟结果和测试结果均表明,原土回填造成的管道变形率最大,但与采用中粗砂回填相差不大。检测结果具有一定的偶然误差,管道变形率为0.77%~1.16%,模拟结果变形率更加集中,为0.93%~0.97%,但都满足施工及验收规范允许变形率3%的要求。从经济的角度出发,可以就地取材,采用原土回填,以达到节约成本的目的。
4 结语
(1)超大口径HDPE输水管道4 种回填方式的管道变形率测试结果表明,管道变形率为0.77%~1.16%,均符合GB50268—2008 规定的管道竖直方向允许变形率3%的要求。
(2)通过对4 种不同回填方式管道变形进行有限元模型分析、模拟结果表明,管道竖直方向变形率为0.93%~0.97%,均符合允许变形率3%的要求。
(3)4 种不同回填方式管道变形测试结果与模型结果相比,全部原状土回填方式与其余3 种方式相差不大,从施工成本和就地取材等方面考虑,选取全部原状土代替中粗砂回填进行管道施工。
参考文献
[1]许兴中.内穿插HDPE管修复大口径给水管实例[J].中国给水排水,2010(2):102-104.
[2]钱恒河.HDPE管材的开发现状及其应用前景[J].现代塑料加工应用,2002(3):36-41.
[3]柳辉.邯郸市采用HDPE管穿插内衬修复旧管道的施工[J].山西建筑,2009(4):183-184.
[4]赵昕慰,陈军.HDPE管试压内压变化规律的研究[J].兰州铁道学院学报,2003(6):15-17.
[5]郭晓军.HDPE管道在水平定向钻进回拖中的变形损坏机理及数值模拟[D].成都:成都理工大学,2011.
[6]曾焕丽.宽扎河引水工程HDPE管道设计施工技术[J].山西建筑,2007,20:196-197.
[7]赵顺波,李晓克,赵国藩.预应力施工阶段混凝土压力管道受力性能研究[J].水力发电学报,2004,23(1):36-41.
[8]张宏宇,彭华.PCCP受载响应全过程有限元分析[J].水力水电技术,2014,45(10):60-69.