大直径钢管承插式连接在输水管道中的应用

夏连宁

（西北钢管公司（上海），上海 201204）

大直径钢管承插式连接在输水管道中的应用

夏连宁

（西北钢管公司（上海），上海 201204）

结合北美成熟使用近60年的承插式柔性接口和美国水行业协会（AWWA）标准对钢管承插式接口的要求，详细介绍了承插式接口连接的标准和规范、管端承口和插口的设计和加工制作方法，以及制造和安装时应注意的问题。指出：采用胶圈密封时，承插连接的钢管选用螺旋埋弧焊管；在非开挖工程中采用帕姆洛克（Permalok）承插式钢管连接，该承插式快速丝扣刚性连接钢管不需要现场焊接，钢管选用直缝焊管。

焊管；输水钢管； 承插式接口； 柔性连接

承插式柔性连接已在大直径输水管道连接中得到了广泛的应用，铸铁管的承插连接种类较多，使用也较为普遍。承插连接被视为铸铁管的技术优势而被广泛推荐使用。水泥管（PCCP管）的连接形式为卡内基连接，承插口分别焊接在钢桶上，这是PCCP管唯一的一种连接方式。玻璃钢管的连接也是胶圈密封，承插连接方式基本相同。而输水钢管在我国基本上是对接焊或者法兰连接。承插连接的钢管在国外已被广泛使用超过60年。

1 输水钢管承插式连接的历史

20世纪30年代，北美就开始在市政管道连接中使用胶圈密封， 40年代，卡内基接口开始广泛应用在PCCP管道连接中[1]。20世纪50年代，许多美国东部的钢管厂，如美钢联和伯利恒管厂等开始用冷成型的方法加工各种承插式接口用于管道的连接。早期的承插式连接是冷扩径承口，插口放置胶圈处用焊接钢条止挡来固定胶圈。美国西北钢管公司于1963年生产出了辊压冷成型的轧槽式插口。钢管承插式连接在北美输水管道中已成功使用超过半个世纪。

上海某条直径1 066.8 mm（42 in）的输水管也采用承插式连接，用青铅填料密封，已运行70多年未发生爆裂事故[2]。但在该条输水管建成后的几十年里，输水管道再也没有采用这种连接方式，而是采用对接焊进行管道连接。21世纪初，国内开始采用扩胀成型承插式钢管柔性接口（与笔者介绍的接口不同，但原理相似），先后应用于广州大观路、广西贵港市和广东新会市等DN1200～DN1 600 mm给排水工程。2005年初，上海长江引水三期DN2 400 mm也试铺设了900 m承插式输水钢管。

近年来，我国西北的一家钢管厂也生产了这种承插式浸塑钢管，已用于24km的DN1 600 mm和17.5 km的DN1 400 mm的供水管道。目前，国内采用承插连接的输水钢管还是小范围的试验和完善阶段，没有相应的设计规范和标准配套。需要注意的是，采用承插式柔性接口的管道设计需考虑在每个直线推力点上增加相应的止推和锚固的限制手段。

2 钢管承插式连接的标准和规范

钢管管道连接方式主要包括胶圈密封的承插式连接、非柔性的现场焊接及法兰、接箍和膨胀节连接[3]。由于连接处被认为是管道的薄弱环节，对工程技术人员来说，清楚地了解所选用管道的连接方式、设计的实用性和生产加工中的质量控制显得尤为重要，更要考虑该连接方式长期使用的效果。承插连接是最普遍选用的柔性接口方式，它不仅用于钢管，也用于其他材质的管道，如水泥管、铸铁管和PVC管等。美国水行业协会（AWWA）供水实用手册M11（输水钢管：设计与安装指导）[4]允许使用两种承插式连接—轧槽式（rolled groove）和卡内基式（carnegie）连接。 它们被广泛用于直径1 981.2 mm（78 in），工作压力1.72 MPa（250 psi）， 瞬时压力 2.59 MPa（375 psi）的输水管道。超过这个直径和压力上限的情况也曾经使用过。如果钢管壁厚过大，难以用冷加工变形（如厚度9.5 mm（0.375 in）以上），一般会考虑采用卡内基连接方式，其承插件需要在工厂焊接。卡内基连接适用于直径304.8～2 133.6 mm（12～84 in）、 壁厚 16 mm（0.625 in）的钢管。

