PE管在市政给水工程中的应用

冷震
济宁供水集团总公司

　　摘要： 分析了PE管的特性、水力计算公式和施工技术，通过两个工程实例验证了其在一些特殊地段使用时的独特优势，并提出了相应建议。
　　关键词： PE管； 特性； 工程实例； 断裂伸长率

　　给水用PE管（聚乙烯管）自20世纪50年代开始投入使用以来，得到了广泛应用，材料性能也不断改进。70年代后期至80年代末期，先后出现了PE80、PE100等材料，材料性能有了很大提高。我国自90年代以来尤其是近几年，随着外资和先进技术的引进，PE管的生产日趋成熟，2000年5月1日颁布了国家标准《给水用聚乙烯管（PE）管材》（GB/T13663-2000），这为PE管的普及推广奠定了良好的基础。目前在给水工程中，PE管凭其自身独特的优势，越来越受到用户们的青睐。

1 PE管的特性

　　给水常用PE管一般分PE63、PE80、PE100三个等级，是根据其原料树脂对应的长期静液压强度MRS划分的：PE63为6.3MPa，PE80为8.0MPa，PE100为10.0MPa。PE63管材不宜用于埋地管道，因此城镇给水管道一般选用PE80、PE100管材。管材重量为950～960kg/m³，管径规格20～1000mm，直管标准长度一般为12m，小口径管材（63mm以下）一般以盘管来供应。
　　与其它管材相比，PE管具有如下特性：
1.1 连接可靠、不泄漏
　　PE管道主要采用热熔连接或电熔连接，保证接口与管体本身的同一性，实现了接头与管材的一体化，试验证实，其接口的抗拉强度及抗爆破强度均高于管材本体，可有效地抵抗内压力产生的环向应力及轴向的拉伸应力。这就降低了PE管的正常运行、维护和管理费。
1.2 内壁光滑，管道水力条件好，水头损失小
　　PE管内壁绝对粗糙度K＝0.01，而新的钢管、球墨铸铁管K＝0.06，金属管道的摩阻系数显然高于PE管，并且会随着时间的推移而逐渐增加，而PE管的K值变化很小。PE管这种光滑的表面和非黏附特性降低了管路的压力损失和输水能耗。
1.3 柔韧性好
　　断裂伸长率350％以上，可随地形变化，对基础要求较低，增加了对管道基础不均匀沉降的适应能力，并可节省大量的弯头等配件。这种特性增加了它的使用场合和施工方法，除了采用传统的开槽施工外，还可以采用非开挖技术，如顶管、定向钻孔、衬管、裂管等方式进行施工，这对于一些不允许开挖的地段是一个很好的选择。
1.4 重量轻，运输、安装方便
　　PE管比混凝土管道、铸铁管、钢管轻，其施工不需大型吊装设备，减轻了施工人员的劳动强度。因此PE管一般在沟外焊接成长长的一段后一次放入沟内，故可适当减小管沟的宽度，降低土方工程费用。
1.5 卫生性能良好
　　PE管加工时不添加重金属稳定剂，材质无毒性，长时间运行后，不结垢，不滋生藻类和细菌，较好地解决了城市饮用水二次污染的问题。化学稳定性好，抗各种酸、碱的腐蚀。
1.6 抗应力开裂性能好
　　PE管具有较低的缺口敏感性、高的剪切强度和优异的抗痕能力，而且耐环境应力开裂，耐老化性好。
1.7 价格适中
　　单从管材价格看，DN400以下PE管低于钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管，与钢套筒混凝土管相当，DN400以上大口径由于挤压成形的难度较大，生产成本相对较高，价格高于钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、钢套筒混凝土管。但由于PE管质轻，大大降低了安装和土方费用，从综合造价看，DN400以下PE管低于钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、钢套筒混凝土管，管径越小，越明显；DN400以上PE管低于或接近于钢管、球墨铸铁管，稍低于玻璃钢管、钢套筒混凝土管。

2 水力计算

2.1 沿程水头损失
　　PE管沿程水头损失可按海曾－威廉（A.Hazen，G.S.Willams）公式计算：

　　h=(10.67Q^1.852l/C^1.852D^4.87)　　　　　　　　　　（1）

　　式中：l ——管段长度，m；
　　　　　D——管道计算内径，m；
　　　　　Q——流量，m³/s；
　　　　　C ——谢才系数。

　　PE管谢才系数C取150，则（1）变为：

　　h=9.95×10^-4(Q^1.852l/D^4.87)　　　　　　　　　　（2）

2.2局部水头损失
　　为简化计算，局部水头损失可按管道沿程水头损失百分比计算：
2.2.1 政管道按8～15％，长距离输水管线时取低限值；
2.2.2住宅小区、生产区管网按10～20％，根据规模、地形等因素确定百分比的大小。

