《埋地聚乙烯(HDPE)排水管道技術(shù)規(guī)定》 培訓(xùn)講義

1、埋地聚乙烯（埋地聚乙烯（HDPE）排水管道技術(shù)規(guī)定）排水管道技術(shù)規(guī)定 培訓(xùn)講義培訓(xùn)講義 青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院二二五年十二月五年十二月 一、聚乙烯管的發(fā)展一、聚乙烯管的發(fā)展 在國(guó)外，聚乙烯管的應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代最初用作電話線導(dǎo)線和礦井無(wú)壓排水。20世紀(jì)50年代中期，用于給水管道（高密度聚乙烯管）。20世紀(jì)60年代中期，用于輸配氣管道（高密度聚乙烯管）。目前，聚乙烯管材已成為在PVC-U管材后，世界上消費(fèi)量第二大的塑料管材品種。消費(fèi)量在150萬(wàn)噸以上。廣泛用于燃?xì)廨斔?、給水、排水、農(nóng)業(yè)灌溉、油田、礦山、化工及郵電通信等領(lǐng)域。 我國(guó)近年來(lái)HDPE管道發(fā)展很快。200

2、0年以來(lái)引進(jìn)的HDPE管材生產(chǎn)線超過了100條，生產(chǎn)能力超過30萬(wàn)噸/年。并且有了一批大型的管材生產(chǎn)企業(yè)，這些企業(yè)不僅生產(chǎn)線全部進(jìn)口。而且還有很強(qiáng)的管件生產(chǎn)能力。我國(guó)已經(jīng)能夠生產(chǎn)直徑1600的HDPE給水管。大多數(shù)擁有進(jìn)口生產(chǎn)線的企業(yè)也都能夠生產(chǎn)到直徑630。而PVC管材的生產(chǎn)發(fā)展速度有些放慢，目前生產(chǎn)的最大直徑為720。 聚乙烯塑料管材主要用于排水管和中水管道采用的比較多，而給水管道使用的比較少。 一、聚乙烯管的發(fā)展一、聚乙烯管的發(fā)展 在我國(guó)用于排水管的結(jié)構(gòu)壁管首先發(fā)展的是U-PVC的雙壁波紋管和環(huán)狀肋管。從這兩種U-PVC結(jié)構(gòu)壁管發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，雙壁波紋管逐漸占了上風(fēng)。主要的原因首先是生產(chǎn)雙

3、壁波紋管比生產(chǎn)環(huán)狀肋管要容易一些，其次就是環(huán)狀肋管生產(chǎn)線國(guó)內(nèi)沒有很好開發(fā)，只有上?！敖鹁暋北容^成功。還有一個(gè)重要的原因就是雙壁波紋管比環(huán)狀肋管節(jié)省原料（在同樣直徑,同樣環(huán)剛度條件下）。 U-PVC結(jié)構(gòu)壁管由于原料加工性能的限制，我國(guó)只能生產(chǎn)到直徑500，但是上?！肮弊罱M(jìn)的生產(chǎn)線已經(jīng)可以生產(chǎn)到直徑600。由于U-PVC的剛度要明顯好于HDPE，因此U-PVC雙壁波紋管的承口剛性也比較好，連接比較可靠。并且承口是下線加工，生產(chǎn)線可以始終在較高的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。加上產(chǎn)品很低的價(jià)位，因此在直徑500-600以下的范圍內(nèi)是HDPE雙壁波紋管強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 U-PVC結(jié)構(gòu)壁管有剛度好，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，

