中国输水钢管柔性接口技术必须尽快给以规范

管魔

  

中国输水钢管柔性接口技术必须尽快给以规范

--DN2400输水钢管线大事故的教训　

上海原水股份有限公司
沈之基

摘要：柔性接口是埋地输水管线的最优选择，但不同形式的柔性接口，它们的允许转角值，即适应不均匀沉降能力是不一样的；当管线口径增大到一定值，地基条件又不是很好时，一些允许转角值较低的柔性接口就不能胜任工作，硬要应用就会出现大事故；扩胀成型柔性接口是允许转角值很低的滚入式接口，软土地基上的一条DN2400钢管线，采用了扩胀成型柔性接口，结果150个接口有60多个漏水，造成了中国供水事业中少有的大事故。钢管柔性接口技术必须尽快给以规范，以期中国输水钢管健康发展，大事故不再发生。

0．前言

我国建设部行业标准（CJJ 92-2002 城市供水管网漏损控制及评定标准)规定：“新敷管道接口应采用橡胶圈密封的柔性接口”，可是该标准对于橡胶圈密封柔性接口的必要技术条件没有给予相应的规范，以至于出现了“因为是柔性接口就应该支持”的高姿态宽松说法；不同形式的柔性接口适应不均匀沉降的能力是不同的，当性能较低的柔性接口用于较大口径、较差地基条件时，就会出现大事故；2004年，上海的一条DN2400输水钢管线，就是因为采用性能较低的扩胀成型柔性接口（1），结果就出现了中国供水事业上少有的大事故；泵压检验时只能承受0.2Mpa(设计泵压值0.9Mpa),二年中，管线只能压降控制运行，但150个接口中也已有60来个接口漏水，作了修补。

对于这样的大事故，责任者一直以“施工时回填土未做好才造成事故”的说法阻止事故分析总结；本文对通过柔性接口特性的素描和对目前使用的各种形式柔性接口的构造与机制剖析比较，论证了事故主要原因就是用了性能低的柔性接口；事故的主要原因究竟是用了性能低的柔性接口还是回填土未做好？愿中国同行能给予评论，走向正确的答案，以防止大事故再发生。

1 .柔性接口是埋设输水钢管线的最优选择

1.1
埋设水管线都采用柔性接口

目前，在中国，球铁管、塑料管（如大口径PVC管）、玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP），几乎所有的埋设水管线都采用柔性接口连接，只有钢管线还采用对接焊接；在发达国家，如美国，埋设输水钢管线的首选连接，也已经进入了柔性接口时期，对接焊接已是高成本接口，只在苛刻工况下应用（钢管壁厚19毫米以上或管线工作压力2.8Mpa以上）；中国，输水钢管线采用现场对接焊接，现场条件复杂多变，结果这些焊接接口中总是会有部分接口，难以保证品质，就成为管线爆裂事故的最主要原因; 为解决现场对接焊接带来的事故隐患,中国同行已开始关注输水钢管柔性接口，因此，完全有理由说，柔性接口是埋设水管线最优选择，也一定是埋设输水钢管线的最优选择。

1.2．柔性接口在埋设钢管线中的作用是刚性焊接接口无法提供的（略）

1.2.1
伸缩应力的释放

1.2.2
弯曲应力的释放

2. 大口径管线柔性接口必须有较高的允许转角能力

对小口径管线来说，发生一定不均匀沉降量时，接口相对移动量仍然不大，种种形式的柔性接口都能胜任工作；对大口径管线来说，因接口相对移动量随口径呈正比增大，同样沉降量时相对移动量要大的多，有些性能指标较低的柔性接口就不能胜任；

2.1
同样的不均匀沉降量，接口相对移动量随管口径增大

　　从图1可以看出，当一个管子的一端对另一端下沉一定量B时，不同口径的管，接口的转角θ是同样的，tgθ近似B／L; 但接口的接口相对移动量X是不一样的，它同口径D成正比例关系；
如果设定一个管子的长度L为6米，下沉量B为105毫米，大约相当半个手掌宽，这个量在软土地基上的管线是常常会出现的，此时DN150管的接移动量X是2.5毫米，而DN2400管的接口相对移动量X是40.0毫米；下表是6米长管子一端沉降105毫米时的接口变位。