3 管道施工

3.1 管道连接
　　管道连接技术的优劣，直接关系到管道系统的运行效果和使用寿命。PE管有热熔连接、电熔连接和钢塑连接三种连接方式。
3.1.1 热熔连接
　　热熔连接是采用热熔焊机将两根待连接管道的端面进行加热，使其熔化，然后迅速将其贴合，保持一定的压力，经冷却后达到熔接的目的。该方法经济，连接费用低，安全可靠，由于接口处壁厚增加，其接口在承压和承拉时均比管材本身强度高。各种管径的PE管均可采用这种连接方式，但焊接设备费用高。
3.1.2 电熔连接
　　电熔连接是通过对预埋在电熔管材内的电热丝通电使其加热，从而使其内外表面分别被熔化连接，冷却后达到焊接的目的。该方法连接方便、迅速、接头质量好，外界干扰小。但这种连接方式造价高，因管材内必需预置地热丝，一般用于口径较小的管道上（直径小于或等于63㎜的管材）。
3.1.3 钢塑连接
　　PE管道在和其它管材或阀门等附件连接时，采用钢塑过渡接头或钢塑法兰连接。对于小口径的管道（直径小于或等于63㎜），一般采用一体式钢塑过渡接头，对于大口径的管道（直径大于63㎜），一般采用钢塑法兰连接。
3.2 管道敷设
　　敷设时应充分利用其良好挠性，在地面上连接，然后用软带吊具直接放入沟槽内。由于PE管材料本身的线膨胀系数较大，受地温的影响管材长度会发生较大变化，因此d_n110以下的埋地管道宜蜿蜒状敷设，以抵消热胀冷缩的影响，但d_n110以上的管道有充分的土壤阻力抵消温度变化应力，可直接敷设，无需预留管长。利用管材柔性自然弯曲改变走向时，其弯曲半径不应小于25倍的管材外径。穿越铁路、公路、河流、城市主要道路的管道，穿越施工前应对连接好的管道进行强度试验和严密性试验。管道在现场拖动时，尤其是非开挖定向钻孔施工时，一定要保证最大拖曳力（牵引力）不得大于（3）式计算出的F值，否则应考虑减少管道拖动长度（即焊接长度），或加大管材强度：

　　F=(14πd_n²)/(3×SDR)（3）

　　式中：F——最大拖曳力，N；
　　 d_n—— 管道公称外径，m；
　　　　　SDR——标准尺寸比，即管材公称外径与壁厚的比值。

　　SDR反映了管材的强度，管材外径一定的情况下，管壁越厚，SDR值越小，强度越大。
3.3 沟槽开挖与回填
　　由于管道在地面上连接，可减小管沟底部的开挖宽度，d_n315（包括d_n315）以下的管道槽底最小宽度可按d_n＋400mm开挖，d_n315以上的管道槽底最小宽度可按d_n＋500mm开挖。沟槽深度应按设计标高开挖，管道基础不用垫砂，原土层即可，但沟底如遇有块石等坚硬物体时，应挖至设计标高以下150～200mm，然后铺上砂或细状原土，整平夯实。
　　管道安装完成后，经隐蔽工程验收，应及时分层夯实回填。回填一般用挖出的原土，管道外侧及管顶以上0.5m内的回填土不得含有碎石、砖块等硬物，此段必须人工回填，管顶0.5m以上的回填土可采用机械回填。回填密实度不应小于90％。管道试压合格后的大面积回填，应在管道内充满水的情况下进行，管道敷设后不宜长时间处于空管状态。
3.4 施工中的注意事项
3.4.1 PE管相对于金属管道刚性低，在运输、安装过程中注意文明施工，避免材料损伤。
3.4.2 由于PE管耐候性差，尤其是未加炭黑等紫外线吸收剂的管材，在阳光的直接照射下容易老化。因此应在施工时尽量避免高温下施工，如果无法避免，应在管道安装试压后立即回填。
3.4.3　PE管的密度小于水的密度，当沟槽积水时极易发生浮管问题，因此在雨季或地下水位以下施工时，应做好沟槽的排水工作。
3.4.4 热熔对接时焊接面要平行，管材切割要平整，圆度不够或壁厚不均匀时，焊接的管道不在同一轴线上的焊口在管道运行时容易泄漏。因此，焊接前要仔细检查管材，除圆度和壁厚，还要检查管材内不应有断丝或烧丝不均现象。
3.4.5 所有的PE焊接接头，均应自然冷却。冷却期间，不允许移动管接头，移走夹具，不应对管接头施加任何外力。
3.4.6 在定向钻孔牵引管道（牵引非开挖施工）前一定要根据（3）式计算牵引管道的最大牵引力是否小于PE管相应标准尺寸比对应的最大拖曳力F，如果大于最大拖曳力，则应采用强度更高的PE管或变换牵引位置等措施，否则即使管道牵引过去，但管道的结构已受损，强度降低，埋下了事故隐患。

