非开挖电熔焊对接短管道力学性能试验研究

司金艳 王光明 王灏

北京市市政工程研究院 100037

引言

近年来，给待修复的地下管道增加内衬管的“管中管”非开挖修复技术在借鉴国外技术的基础上在国内工程中开始大量应用，使这一技术逐步走向成熟，《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》（CJJ／T 210—2014）［1］中已将穿插法、碎（裂）管法技术纳入规范。高密度聚乙烯HDPE管（HDPE管）目前在国内许多大型市政管道工程中得到了广泛的应用，HDPE 是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂，具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，具有较高的刚性和韧性，机械强度好。HDPE管除可采用传统的开挖方式进行施工外，还可以应用于穿插法和碎（裂）管法等多种非开挖技术进行施工。HDPE 管表面光滑、耐腐蚀，适用于排水管线修复工程，已经有一定量的工程应用。经工程应用发现，现有HDPE 短管连接方式的接口仅可承压、整体性差，需要进行研究改进。

1 施工主要问题分析

1.1 碎（裂）管法

碎（裂）管法施工主要依靠液压或气动破碎旧管道后，经扩径头将新管拉入，工艺适用管径DN200～DN700。优点为管道整体性较好，可以做到不损失管道断面和微扩径。缺点是需要占路施工，明挖工作坑，并非完全非开挖修复；施工中需要将管道长距离牵拉，对管材要求较高，易造成新管管材损伤，影响使用；遇到牵引力过大时，需要局部明挖才能完成施工；在地下管线密度较高时，施工对周边管线存在一定的扰动，施工风险较高。

1.2 穿插法

穿插法利用检查井作为工作坑，可做到完全非开挖施工，近几年发展较快。现有HDPE 插管内衬工艺是将带有承插接口的HDPE 管短节逐节放入检查井中，在井中进行短管连接，将连接好的新管道插入待修复的旧管道中，在新、旧管道之间进行缝隙灌浆，达到固定衬管的目的。此工艺尤其适用于正在运营中的排水管道的修复。

目前排水管道插管修复工艺采用的管口连接方式均为图1 中所示的承插口形式。其优点在于厂内预制加工，现场施工需配套的设备少。缺点是新插入管道较原管道存在一定量的缩径，影响管道过水断面。管口之间仅靠承插口连接，两节管道之间仅可受压，承受拉力能力差，连接刚性不足，整体性差；承插接口处环刚度不足，不能承受拉力，实际施工中基本以顶推方式进行，顶推过程中推力过大会使管口径向变粗，存在卡管风险，遇到管道存在错口变形时，承插口在外力挤压作用下分开，出现承插口崩裂现象，管道严密性难以得到保障，见图2。

图1 插管工法使用的管口形式Fig.1 Nozzle form in insertion method

图2 穿插法施工后接口开裂Fig.2 Cracking of interface

2 短管环形网片电熔对接技术

2.1 HDPE管材热熔技术分析

根据大量工程的实际调研和需求分析，HDPE管材可较好地应用于排水管道非开挖短管穿插管法短管连接。热熔焊接是将HDPE 管端截面，利用加热熔融后相互对接融合，经冷却固定连接在一起的方法。其焊接原理是：当材料加热到超过其熔融温度后，变成粘滞流体，在焊接压力作用下，大分子相互扩散，产生范德华作用力，从而牢固的焊接在一起，基本工艺过程分为三个阶段：加热、熔合和冷却。通常采用电熔电焊面来加热管端，使其熔化，迅速将其粘合，保持有一定的压力，经冷却后达到焊接的目的。与焊接直接有关的参数主要有：温度、时间、压力。

热熔焊接相关技术在国内外燃气和给水管道中应用已较为成熟，相关的《塑料管材和管件聚乙烯（PE）管材／管材或管材／管件热熔对接组件的制备》（GB／T 19809—2005／ISO11414：1996）［2］、《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ 63—2008）［3］、《聚乙烯（PE）管材和管件热熔对接接头拉伸强度和破坏形的式的规定》（GB／T 19810—2005／ISO 13953：2001）［4］等技术规范规定了熔接过程工艺参数、管材焊接压力、吸热时间和冷却时间等参数，以及热熔焊接的质量检测方法等。

