承插式柔性接口钢管在市政给排水领域的应用

王 翼

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 前 言

市政领域的给水和排水管道连接方式主要分为3种：①以钢管为代表的对接环焊；②以球墨铸铁管、PCCP、PVC 管、波纹管为代表的承插接口；③以PE管为代表的热熔对接[1]。输水钢管的现场焊接连接方式主要包括对接环焊和承插搭接焊，前者主要应用在油气输送管道现场连接，连接施工复杂、周期长、对施工队伍要求高等诸多因素限制了其在低压流体管道工程的应用，后者在国内应用很少。钢管承插式连接包括承插柔性接口和承插搭接焊接口，承插式柔性接口连接方式（橡胶圈密封）以其施工方便快捷、不需要现场焊接和防腐、对施工队伍要求低等特点而受到低压流体输送管道用户的普遍认可[2-3]。

承插式柔性接口钢管在国外已被广泛使用超过60 年[4-6]。近10 年来，国内一些钢管企业在参考球墨铸铁管、PVC管和玻璃钢管的基础上，开发了多种钢管的承插式柔性接口，从21 世纪初开始成功应用在国内很多长距离输水和供水管道工程上[7]。

我国关于承插式柔性接口钢管的设计技术规程T/CECS 492—2017《给水排水工程埋地承插式柔性接口钢管管道技术规程》[8]和产品标准T/CECS 10159—2021《给水用承插柔性接口钢管》[9]先后完成编制并施行，结束了我国长时间没有可用的胶圈密封承插式连接钢管标准的困境，为承插式柔性接口钢管的应用和推广提供了技术和标准上的支撑。

承插式柔性接口钢管采用胶圈密封，当管道受外界荷载作用时能有限滑动，具有消除地基不均匀沉降和温度应力的优点，因此其关键技术在于接口、胶圈的结构形式和性能，一旦接口设计失误，柔性接口的特点反而会引发管道渗漏事故。承插式柔性接口钢管在国内应用较少，本研究结合以上两项规程编制过程中对接口结构形式和性能的研究成果，对柔性接口钢管相关技术进行介绍和讨论。

1 承插式柔性接口钢管结构形式

T/CECS 492—2017 中举例了3 种比较常见的承插式钢管柔性接口形式[8]，分别来源于3 家不同的企业，而且这3种结构形式都具有各自的特色，代表了目前国内主流的几种承插式接口，具体见表1。

表1 钢管承插式接口结构形式

T/CECS 492—2017 在标准的名称中加入了“埋地”的限制，在管道计算中对于水平敷设方向改变处采用重力式支墩或土体抵抗轴向力；T/CECS 10159—2021 中也暂未编入具有轴向约束能力的承插式接头。在钢管承插式柔性接口处增加限位措施，使其保留柔性接口优点的同时，具备防止轴向拉脱和横向弯曲脱口的能力，还可以通过接口传递轴向力，成为一种半刚性半柔性的接口，适合应用于地质条件较差或是局部架空的环境。抗轴力柔性接头需要根据管道轴向力、管节长度等对限位装置进行计算和设计，以保证抗轴力的接头形式能承受相应的轴向力。目前国内相关接口的结构形式研究和工程案例较少，根据资料可以分为以下应用方向：

（1）自锚式柔性接口，在单胶圈和双胶圈柔性接口的承口或是插口设置卡环、锁扣等形成机械止脱装置[10]，此种接口是对现有承插式接口的二次研发，属于升级产品，目前的研究、试验、应用成果有限，距离成熟应用尚需时日。

（2）外设螺栓等限位装置如图1所示，通过附件限位装置限制承插口之间的相对位移量，属于对单胶圈和双胶圈柔性接口的改进，改进方式简单有效，受力明确，在目前阶段比较容易被业主和设计单位采用。

图1 外设螺栓限位抗轴力柔性接头

2 承插式柔性接口允许转角

承插式柔性接口允许转角=允许偏移量/直径。承插式柔性接口的最大偏转角度与管径、接口结构形式密切相关。一般情况下，同直径的双胶圈接口小于单胶圈接口的转角；对于同种柔性接口结构形式，管径越大，允许的偏转角度越小。