4、但是也有低溫抗沖擊性能差的缺點(diǎn)，特別在我國(guó)北方冬季施工時(shí)非常容易破損。近年來(lái)由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，U-PVC的配方性能越來(lái)越差，以致在堆放和運(yùn)輸中也時(shí)常發(fā)生破損，影響了U-PVC結(jié)構(gòu)壁管市場(chǎng)進(jìn)一步開發(fā)。尤其是北方市場(chǎng)HDPE結(jié)構(gòu)壁管在這一點(diǎn)上有明顯的優(yōu)勢(shì)。一、聚乙烯管的發(fā)展一、聚乙烯管的發(fā)展 另一種纏繞管就是中空壁纏繞管，這種管材在我國(guó)的發(fā)展是來(lái)自韓國(guó)的技術(shù)。2000年我國(guó)引進(jìn)了10條韓國(guó)中空壁纏繞管生產(chǎn)線。由于投資較小，生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單，又可以生產(chǎn)直徑2000或者更大的纏繞管，因此很快在我國(guó)形成了大口徑中空壁纏繞管熱。有20多個(gè)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)了中空壁纏繞管生產(chǎn)線，實(shí)際銷售的數(shù)量難以統(tǒng)計(jì)。但是這一股

5、熱潮沒有持續(xù)很久，很快就被雙壁波紋管取代，主要的原因是國(guó)內(nèi)雙壁波紋管生產(chǎn)線開發(fā)成功，并且迅速形成批量的生產(chǎn)能力，設(shè)備的價(jià)格也能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)企業(yè)接受。另一方面在產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)上，雙壁波紋管占有一定的優(yōu)勢(shì)。因此HDPE雙壁波紋管逐漸成為塑料埋地排水管的主流產(chǎn)品迅速發(fā)展起來(lái)。 以HDPE雙壁波紋管和中空壁纏繞管相比，在相同的直徑和相同的環(huán)剛度條件下，雙壁波紋管要比中空壁纏繞管節(jié)省原料30%以上，因此在產(chǎn)品的價(jià)格上雙壁波紋管占有明顯優(yōu)勢(shì)。 二、聚乙烯（二、聚乙烯（PEPE）管道的類別）管道的類別 聚乙烯管可分為: 實(shí)壁管（Solid-wall pipes） 結(jié)構(gòu)壁管(Structured-wall pi

6、pes) 聚乙烯管道最初和最主要的結(jié)構(gòu)形式是通常見到的實(shí)壁管。它的基本特征是沿管材任一位置的橫斷面處結(jié)構(gòu)尺寸均一致，而且管壁材料密實(shí)、均質(zhì)。 所謂結(jié)構(gòu)壁管是指對(duì)管材的斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到減少材料，增強(qiáng)管材結(jié)構(gòu)性能（如提高剛度）的管材品種。主要有以下幾種。二、聚乙烯（二、聚乙烯（PEPE）管道的類別）管道的類別 塑料波紋管是指管壁為同心環(huán)狀中空棱紋的管材，波紋為平行環(huán)型。具有用料省、剛性高的特點(diǎn)。最早的是單壁塑料波紋管，指塑料的內(nèi)、外壁均具有波紋的管材；主要用于高爾夫球場(chǎng)、農(nóng)田的暗溝排水管；這種管材的內(nèi)表面有凹凸，阻礙流體的流動(dòng)。雙壁塑料波紋管，是在單壁塑料波紋管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，管壁

7、縱截面由兩層結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)層光滑，外層為波紋狀（波紋形狀可為直角、梯形、正弦形等）。雙壁波紋管是同時(shí)擠出兩個(gè)同心管再將波紋外管熔接在內(nèi)壁光滑的內(nèi)管上而制成的。由于管壁截面中間是空芯的，在相同的外壓承載能力下可以比普通的實(shí)壁管節(jié)省50以上的材料。主要用于室外埋地排水管道、污水管道、通訊電纜套管和農(nóng)用排水管。 塑料波紋管的最常見的材質(zhì)是PVC-U和聚乙烯（PE，通常為HDPE）、聚丙烯（PP，多為PP-B）。最早的波紋管是PVC材料，在19581959年間出現(xiàn)。 PVC-U雙壁波紋管的外徑通常在800mm以下。 聚乙烯雙壁波紋管的外徑達(dá)到2000mm。2.1 波紋管波紋管 二、聚乙烯（二、聚乙烯（P