热熔对焊连接优点为操作简单，缺点是管节对口操作时无子口约束，热熔过程中易滑移，对中性差，造成对接焊口出现质量缺陷，且对焊连接按规范要求，焊接后需形成一定的翻边，外翻边侵占旧有管道截面空间，使得插管直径缩小，影响有效通过面积；内翻边在管内形成隆起，破坏内壁光滑性，影响水流流速，易产生淤积。HDPE管道热熔对接焊缝外观及缺陷典型样品见图3。

图3 HDPE 管道接熔对接焊缝外观及缺陷典型样品Fig.3 Typical samples of appearance and defects of pipeline fusion butt welds

2.2 短管环形电熔片接头工艺设计

HDPE管接头工艺设计的需求如下：（1）管节对口处应加以子口约束，便于管节快速精准对正；（2）接口抗拉强度不低于原管材，受拉能力强；（3）接口处环刚度大于原管道的环刚度，避免接口薄弱，出现断层和缝隙；（4）保证电熔接口的密闭性、耐久性、正圆性；（5）减小管口熔接后形成的类似翻边的凸起，保证向外不侵占旧有管道截面空间，尽量增大有效通过面积；向内不在管内形成隆起，保证内壁光滑性，不影响水流流速；（6）熔接电压采用安全电压，严格控制熔接电流及熔接时间，保证井下潮湿环境下的有限空间作业安全。

针对实际工程需求和电熔原理来设计短管连接电熔片，管口截面除承插坡口外，剩余的十几毫米左右厚度加工为环型平面，在插口一侧的平面上预置一次性电熔网片。经大量对比试验，最终确定的电熔网片采用06cr19Ni10 耐腐防锈镍铬合金材料，不同管径、壁厚的管材相应选择0.5mm～1mm范围不同厚度的板材。

环形电熔网片布设于管节环切截面中部，与管内壁侧间隔着宽、高约为1／5 管材壁厚的承插坡口，与管外壁侧留约占1／10 管材壁厚的空余。承插坡口对应管节环切截面的面积占比约为20%，电熔网片相应占比约70%。

电熔焊接过程中，熔体向管内壁侧的流动被承插口隔开，向管外壁侧的流动也被未电熔的空余部分阻隔，因此形成的焊口在管外侧几乎无外翻凸起，不会侵占旧有管道截面空间，能最大程度增加插管口径，减小对修复后有效通过面积的影响；在管内几乎无隆起，保证管节间焊口表面光滑，避免对水流流速的影响。电熔标准管节的具体结构型式见图4、图5。

图4 电熔网片接口示意Fig.4 Schematic diagram of the interface of electric fusion mesh

图5 电熔标准管节接口结构Fig.5 Interface structure of electric fusion standard pipe joint

3 电熔接头试验

3.1 试件制作

根据对《塑料管材和管件聚乙烯（PE）管材／管材或管材／管件热熔对接组件的制备》（GB／T 19819—2005／ISO 11414：1996）［2］规范熔接过程参数的改进，经过大量管材试验确定电熔工艺参数见表1。

表1 短管电熔参数Tab.1 Short tube electrofusion parameters

试件制作过程如下：（1）首先将加工好的标准管节放置在可调固定底座上调整固定，插口侧朝上；（2）将电熔网片放置在管节环切截面上，网片内径与承插坡口的外径一致，可快速准确地布置好；（3）将隔热保护垫环（与所制作的标准管节管径相配套的）放置在电熔网片上方；（4）操作加载油缸伸出，使加载压板与隔热保护垫环接触，此时不施加加载压力；（5）连接电熔焊机向电熔网片供电的电缆，以电熔网片安装的工艺参数向电熔网片供电，同时施加预设的加载压力，完成电熔网片的预置安装，加载压力由压力传感器控制液压动力站实现闭环控制。电熔对接试件的制作见图6。