钢管广泛用于北美的输水管道，尤其是大直径输水管道，这与我国在输水管道上的选材有很大的不同。我国钢质管道几乎是采用现场环焊进行对接，大大地限制了钢管在管道工程中的使用。而且我国至今还没有可用的钢管胶圈密封承插式连接的标准和行业规范。

AWWA C200标准在 4.13.6（管端制备）节中说明，胶圈密封的卡内基承插件和轧槽孔型由钢管制造方设计，标准中的性能规范要求：①胶圈紧固在环形槽里，当钢管移动或打水压时不会露出；②连接处是水密封的重要环节，经压缩密封圈达到密封效果；③在任何工作状态下，连接处必须保证水密封。

胶圈的材质和力学性能包括抗拉强度、断裂延伸率、密度、压缩形变、老化抗拉强度和硬度[5-6]。胶圈尺寸并没有在标准中注明，而是交由钢管制造厂确定。

标准中允许承口和插口在钢管本体管端成形，也可单独由板带或异型材加工制作，然后焊接到管端上。AWWA M11设计指导中列出了各种承插式连接形式，图1所示的是常用的3种钢管承插连接形式，图1（a）为轧槽式连接，钢管本体一端辊压冷变形成插口，另一端扩径成承口；图1（b）和图1（c）属于卡内基连接方式，承插口与管体并非一体，而是将成形好的承插件在工厂焊接在管端，组成承插接口。3种形式均能满足规范对水密性的要求[2]。

图1 承插式连接形式

3 管端承口和插口的加工制作

3.1 管端成型和焊接

钢管承口的加工在水压试验时同时完成，将钢管推到扩口模具上使管端变形成喇叭口，如图2所示。扩口模具置于水压机移动端，移动端推动扩口模具进入被打水压的钢管一端，水压结束，移动端退回，冷成型后的承口与模具脱离。使用模具成型可以得到精确的形状与尺寸，有助于在承插结合面上的胶圈被压缩。采用液压胀管时就达不到模具成型的一致性。分离的需要焊接的卡内基承口一般采用液压胀管成型，而轧槽的连接不使用液压胀管进行承口变形。以直径1 524 mm（60 in）钢管为例，制作轧槽式承口时，变形段长约215 mm（8.5 in），在结合面处至少扩径约25 mm（1 in），而且管端也会变长一点。值得注意的是，轧槽式接口的连接承插段比卡内基式的要长。

图2 水压机移动端上的扩口模具和水压试验时的管口变形

钢管插口的沟槽加工是通过一对辊压模具旋转冷轧来完成的，如图3所示。成型后沟槽两侧形成两个肩，而且后肩略高于前肩，沟槽的相对角度使O型密封圈卡在环形沟槽里，在承插连接后被压扁。沟槽的深度取决于承口直径和钢管外径，也与钢管壁厚有关。

图3 轧槽式插口的沟槽加工和安装

由于使用O型密封圈，水压会使胶圈进一步压缩，当管道压力提高时，贴紧管体胶圈的密封性能也会提高。这并不是说水压保证了胶圈密封，胶圈的变形阻力使得接口密封不漏水，在低压下同样保证良好的密封性能。

卡内基式插口取材为热轧异型材，异型材可以委托热轧窄带钢厂或热轧异型材厂生产。插口带材按照相对应的直径剪切定尺，卷曲后焊接成圆环，打磨焊缝后在模具上胀圆，然后焊接到钢管插口端，焊缝修磨后需探伤及端口尺寸检查，如图4所示。PCCP混凝土[7]管也使用卡内基式承插式接口。

