大型输水钢管断裂原因分析及抢修措施探讨

王留超

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000)

1 工程概况

大伙房水库输水工程是向辽宁省抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦六城市输水的一项大型工程。输水管道线路全长 239.4km，其中:输水线路 2×DN3200PCCP管道长约33.4km;输水线路2×DN2400PCCP管道长122.7km;输水线路2×DN2800钢管长约8km，输水线路1×DN1400玻璃钢管道长43.6km;输水线路1×DN1800玻璃钢管道长31.7km。工程总投资约60亿元。

2 套管内钢管的设计

输供水管线穿越公路、铁路等不能明挖的建筑物时，通常采用非开挖顶管法施工，先顶入混凝土套管，然后将钢管穿入混凝土套管内。

输水管线穿越县级以上公路及铁路，使用非开挖顶管方法施工，即按照设计尺寸和位置，使用顶管机器将混凝土套管顶入公路及铁路路基内(见图1)，然后将输水钢管穿入混凝土套管内(见图2)，两端与输水管线连接。

图1 混凝土套管顶进施工

图2 套管内钢管顶进施工

混凝土套管内径尺寸比钢管外径尺寸大400～600mm，钢管穿入混凝土套管之后，设计管底120°弧基灌筑砂浆，套管与钢管之间的其余空腔灌注泥浆，待泥浆沉淀后，将水排出，然后将套管两端用红砖砌筑封堵。套管内布置见图3。

图3 套管内布置剖面

3 钢管断裂原因分析

3.1 现场情况

大伙房水库输水工程输水线路2×DN2800mm钢管，在桩号A1+300位置穿越公路段，发生大量漏水，冲毁了路基，造成了一定的社会影响。事发后，立即进行了切换备用管线供水，对该管线进行停水、排水，进入管道内检查后发现套管内的钢管在穿越道路的中间位置横向断裂，断裂口上下错位130mm。经过仔细查看，在管子的底部位置锈蚀最严重，有不规则断裂口，其他位置断裂口比较整齐。(详见图4～图6)

图4 底部锈蚀最严重位置

图5 环向断裂断面

图6 钢管断裂轴线断面

3.2 钢管断裂原因分析

漏水处穿越公路，混凝土套管内径为DN3400mm，钢管的外径为DN2820mm，套管段长度为102m，钢管断裂位置在套管中心线附近。详见图7。

图7 套管内钢管布置

钢管底部与套管之间，设计管底120°弧基灌筑砂浆，套管与钢管之间的其余空腔灌注泥浆;经检查发现管底部位上下游没有水泥砂浆，管道周围也没有泥浆。

套管内径DN3400mm，钢管外径DN2820mm，钢管在套管内的间隙即为580mm，套管内与钢管之间的空腔为钢管上下浮动范围。当钢管内的水量充满时，钢管自重下沉，钢管在套管中心线位置下沉最大，即钢管底部外壁压在套管内壁上;当钢管内水量减少，套管内有雨水或地下水充满时，套管内水的浮力大于钢管重量时，钢管浮起，最大浮起位置应在套管中心线位置，即钢管外壁顶到套管内壁;钢管在套管内上下浮动最大距离为580mm。

此段钢管通水运行近3年，期间有A B双管线切换供水，钢管在套管内有上下浮动现象。在满水状态运行时，钢管在套管内长期下弯，尤其在套管中心线附近位置下沉最大，钢板外壁与套管内壁紧贴在一起，产生摩擦，将钢管外壁防腐层磨损，局部锈蚀。钢管底部附近受拉力最大，钢管经过长期拉力，钢板局部屈服疲劳，出现裂缝和锈蚀点，锈蚀点位置开始漏水，查看底部锈蚀最严重位置照片足以证实。

在断裂口附近对钢板进行了取样，进行化学成分化验和物理试验，化验分析和物理试验结果均符合要求，说明钢板质量没有问题。

经过了解，在发现管道漏水前两天，管线进行了加压及加大流量，水流在管道内通过时会产生颤动，此段套管内的钢管自由活动范围580mm，流量越大颤动越大。由于管道加压及加大流量与锈蚀点扩大等因素产生了综合应力，在此处钢管产生了应力集中，使得整根钢管瞬间脆性断裂。

4 抢修措施

4.1 工程排水

管道排水是抢修的前提，只有排空管道内的积水，方能进入抢修现场开展抢修工作。

采用关闭上游阀门、向下游自流方式排除管道积水，这样管道内的大部分积水可以自流排出;打开下游最近一个管道进人孔盖板，在进人孔位置采用潜水泵抽排方式，排空管道内剩余积水。

