纤维增强管在城市给水管道改造中的应用性能研究

林亚南

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

在我国北方各城市，由于冬季温度较低，存在给水管道内水冻结膨胀，导致给水管道破裂漏水的问题[1- 4]。冬季给水管道的破裂给区域用水尤其是生活区居民生活用水带来极大的困扰，因此，如何有效增强给水管道工程性能、防止冬季给水管道破裂，对保证人民生活质量和财产安全具有重要意义。

目前，我国关于给水管道工程改造的研究多是从管道空间布置角度开展[5- 7]，而缺乏对管道材料或结构本身的改进，无法有效解决我国寒区冬季给水管破裂问题。宋立民[8]基于现场研究和试验，指出了地下供给管道腐蚀严重的问题，并提出对供水管道进行防腐改造处理的具体措施，有效提升了管道应用的稳定性与安全性。朱君远等[9]根据室内试验结果，深入对比了PPR管材、PE管材、铜管和铸铁管等多种给水管道的选择和运用及其优势，为我国市政工程中给水管道改造提供了一定的指导作用。赵欣等[10]利用聚氨酯材料对管道进行喷涂能够有效增强给水管道的工程性能，并且聚氨酯材料喷涂技术可以有效应用到给水管道快速修复工作中。

综上所述，现有关城市给水管道的研究主要集中于给水管道的空间分布设计方面，而较少涉及到改善给水管道工程性能领域。本文在室内制备了一种包含外层-聚丙烯纤维网夹层-内层结构的复合纤维增强给水管道，并基于室内试验深入研究了增强管道的抗拉能力和抗爆破能力的措施。研究成果为我国给水管道改造工作提供了一定的借鉴作用。

1 试验研究

1.1 研究背景

目前，我国推广应用的给水管道主要为单层高聚合物管道，如高密度聚乙烯管道，其耐腐蚀的作用、抗压强度较好。然而，在我国北方各城市，由于冬季温度较低，存在给水管道内水冻结膨胀，导致给水管道破裂漏水的问题。针对上述问题，我国北方某城市拟对该市核心区域开展给水管道改造试点工程，以解决城市冬季给水管道破裂及其引发的地方居民区断水问题。

1.2 试样制备与试验

本次试验所用的纤维增强给水管道为本研究小组委托河北省某管道有限公司制备，管道外径为50.00mm，聚乙烯内层厚度为2.50mm，外层厚度为1.0mm。此外，在外层和内层中间，夹有网状分布的纤维强化层，所用材料为聚丙烯纤维，纤维平均直径5μm，结构示意图如图1所示。为研究纤维增强给水管道的抗压能力，统一截取为长度为1m的管道进行抗压试验和爆破试验，并对内层材料展开抗拉试验。此外，本次研究同样设置对照试验组(普通给水管道：有内外层，但没有纤维网夹层)，两种水管的设计承压均为2.0MPa。

图1 纤维增强给水管道实物图和结构示意图

2 纤维增强管性能研究

2.1 内层性能研究

在输送介质的持续侵蚀和冲刷下，给水管内层可能存在管道腐蚀失效的风险，为了充分研究内层高密度聚乙烯层的工程性能变化，将管道内层单独取出进行加工，通过室内试验研究其性能变化。取5组给水管道内层试件开展抗拉试验，依据规范GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的测定》进行试验。抗拉试验的结果见表1，从表1中可以看出，给水管道内层材料的抗拉屈服强度和断裂点应力平均分别为19.64、33.28MPa，且5组试件之间的相差值很小，这表明给水管内层材料的工程性能较好且材料性能基本一致。此外，材料破坏时的平均断裂伸长率为741.94%，这表明给水管内层材料具有较好的轴向拉伸变形性能。

表1 给水管道内层拉伸试验结果

2.2 管道承压性能研究

由给水管道破裂问题分析可知，管道的承压能力是决定给水管道性能的主要因素。因此，本次研究采用静水压试验机，对普通给水管道和纤维增强给水管道开展了室内静水压试验，深入研究了不同管道承压性能随时间变化关系，试验结果如图2所示。由图2可知，随着注水时间的不断增加，普通给水管中的静水压力呈逐渐减小的变化趋势，普通给水管中的最大静水压力达到2.04MPa，而最小静水压力为1.86MPa，最大值与最小值之间差距达到0.18MPa。相较于普通给水管道，纤维增强管中静水压力值的波动则较小，均在4%以内。最大静水压力为2.04MPa，最小静水压力为1.97MPa，最大值与最小值之间差距仅为0.07MPa。分析认为，在保持加压设备、环境温度等实验条件一致的前提下，纤维增强管的承压能力更强，在高压水下未发生明显破裂，其保压能力要优于普通水管。

图2 普通管和增强管静水压试验结果

2.3 爆破试验强度

为了测试纤维增强给水管和普通给水管承受内压的极限能力，室内对其开展了爆破试验，试验结果见表2。从表2可知，纤维增强给水管爆破压力平均值为21.8MPa，而普通给水管爆破压力的平均值仅达到16.9MPa，相较于纤维增强给水管下降了22.48%，下降幅度相对较大。分析认为，由于纤维增强给水管具有三层结构，且在内外层中间夹有具备较好弹性形变能力的聚丙烯纤维网，因此在爆破压力作用下其能够承受更大的压力。

2.4 机理分析

综上所述，加入纤维层后，给水管道整体的抗压能力和抗爆破能力均产生了一定幅度的提高。分析认为，纤维强化层材料主要为聚丙烯纤维，主要作用是增强管道的抗压能力，聚酯纤维为偶数层反向缠绕于内层之上，且缠绕方向要与管道轴向成55°左右的夹角；外层材料主要为聚乙烯，能起到保护纤维强化层及防磨损的作用。从增强管不同结构及其作用可知，纤维强化层起着承担主要荷载的作用，相比于内层高密度聚乙烯材料而言，聚酯纤维因其具备较高的刚性而断裂伸长率较低。在外部压力作用下，失效主要是由于其变形量超出了聚酯纤维的断裂伸长率，因此纤维的缠绕角度及排布状态等对于保障给水管道的抗压和抗拉性能具有十分重要的作用。

表2 给水管爆破试验结果

3 结论

本次研究依托于北方某城市给水管道改造工程，通过室内及现场试验研究了纤维增强给水管道的工程性能，主要结论如下。

(1)纤维增强管保压能力较强，普通给水管中的最大、最小静水压力差0.18MPa，而纤维增强管则仅为0.07MPa。

(2)纤维增强给水管爆破压力平均值为21.8MPa，而普通给水管爆破压力的平均值仅达到16.9MPa，相较于纤维增强给水管下降了22.48%。

(3)受限于试验条件，本次研究仅针对纤维增强管展开抗压试验与抗爆破试验，下一步应当增加温度因素对管道性能的影响研究。