图4 工厂焊接打磨后的卡内基式承插口

3.2 承插口加工的质量控制

3.2.1 水压试验

轧槽式插口和承口在辊压、扩口成型前需打磨承插段的螺旋焊缝，使其平整，便于辊压和扩口成型。成型后的插口进行无损探伤，随后送入水压试验机进行管端承口、扩口和水压试验，然后再进行管端无损探伤。承插式接口的水压试验装置如图5所示。

图5 承插式接口的水压试验装置

3.2.2 尺寸控制

轧槽式接口成熟的设计与制造使大直径输水钢管柔性接口得到广泛应用。其设计要点是控制好承口平台与插口沟槽后肩之间的间隙。最好做一套工装测试每一个辊压后的插口。O型胶圈的尺寸按照以下原则计算确定：①拉伸的胶圈需填满插口的沟槽；②胶圈直径与沟槽直径相匹配；③胶圈的大小应使其拉伸后紧密贴紧沟槽，保证在现场对接时，胶圈不至于受力后滚落到沟槽外面；④最重要的是胶圈在钢管对接后应有足够的压缩（O型胶圈在圆周上应有30%的压缩率），其次才是胶圈尺寸和密封问题。

批量加工钢管承插口之前先成型5对钢管端口，收集相关数据后再确定胶圈尺寸。经过5次试装来调整间隙。在O型胶圈订货前，其尺寸需经这个测试确认。通过测试确定插口加工是否有异常，为剩余批次钢管端口的加工积累数据。

轧槽式承插连接的钢管可以承受垂直变形6%而不会漏水。由于辊压形成的沟槽增加了此处的刚性。插口区域刚性提高有利于抵抗荷载和承口变形。

3.2.3 承插接口的测试

美国西北钢管公司曾经在丹佛工厂于1981年、1982年和1984年对承插接口做过4次试验，具体试验数据见表1。

表1 轧槽式承插接口试验数据

破坏性试验报告表明，失效压力值与钢管屈服强度成正比关系，管体变形导致漏水。同时也证明，胶圈密封的轧槽式承插接口的承载能力是设计压力的2～3倍。

3.2.4 允许偏转角

轧槽式承插接口允许25 mm(1 in）伸缩偏移量； 卡内基式接口直径 300～500 mm（12～21 in）允许偏移量为19 mm，直径600 mm以上允许偏移量为25 mm（1 in），允许偏转角为

从（1）式得出，钢管直径越大，其允许偏转角越小。如直径1 371.6 mm（54 in）钢管的允许偏转角约为1°。

3.2.5 承插接口的安装要点

安放胶圈之前需确保沟槽清洁光滑，胶圈涂油后套紧在沟槽里。用钝器（木棍或螺丝刀杆）绕在胶圈下面沿圆周转两圈，使胶圈张力均匀一致。钢管连接前承插接触面涂油，插口端平行对中承口，并插入到底。连接好后用塞尺沿胶圈圆周检查是否有脱漏，如果发现需更换胶圈，重新对接。在取下钢管吊绳前，在钢管中部下方垫好支撑，然后进行接口内外的涂层修补保护[8]。

4 非开挖工程中使用的承插式钢管

帕姆洛克（Permalok）承插式钢管[9]可以用于微型隧道、顶管、夯管、旋挖和水平定向钻进的非开挖工程。其特点是节省施工时间和费用，钢管在地下和水下连接时可以不用现场焊接。在北美，有超过305 km的帕姆洛克承插式钢管被安装使用。

4.1 技术规范

帕姆洛克系统可以应用于套管和压力管道。各种丝扣形状对应于不同的用途。标准规范保证帕姆洛克生产的所有钢管满足严格的技术要求。帕姆洛克承插口类型如图6所示。

用于套管的T5原型于1993年申请专利，已用于美国几千个非开挖工程项目。

T7 型在 2002 年已用于 2 MPa（300 psi）的压力管道，由于其可靠性和效率的提高，这种类型的钢管成功应用于输水管道工程。

HDD型连接可以用于水平定向钻进工程，它不用现场焊接，使钢管连接便捷。HDD型钢管可以用于套管和输送管道。

图6 帕姆洛克承插口类型

帕姆洛克连接之所以受到非开挖行业的青睐，是因为其钢管内外表面平齐 （直缝焊管ERW/JCO/RB），由于管端圆度和平直度较高，使钢管接口质量进一步提高。独特的机加工丝扣形状使钢管对中更加快捷。且帕姆洛克还使用硅胶密封，使管道在恒压下不会漏水。