8、EPE）管道的類別）管道的類別 2.1 波紋管波紋管 標(biāo)記示例：公稱內(nèi)徑為500mm，環(huán)剛度為SN8的PE雙壁波紋管材的標(biāo)記為：雙壁波紋管 PE DN/ID500 SN8 GB/T 19472.1-2004二、聚乙烯（二、聚乙烯（PEPE）管道的類別）管道的類別 2.1 波紋管波紋管 二、聚乙烯（二、聚乙烯（PEPE）管道的類別）管道的類別 2.2 螺旋纏繞管螺旋纏繞管 螺旋纏繞成型的管材種類比較多。其共同特點(diǎn)是在纏繞芯軸上螺旋纏繞擠出的PVC-U和HDPE型材而成型為整體管材。技術(shù)的特點(diǎn)是管材口徑由螺旋纏繞芯軸直徑?jīng)Q定，而芯軸直徑可以設(shè)計(jì)得很大，因此可以用較小的擠出機(jī)生產(chǎn)口徑很大的管材。 螺

9、旋纏繞中空壁（雙層壁或多層壁）高密度聚乙烯管 該技術(shù)先擠出方管型材坯，通過纏繞成型臺(tái)纏繞成型管子，在方管型材纏繞熔接時(shí)，向型管間擠出工字型填充的熔料。該類型管子的優(yōu)點(diǎn)是管內(nèi)壁、外壁均平滑，方便連接。 以上是按照管道的結(jié)構(gòu)特征分類的，當(dāng)然，還有按照管道的材料的品種分類的，如：主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。按照管道的材質(zhì)組成分類，如管壁是由兩種或兩種以上的不同材料分別組成的結(jié)構(gòu)部分復(fù)合在一起構(gòu)成的，這種管子為結(jié)構(gòu)復(fù)合管。結(jié)構(gòu)復(fù)合管由分為塑塑復(fù)合管，塑鋼復(fù)合管、塑鋁復(fù)合管等。 二、聚乙烯（二、聚乙烯（PEPE）管道的類別）管道的類別 2.2 螺旋纏繞管螺旋纏繞管 二、聚乙

10、烯（二、聚乙烯（PEPE）管道的類別）管道的類別 2.2 螺旋纏繞管螺旋纏繞管 三、三、HDPEHDPE管道的特點(diǎn)管道的特點(diǎn)3.1 水力條件好水力條件好 由于HDPE管內(nèi)壁表面光滑，管道的粗糙系數(shù)n0.0090.01，按曼寧公式計(jì)算流量時(shí)，同等管徑條件下，比砼排水管過流量大30，即選用HDPE管，其管道管徑可以選用砼（鋼筋）縮小12個(gè)管道等級(jí)。 3.2 密封性好密封性好 可實(shí)現(xiàn)零滲漏，由于管道連接可采用電熔焊技術(shù)，便接口處的兩段管安全熔為一體，保證了管道接口不會(huì)滲漏。 3.3 生產(chǎn)的管徑范圍廣生產(chǎn)的管徑范圍廣 HDPE管目前可生產(chǎn)的管徑范圍為2004000，比PVC管生產(chǎn)的管徑范圍要廣（PVC

11、管管徑最大為DN600）。 抗老化性能好，由于HDPE管的原材料為高分子成分的聚乙烯組成，更能有效地抵抗酸、堿、鹽等介質(zhì)的腐蝕和未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水的侵蝕。 3.4 耐腐蝕耐腐蝕 3.5 柔韌性好柔韌性好 3.6 質(zhì)量輕質(zhì)量輕 3.7 強(qiáng)度高強(qiáng)度高 HDPE管屬柔性管，延伸性能好，能適應(yīng)地基較差條件下的施工及避免地基沉降對(duì)管道性能的影響。特別是在沿海地區(qū)，工程地質(zhì)條件普遍較差，沉降嚴(yán)重，該種管材與其它管材相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 安裝方便，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了施工工程 使用壽命長(zhǎng)，由于HDPE管是采用100高密度聚乙烯在熱熔狀態(tài)下整體制成的管道，其整體性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，強(qiáng)度高，使用壽