图6 试件制作Fig.6 Preparation of test pieces

3.2 拉伸强度极限承载力试验

选取DN315、DN400、DN500 三种管径，每组管径3 个试件。管材材质选取HDPE100，环刚度SN8。根据《聚乙烯（PE）管材和管件热熔对接接头拉伸强度和破坏形式的规定》（GB／T 19810—2005／ISO 13953：2001）［4］进行拉伸强度极限承载力试验。测量管材壁厚、直径等几何参数，将试样固定在拉伸试验机夹具上，并保证施加于试样的力垂直于对熔焊缝，夹具以（5 ±1）mm／min速度运动，对试样施加拉力。记录拉伸过程中施加的拉力，直到试样完全破坏，试验结果见表2。

表2 承载力试验结果Tab.2 Test results of bearing capacity

由表2 可知电熔接头破坏特征均为韧性破坏，各组接头试件中，拉伸强度的最小值为22.6MPa，全部大于规范对原材料要求的21MPa。

图7 为管材直径DN315 的三个试件的荷载位移曲线，试件在荷载作用下经历了变形随荷载增加逐步增大的弹性阶段、变形持续增大而荷载降低的屈服阶段，最后进入荷载不再变化而变形迅速扩大的塑性极限状态后最终破坏。

图7 荷载位移曲线Fig.7 Load displacement curve

图8 为电熔接头承载力试验加载方式及试件最终破坏形态，可见最终破坏主要发生于夹具与试件连接处，电熔接头处未发生明显破坏，表明其熔接效果良好。接头拉伸强度大于母材强度，可以等同为一整体管道受力。

图8 承载力试验Fig.8 Bearing capacity test

3.3 环刚度试验

根据《热塑性塑料管材环刚度的测定》（GB／T 9647—2015）［5］用两个相互平行的平板对一段水平放置的管材以恒定速率在垂直方向进行压缩（图9），以管材直径方向变形量为3%的荷载计算环刚度。由表3 可知原管材环刚度级别为SN8级，电熔熔接后各组试件接头环刚度较原管材提高1.94%～3.31%，满足规范要求。

表3 电熔接头环刚度试验结果Tab.3 Test results of ring stiffness

图9 环刚度试验Fig.9 Ring stiffness test

3.4 电熔接头严密性试验

为检验电熔接头的严密性按《给水聚乙烯（PE）管道系统》（GB／T 13663.1—2017）［6］要求进行静压强度测试，结果表明，电熔接头在试验温度80℃，试验压力5MPa 静水压作用下，经1000h的试验，接头处无破坏、无渗漏。排水管道水温一般不会超过40℃，因此接头严密性满足使用要求。

4 工程应用

海淀南路配套污水管线修复工程，位于海淀南路与海淀中街路交叉丁字路口西侧，在运营内径DN500 污水管，长度45m，覆土深约4m，管材为C30，壁厚60mm，管道内底部淤泥深约5cm，内壁腐蚀，附着杂物。部分管道存在10mm～30mm错口，施工难度大。实际现场施工时，为保证管道整体性，提高管节对接精度，施工中采用可调的正圆对中装置进行管节对接操作，并在热熔过程中起到限位作用，以保证管节对中的准确性，避免热熔过程中管节接口的滑移，保证热熔焊接管口的热熔焊接质量及接口圆度。见图10。

图10 管节对焊工艺示意及正圆对中装置Fig.10 Schematic diagram of pipe joint butt welding process and circular centering device

管道经清淤后进行施工，新插入管道由于电熔接口技术应用大大提高了管道整体性，6 小时完成45m施工，目前运行效果良好。

5 结语

本文通过对比分析穿插法、碎（裂）管法施工存在的主要问题，提出环形网片电熔短管对接技术，进行电熔接头工艺设计，开展电熔接头拉伸强度、环刚度、严密性等试验，并进行工程应用。标准化加工、预制的电熔标准管节，施工更加安全可靠，施工后的管道内、外侧无凸起，不侵占旧有管道截面空间且管道内壁表面光滑。总结如下：

1.环形网片电熔连接接头拉伸强度、环刚度、严密性能满足达到规范要求的指标；

2.采用环形网片电熔技术施工，可有效解决短管承插口连接承拉能力差、环刚度不足等难题，插管整体性强，可牵引、顶推施工，增强了穿插法、碎（裂）管应用范围，能较好地保证工程质量，减少施工风险。