设计标准T/CECS 492—2017 的3.3.2 条要求承插式柔性接口管道的接口允许转角要满足表2的要求；在6.1.7 条要求实际敷设的时候单个接口可用转角值不得大于接口允许转角的1/2。在接口设计时候要求满足较大的转角而不产生渗漏，实际使用时对最大转角进行限制，提高接口的安全度。

表2 T/CECS 492—2017接口允许转角

产品标准T/CECS 10159—2021 中承插式柔性接口型式试验对接口的允许偏转角度见表3，产品标准对于接口的允许转角要求高于设计标准，要求产品具有更高的安全余量。

表3 T/CECS 10159—2021接口允许转角

3 承插式柔性接口对水头损失的影响

管道的总水头损失是由沿程水头损失和局部水头损失累加产生，承插式柔性接口钢管的内壁在每个承插接口位置都存在不平整面，有可能会增加管道的局部水头损失。

由于钢管采用的内衬涂层材料的不同，内壁的粗糙度不同以及受到水流流态的影响，很难采用一种公式进行各种材质管道沿程水头损失计算。市场上用于直埋的承插式柔性接口钢管基本采用内环氧外PE 的防腐方式，T/CECS 492—2017 认为这种管道的沿程水头损失计算可以适用塑料管道的计算公式；GB 50013—2006 在计算沿程水头损失时也将内涂塑料的钢管与化学管材定义到同一类型的管道进行考虑。

为研究钢管承插式柔性接口对局部水头损失的影响，同时验证涂塑钢管的内壁光滑程度符合规程的要求，山东沃亚森曼机械科技有限公司（T/CECS 492—2017 的参编单位）在2016 年结合某调水工程，利用一段长度为2 440 m，管径为DN900 mm，采用环氧内防腐，两测点相对高差0.815 m 的承插式柔性接口钢管管道进行了水头损失现场测试，如图2所示。

图2 承插式柔性接口钢管水头损失试验示意图

根据GB 50013—2006 的管道沿程水头损失计算方式，选择海曾-威廉计算公式（见公式1）。本次试验的主要方式是根据管道长度、管径、实测流量、实测水头损失，推算海曾-威廉系数Ch，计算结果见表4。

表4 管道水力计算参数结果

式中：i——单位长度管道沿程水头损失；

dj——管道的计算内径，m；

q——设计流量，m/s；

Ch——海曾-威廉系数；

hy——管道沿程水头损失，m；

l——管道长度，m。

根据试验和计算结果可以看出，按实测水头损失值推算的海曾-威廉系数Ch与GB 50013—2006条文说明附表9中化学管材、内衬与涂塑料的钢管的海曾-威廉系数的取值范围基本吻合，且Ch值均大于140，表明：①长距离输水管道的水头损失以沿程水头损失为主，承插式柔性接口引起的局部水头损失可以忽略；②钢管采用内环氧防腐的管壁光滑程度与塑料管相近。

4 结束语

T/CECS 492—2017 和T/CECS 10159—2021总结了我国近年来承插式柔性接口钢管的实践经验，借鉴了国内承插式柔性接口的技术研究成果，将成熟、先进的钢管管道连接形式纳入规程，给出了典型的滑入式连接接头，接口形式技术先进、施工方便、缩短工期，具有较显著的经济和社会效益，充分体现了技术的先进性和可操作性。同时对构造、设计、施工等做了相应规定，并与管道设计、施工及验收的通用技术标准相协调。

承插式柔性接口钢管有较好的市场需求，从外观品质、施工、造价、绿色建材等各角度来看，在市政给水和排水工程中均是球墨铸铁管和焊接钢管的优质替代产品。相关的设计和产品标准均已发布实施，国内一些钢管制造企业也已经有比较成熟的产品，这种新型管道的推广和使用将进一步推动我国输水钢管的发展。