4 应用工程实例

　　正是由于PE管的良好特性，使其在供水工程中应用越来越广泛。尤其在一些特殊地段、特殊场合使用了PE管，收到了非常理想的效果。
4.1 山东里彦电厂输水管线工程
　　山东里彦电厂输水管线工程是山东里能集团里彦电厂二期续建补水工程，北起王因水源地，南至济邹公路，管线绝大部分在农田，中间穿越几个村庄，全长15161米，管径DN600，其中从王因水源地到雪花集团4727米，管材采用球墨铸铁管，从雪花集团到济邹公路10434米，管材采用PE100管，压力等级0.60MPa。工程2002年施工，从综合造价上说，PE管要比球墨铸铁管高，之所以采用两种管材，未全部采用球墨铸铁管，是因为从雪花集团到济邹公路这一地段全属挖煤区，将来有局部地表塌陷的可能，根据地矿部门提供的资料，最大塌陷可达2米。这一地段设计时考虑了两种方案：方案一是采用焊接钢管，每隔50米安装一个波纹补偿器（或金属波形软管），法兰连接，但是波纹补偿器造价高，每个7000元左右，管道、管件焊接工作量大，安装工作量大，劳动强度高，工期长，并且钢管不耐腐蚀。方案二是采用PE管。PE管属于柔性管道，可挠性好，对基础适应能力强，断裂伸长率350％以上，管基发生不均匀沉降和错位时也不易损坏，这在云南保山地震、大姚地震、日本神户地震及西北湿陷性黄土地区已经得到了验证，适合煤区塌陷区；并且内壁光滑，水头损失小，降低了水源地水泵扬程，节省了动力费用。此段管材最终选用PE管。2003年5月工程竣工后，管线运行较好，无事故发生。
4.2 济宁九九大道过洸府河管道工程
　　工程位于济宁市九九大道洸府河凯赛大桥北6米，大桥两边的管道两年前已铺设完成，均为DN600球墨铸铁管，但在洸府河处一直未贯通。由于规划部门不同意采用管桥高架管道，只能地下穿河敷设，工程选用了定向钻孔非开挖法，其效率高，工期短，造价低，能精确地控制管道的方向、埋深。首先采用水平定向钻机在二滩处开始钻孔，通过河床底部，到达对岸的二滩，然后采用切割刀进行预扩孔，接着将准备好的管道回拖牵引，即完成，牵引轨迹呈圆弧形。由于牵引的弧度比较大，河底管道最深处距二滩管道高差6米，要求管材具有较好的柔韧性，通过各种管材的性能比较，只有PE管比较适合，故管材选用了PE100管，压力等级1.0MPa。在地面将其热熔焊接成长长的管段后，一次入坑牵引，管线全长360米，牵引部分长180米，从施工和后来运行的效果看，都很理想。

5 建议

5.1 严格控制管材进货质量
　　目前生产PE管的厂家很多，市场不规范，质量良莠不齐，价格差别也较大。很多业主招标时有过这样的经历，同一规格的管材，有时厂家报价差距很大，甚至有的低的离谱，这样的厂家生产的管材质量很难保证，因此价格和质量应一并考虑。根据笔者了解，有一些厂家规模很小，中标后无力生产，只能买其它的厂家管材，再转手卖给业主。因此招标前，业主、设计等部门最好能对投标厂家进行实地考察，了解厂家的规模、实力，而不要只相信厂家提供的宣传材料，只有这样，才能既控制了价格，又保证了管材质量。
5.2 敷设警示带
　　为避免在日后运行中，不受到人为的意外破坏（道路或其它工程施工开挖时不慎破坏），应在管道的上方设立一条警示带，警示带宜为黄色，其上写有醒目的提示字样，铺设在管道上方0.5米处，宽度200㎜左右。警示带可为布质，涂刷（或浸泡）树脂或采用化学方法处理，能抗击土壤中化学物质的腐蚀。
5.3 敷设金属跟踪线
　　由于PE管是绝缘体，不能象金属管道一样进行地下管线的探测，为方便日后维护管理工作，在PE管铺设时，宜随着管道走向埋设金属跟踪线，以便将来方便寻找管道。目前金属跟踪线一般采用电线等包覆金属丝，可以与警示带一起敷设，也可单独敷设。

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