表1
同样沉降量时接口相对移动量

口径D 毫米	转角		相对移动量X 毫米
	度	tgθ
150	1．0	105/6000	2．5
600	1．0	105/6000	10．0
2400	1．0	105/6000	40．0

2.2
大口径柔性接口需要认真对待接口允许转角

从上例可见，对小口径管，如果一端下沉105毫米，接口的相对移动量不超过10毫米，对种种形式的柔性接口来说，都应该是能较容易提供的；所以对小口径管，柔性接口的形式是不敏感的，管线建设时可以很宽松大度地说，“用柔性接口没问题，好！”，“因为是柔性接口就要支持”。对大口径管，情况就不一样了，如DN2400, 同样下沉量105毫米时，接口相对移动量X就达到40毫米，有些性能较低的柔性接口，其允许转角为0.5度，相当的允许相对移动量仅20毫米，这样的柔性接口就不能胜任；此种情况下，要保证管线安全运行，必须采用允许转角为1.0度以上的接口，或者对地基处理，将沉降控制在50毫米；因此，大口径柔性接口的允许转角是个重要指标，它决定接口能否适应沉降，释放弯曲应力，对大口径管线来说，“因为是柔性接口就要支持”这样的话是不能随便说说的。

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3．不同形式柔性接口适应不均匀沉降能力的解析（略）
   
表2  柔性接口的允许转角和相应的允许相对移动量、沉降量

接口形式        滚入式
GB 5695-94        插口槽滑入式CJ625-1996        机械压紧式
GB/T13295-2003        承口滑入式
GB/T13295-2003
允许转角        0.5度        1.0度        1.5度        2.0度
相应不均匀沉降量        52毫米        105毫米        157毫米        210毫米
相应接口允许相对移动量        17毫米
（20毫米）        33毫米
（40毫米）        50毫米
（60毫米）        67毫米
（80毫米）
由表注解：表中括号中数字是DN2400时的相应允许相对移动量
中数值可见，滚入式柔性接口的适应不均匀沉降能力是非常低的;在软土地基地区，建设大口径供水管线时，一个管子对相邻管子沉降或偏移100毫米，也就是半个手掌宽，是常常可以发生的，对2.0米口径管线，此时相应接口移动量要达到33毫米，而滚入式柔性接口的允许相对移动量只有17 毫米，所以对大口径管线，滚入式柔性接口不是可随意地使用的，素土管基是没有能力将每一个管子的不均匀沉降量控制在52毫米的，回填土做好就可以用的说法是危险的不负责说法；插口槽滑入式接口应用也要小心（已有PCCP开发商提出，在标准修订时，加长大口径管的承插口长度，以提高允许转角）；允许转角较小的柔性接口管，接口实际相对移动量于大于允许相对移动量，
    4 .对扩胀成型柔性接口的批评
4．1.自来水事业少有的大事故
    上海供水系统中长江三期DN2400输水钢管线，2004年开始建设，2006年，有一个工程段，泵压多次，就是不能得到设计指标；目前该管线以不合格、安全无保证的状态临时运行（该管线设计泵压应0.9Mpa,现仅0.2Mpa）。
     该管线带病临时运行近二年，问题工程段的150来个接口中，已有60 来个用钢板补焊或用特制配件给以修补，成为供水业中少有的大事故。
4．2  事故原因是采用了扩胀成型柔性接口   