采用在套管端头开挖集水井，设置潜水泵排除套管内积水，控制地下水位不超过套管管底高度，为套管内钢管抢修创造干燥的作业条件。

4.2 管道通风

输水管线长期密闭通水，管道内缺氧，为了保证操作人员安全，必须保证管道内通风。打开抢修管线段上下游附近各一处管线进人孔，使用吹风机在上游进人孔处向管道内吹风。进入管道前需检测管道内的氧气量，保证操作人员安全后再进入。

4.3 管道复位

管道断裂处，上下游管口错位130mm，需将管口校正之后再修补。

将管口上下游各延长1m，凿除内壁砂浆;将不规则断裂管口环向切除，上下游各延长300mm切除，整齐管口，修成内坡口。

上游位置的管底未下沉，先进行上游管基础处理。

使用编织袋装细粒混凝土，细粒混凝土内加入早强剂，每袋装入量应小于1/3，将混凝土袋塞入钢管与套管基础120°包角之间，向上游侧延伸3m范围，使用木棒一袋一袋捣实。

管道复位采用上拉下顶法，在上游管子内搭设工字钢架子，顺管轴线上顶与底部各焊接一根长2m的工字钢，上下两端用两根工字钢当立柱连接。下游管底部60°位置焊接两根工字钢，做法见图8～图9，要求工字钢与钢管搭接处焊接牢固。

使用两个50t手拉葫芦，两端分别固定在上游管顶部工字钢和下游管底部工字钢上;在下游钢管底与套管之间，使用两个扁平的100t液压千斤顶，与手拉葫芦结合，同时用力，把下游钢管抬高复位。

图8 管道复位措施布置 (单位:mm)

图9 局部剖面

将下游钢管提升之后，与上游钢管轴线相差30mm以内即合格。

同样使用编织袋装细粒混凝土塞入下游管基120°包角内进行加固，100t液压千斤顶固定在管底不拆取出来。待砂浆凝固之后，将管道内的工字钢架子和手拉葫芦拆除。

4.4 钢管修补

抢修用材料需要从下游管线进人孔进入，进人孔内径为DN700mm，所以，需要的材料设备都要小于进人孔尺寸方能进入。

选用与原钢材相同材质Q345B、相同厚度28mm的钢板，卷成DN2800mm圆弧，将钢板切割成轴线长600mm，环向弧长500mm，采用内坡口，在内壁使用单面焊，分段分块焊接。

然后使用材质Q345B、厚度12mm的钢板，卷成DN2800mm圆弧，将钢板切割成轴线长800mm，环向弧长500mm，在管内壁焊接一层内衬加强板，内衬加强板应布置在钢管修补段，并上下各延长500mm，与修补段焊缝错位焊接。如图10所示。

图10 钢管拼接板与内衬加强板布置 (单位:mm)

4.5 钢管加固

钢管内壁加强板焊接完成之后，对该段焊接缝进行加固，使用4000mm×75mm×100mm(长×宽×高)工字钢，沿管轴线焊接，环向均匀布置8根。工字钢与钢管内壁接触范围，将钢管内壁上的砂浆凿除，工字钢与内衬加强板重合段需将工字钢局部切除，使工字钢全长4m均紧贴在钢管内壁上焊接紧密。如图11所示。

图11 环向工字钢加强布置 (单位:mm)

4.6 管内壁防腐

管内壁按照原设计用M30砂浆加钢筋挂网进行施工，具体工艺按照规范施工即可。

4.7 过路套管灌注混凝土及泥浆

在管线充水之前，按照设计要求施工管底120°弧基灌筑砂浆，套管与钢管之间的其余空腔灌注泥浆，待泥浆沉淀后，将水排出，然后将套管两端用红砖砌筑封堵。

5 总结

套管与钢管之间的空腔处理非常关键，套管内管底120°弧基灌筑砂浆是钢管的承载基础，套管与钢管之间的其余空腔灌注泥浆，能有效约束钢管在套管内上下浮动的活动范围。建设过程中应严格控制施工质量，套管与钢管之间的空腔处理应该作为隐蔽工程的关键点，做好监管。

钢管断裂抢修过程中，应采用相同材质的钢板和相应型号的焊条进行修补焊接，防止焊接面裂纹。由于在管内施工，焊接段只能采用单面坡口，为保证焊接质量，应在修复的焊接段增加一层内衬加强板，可以增强修补质量，有效减少修补断面的变形。■