12、命長(zhǎng)，一般可達(dá)50年以上。 三、三、HDPEHDPE管道的特點(diǎn)管道的特點(diǎn)四、四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算 4.1 豎向變形計(jì)算豎向變形計(jì)算 管道外壓荷載比較復(fù)雜，主要包括土壤重量和地面產(chǎn)生的靜荷載，以及運(yùn)輸車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載。HDPE屬于柔性管，在外壓荷載下管材和周圍的土壤（回填材料）產(chǎn)生“管土共同作用”（即管材和周圍土壤（回填材料）共同來(lái)承受外壓荷載）。目前世界各國(guó)在埋地管道的設(shè)計(jì)計(jì)算方面還沒有完全一致的方法，但是絕大多數(shù)國(guó)家都以美國(guó)Spangler公式衣阿華公式作為計(jì)算埋地柔性管外壓荷載下變形量的基礎(chǔ)公式。Spangler公式如下： 33061. 0rEEIrKWDXcL 四、四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)

13、計(jì)算 Spangler 模型土壤壓力分布模型土壤壓力分布埋地聚乙烯（HDPE）排水管道工程技術(shù)規(guī)定也是以此公式為基礎(chǔ)的。規(guī)定中計(jì)算HDPE管在外壓荷載下，豎向管道變形量的公式5.3.2-1： doppvkqksvdldErIEDqFKDw061. 0/31,max, 四、四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算 其物理含義是 doppvkqksvdlErIEDqFKD土土壤壤參參數(shù)數(shù)管管材材參參數(shù)數(shù)管管徑徑車車輛輛壓壓力力系系數(shù)數(shù)土土壓壓力力系系數(shù)數(shù)系系數(shù)數(shù)變變形形量量061. 0/31, 物理含義可簡(jiǎn)化為 土壤參數(shù)土壤參數(shù)管材參數(shù)管材參數(shù)車輛壓力車輛壓力土壓力土壓力系數(shù)系數(shù)變形量變形量 從5.3.2-1中可以清

14、楚地看出決定埋地柔性管外壓荷載下變形量的一方面是荷載的大小（公式中分子部分），另一方面是管材結(jié)構(gòu)性能和周圍土壤結(jié)構(gòu)性能兩者之和（公式中分母部分的兩項(xiàng)）。所以，決定HDPE管鋪設(shè)后能否正常工作的，荷載、管材和土壤（回填）三個(gè)參數(shù)都很重要，而且相互影響。 4.2 環(huán)剛度的物理定義和測(cè)定。環(huán)剛度的物理定義和測(cè)定。 四、四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算 根據(jù)承受荷載的管土共同作用，從5.3.2-1中可以看到管材的結(jié)構(gòu)性能是決定能否承受荷載的重要參數(shù)。這個(gè)管材參數(shù)（抗外壓荷載）有三個(gè)由管材材料、結(jié)構(gòu)和尺寸決定的因素（Ep Ip ro）：3rIEpp 管材參數(shù)管材參數(shù)Ep-管材短期的彈性模量（kN/m2）Ip-管道縱

15、截面每延米管壁的慣性矩（m4/m）ro-管道計(jì)算半徑（管壁中性軸半徑）（m） 所以，從理論上講，每當(dāng)我們進(jìn)行塑料埋地排水管設(shè)計(jì)時(shí)必須首先知道這三個(gè)數(shù)值，然后才能放在公式中去設(shè)計(jì)計(jì)算。由此，如果設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)了這三個(gè)數(shù)值，生產(chǎn)企業(yè)提供的管材就要保證這三個(gè)數(shù)值。但是，在實(shí)踐中這三個(gè)數(shù)值不容易獲得。首先，管材的彈性模量不容易測(cè)量，采用不同牌號(hào)和不同配方的原材料彈性模量都會(huì)有很大變化。此外，管道縱截面每延米管壁的慣性矩很難計(jì)算（埋地塑料排水管一般采用結(jié)構(gòu)壁管，結(jié)構(gòu)截面常常是比較復(fù)雜的幾何形狀），結(jié)構(gòu)尺寸（如壁厚）的變動(dòng)會(huì)造成慣性矩明顯變化。而且，在設(shè)計(jì)確定以后，如果要求制造廠保證這三個(gè)數(shù)值都不變也是很不現(xiàn)