4.2 施工安装

帕姆洛克钢管咬合连接系统的特点是管端处经过精密加工，在现场由非开挖设备的顶进架或夯机完成连接。不需要现场焊接，能快速完成安装过程。

安装过程如下：①钢管两端（公和母）出厂前用蜡制的保护涂层防止机加表面在室外环境下生锈，该保护膜在钢管连接前需用石油基质溶剂清除。②用硬毛刷或石油基质溶剂清理管端，并擦拭干净。③使用硅胶密封前仔细阅读说明。④涂抹硅胶于公母接口处，保证圆周涂抹连续均匀，并对准钢管接口。⑤钢管连接后，大部分硅胶被挤压到管子内外，不用等到硅胶硬化就可以立即施工安装。

4.3 帕姆洛克承插式丝扣钢管在非开挖工程中的典型应用实例

帕姆洛克承插式丝扣钢管在非开挖工程中的应用实例见表2。

表2 帕姆洛克承插式丝扣钢管在非开挖工程中的典型应用实例

续表

5 结 语

由于近年来城市地下设施和管道的改造项目日益增多，要求工期尽量缩短，施工占地尽量减少，适应地质不均匀沉降。很多情况下，工程项目不得不选用承插式柔性连接来满足这些苛刻的条件。承插式连接省掉了现场焊接，对接速度大大加快，开挖土方量大大减少，是一种省时省力的管道设计和施工的替代方法。在非开挖的穿越施工中，还可以使用帕姆洛克（Permalok）丝扣承插式钢管连接，达到了同样的目的。

［1］WILLIAM R W.Buried flexible steel pipe:design and structural analysis[DB/OL].http://dlx.bookzz.org/genesis/1160000/87ad6516ff489fde3d6878c2abfdd2ce/_as/[William_R._Whidden,_P.E.]_Buried_Flexible_Steel_P(Book-ZZ.org).pdf.

［2］沈之基.我国输水钢管连接技术和美国柔性接口[J].上海水务， 2006， 22（4）： 29-32.

［3］AWWAC200—2012， Steel Water Pipe， 6in(150mm)and Larger[S].

［4］AWWA(American Water Works Association).AWWA M11 Steel Pipe-A Guide for Design and Installation[M].USA：[s.n.]，2004.

［5］ASTMD395， Standard Test Methods for Rubber Property-Compression Set[S].

［6］ASTM D412， Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Rubbers and Thermoplastic Elastomers-tension[S].

［7］AWWAC301—2007， Prestressed Concrete Pressure Pipe，Steel-cylinder Type[S].

［8］AWWA C604—2012， Installation of Steel Water Pipe—4 in(100 mm)and Larger[S].

［9］Northwest Pipe Co.Permalok Manuals[K].Vancouver：Northwest Pipe Co.

Application of Large Diameter Steel Pipe Spigot Joint in Water Pipeline

XIA Lianning
（Northwest Steel Pipe Company(Shanghai),Shanghai 201204,China）

Combined with spigot joint of non-restrained gasket connection application in North America nearly 60 years and the requirements of AWWA standard for steel pipe spigot joint,it detailedly introduced the standard and norm,the design,fabrication and installation for the joints of rolled groove type and Carnegie type，and some matters needing attention.It pointed that it should use SAW pipe for rubber gasket sealing,and adopt Permalok fast joint on longitudinal welded pipe in the trenchless application with no field welding.

welded pipe;water transmission steel pipe;spigot joint;non-restrained connection

TE973

B

1001－3938（2015）09-0045-06

夏连宁（1961—），男，毕业于西安建筑科技大学压力加工专业，高级工程师。主要从事钢管制造的技术研发工作。

2015-06-04

罗 刚