（图7）  扩胀成型柔性接口
扩胀成型柔性接口是一种滚入式接口，同混凝土压力管的滚入式接口（图2）相比，它的止台是一个较大的、但很平缓的圆弧形凸起，其阻止胶圈被内水压挤出的功能，应不如（图3）混凝土压力管接口的梯形凸起；当承插口的相对移动量X为圆弧形凸起宽度的一半时（参见图7，对DN2400来说，当相对沉降量为100毫米，即转角为1.0度，相对移动量X就达40毫米），喇叭口与圆弧形凸起之间隙就可放大，胶圈就会被挤出；扩胀成型柔性接口实际适应不均匀沉降能力,只能是混凝土压力管的滚入式接口档次或者低于这个档次（圆弧形止台，它阻止胶圈被挤出能力低于梯形凸起），只能在较小口径、较好地基条件下才能使用（1）；对DN 2400这样的大口径管线，这种接口是不能直接在软土地基上用的。上海的利益者为了能采用这种性能低的柔性接口，操办了一个鉴定会，会上为表现接口有高性能，竟然用几个钢筋将试验接口的二个管头相互焊接起来，对与会者提出的责问：”钢筋将接口焊了，接口不能转动，这还是柔性接口吗?”, 利益者置之不理，强行进入工程应用。
5  必须尽快给以规范
  5.1国外早有规范
国外先行者数十年的工作积累，已有了认定柔性接口性能的专业规范（3），这个规范是一种新接口得到应用资格的法律认可，是进入工程的通行证；这个规范核心的内容，就是设计了单口性能试验，对一个代表性的接口（今后工程应用中允许的最差接口，通常是设计允许的最松配合接口），施加上相应管线运行时的最严厉、苛刻的负载，考核它是否能胜任；如果这一个代表性特定接口能通过试验，因为工程中全部接口都比这个接口好，经受的负载又没有试验时那样严厉、苛刻，所以就可认为这种接口在工程应用中全部也应能胜任；
5.2 国内早有教训
国内在未取得这方面信息时，有些单位在开发柔性接口时忽视了试验应采用设计允许最差接口这个要点，结果就了吃大苦头；他们在接口开发过程中，做接口性能试验时，选一个比较像样的接口，而这个比较像样接口是通常就是一个较好配合接口，性能试验结果非常满意，于是就投入工程应用；可是一进入工程，许多接口漏水，工程失败；因为批量生产时，尺寸公差关系，有许多接口配合不可能像试验时用的接口那样好。
5.3  一个有效的临时措施
国外先进工业国多年前就有了管线柔性接口的技术标准，针对我国输水钢管柔性接口将进入自主开发的大发展时期，必须尽快做必要的规范，以避免类似上海DN2400钢管线大事故这样实践再次发生。近期，如果能在（CJJ 92-2002 城市供水管网漏损控制及评定标准)中的“新敷管道接口应采用橡胶圈密封的柔性接口”这个条款后或其他适合条款后，加上“新开发的柔性接口，必须通过单口性能试验，即设计允许的最松配合接口，在设计水压下能转动2个允许转角而不致失效”，有了这样的补丁，滥用低性能接口，造成大事故的事件就可以得到防范。
5.4  是要抓紧的要事
目前，上海利益者仍然阻止大事故的调查和总结，扩胀成型滚入式接口在中国某些地区继续无知无畏地推广应用，大事故再发生的危险仍然潜在；另外一个侧面是，利益者制造混乱，将这次滚入式接口造成的事故，说成是承插式柔性接口不行，干扰和封堵着钢管柔性接口技术大好发展环境；面对事故危险存在、发展环境被干扰封堵，尽快对钢管柔性接口技术给予规范是当前应抓紧实行的要事。
6．结语
利益者对柔性接口的热情和期望高得近于疯狂，强行采用并在事后阻止事故原因调查总结，这样的事件能够发生并存在，从积极方面看，表明中国输水钢管连接技术已经到了柔性接口的发展和应用时期，柔性接口在输水钢管发展应用中的厚重份量，已为不太关心、熟悉技术的利益者所感觉并用来运作利益；
中国是世界最大的钢铁生产国，最大的消费国，中国应该在“大”之外，在“高”上面也有所贡献，柔性接口技术的发展将是输水钢管发展中的重要一章，现在中国已有条件推进这项技术发展，为输水钢管柔性接口技术的健康发展，每个有共识的中国同行，对钢管柔性接口规范应该给力，  
中国的供水同行，面对各种压力，一定能以百折不挠的毅力，一步一步走向前。
参考文献：
(1)程金煦   大中型输水管道管材选择探讨给水排水2001. No.5  p81~85
(2)沈之基   输水钢管用Y型接口及钢管的成品化   焊管2004  No.6 p42~44
(3)ANSI、AWWA  C111、A21.11   
          Rubber-Gasket Joints for Ductile-Iron Pressure Pipe and Fittings