16、實(shí)的。 為此引入“環(huán)剛度”，用以保證管材的抗外壓荷載的能力。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO對(duì)于環(huán)剛度S的定義是： 四、四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算 3DEIS E 材料的彈性模量 I 慣性矩 D 管環(huán)的平均直徑 單位是KN/m2 所以，計(jì)算豎向管道變形量的公式可以直接用環(huán)剛度數(shù)值表示為 dpvkqksvdldESDqFKDw061. 081,max, 四、四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算 其中Sp 就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)剛度。 3rIEpp 管材參數(shù)管材參數(shù)38DIEpp（D=2 ro，=8Sp ） 因此，只要知道環(huán)剛度Sp 的數(shù)值，不需要知道彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計(jì)算半徑ro的確切數(shù)值就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。而環(huán)剛度Sp

17、的數(shù)值可以通過對(duì)管材的實(shí)際測(cè)量來(lái)獲得。 通過對(duì)管材的實(shí)際測(cè)量來(lái)獲得環(huán)剛度Sp 的方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9969:1994。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003 “熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測(cè)定”等同采用了ISO 9969:1994。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003測(cè)定環(huán)剛度的方法比較簡(jiǎn)單：按要求的方法在兩個(gè)平行的平板間壓縮一段管材，測(cè)量在管直徑方向變形達(dá)到3%時(shí)的作用力F，就可以按照以下公式計(jì)算出管材的環(huán)剛度： LYFdYS/025. 00186. 0其中，F(xiàn) 相對(duì)于管材3%變形時(shí)的力值（kN）L 試樣長(zhǎng)度（m）Y 變形量（m） d內(nèi)徑（m） 四、四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算 4.3

18、 環(huán)剛度的選擇方法環(huán)剛度的選擇方法 環(huán)剛度是HDPE管抗外壓負(fù)載能力的綜合參數(shù)，顯然，為了保證HDPE管在外壓負(fù)載下安全工作，環(huán)剛度的選擇是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之一。如果管材的環(huán)剛度太小，管材可能發(fā)生過大變形或出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)破壞。反之，如果環(huán)剛度選擇得太高，必然采用過大的截面慣性矩，將造成用材料太多，成本過高。 環(huán)剛度的選擇不僅取決于外壓負(fù)載的情況還取決于鋪設(shè)后管道周圍土壤（回填材料）的情況（變形量公式中的數(shù)值Ed管側(cè)土綜合彈性模量（kN/m2），Ed又取決于回填材料的種類、壓實(shí)程度、槽側(cè)原狀土情況等）。環(huán)剛度的選擇是先初步選擇，然后進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行管道變形驗(yàn)算、強(qiáng)度計(jì)算、壓屈失穩(wěn)計(jì)算等。如果計(jì)算結(jié)果不滿足要求就增大環(huán)剛度重新計(jì)算（或者減少后重新計(jì)算）。 五、施工五、施工 5.1 存儲(chǔ)存儲(chǔ) 5.2 連接連接 長(zhǎng)期存儲(chǔ)在直接陽(yáng)光下和（或）高溫下能造成影響鋪設(shè)的過分損傷。 為避免這種危險(xiǎn)推薦如下： 遮擋管材堆，不讓受直接和連續(xù)的陽(yáng)光，布置得讓管材周圍的空氣能夠自由流動(dòng)。 管件存儲(chǔ)在盒和箱內(nèi)，盒箱要做得容許空氣自由流通。 保護(hù)彈性密封圈不受直接陽(yáng)光。 連接應(yīng)該總是按照制造者的指示進(jìn)行。如果沒有這種指示，推薦如下： 當(dāng)密封圈放置在承口內(nèi)時(shí)，插口端應(yīng)該倒角或去毛口。 應(yīng)該只用管材或管件制造者提供的密封圈和潤(rùn)滑劑。 在現(xiàn)場(chǎng)切割管材時(shí)，切割應(yīng)該垂直并位于適當(dāng)?shù)那懈顓^(qū)內(nèi)。