输水管线柔性接口的发展及性能评论

沈之基
上海市原水股份有限公司200085

　　摘要：柔性接口在输水管线中的地位经过曲折道路，得到了肯定；各种柔性接口的特点、性能水平是有所不同的；综合技术、经济各方面因素，以球铁管用的T型接口为最好；钢管是柔性接口发展的新空间。
　　关键词：输水管线，输水管道，柔性接口，滑入式接口

1．前言

　　新颁国家行业标准CJJ92-2002“城市供水管网漏损控制及评定标准”，其中4.2.4条款规定：新敷管道的接口应采用橡胶圈密封的柔性接口；国家标准GB50332-2002“给水排水工程管道结构设计规范”，其中5.0.1条款规定：对圆形管道的接口宜采用柔性连接。在条文说明中，又作了进一步的说明：给水排水工程中，各种材质的圆形管道广泛应用，这些管道可能出现的不均匀沉陷不可避免。┅┅这些圆形管道接口，宜采用柔性连接，以适应各种不同因素产生的不均匀沉陷，并至少应该在地基土质变化处设计置柔口。以上事实表明，在我国，柔性接口在输水管线中的地位经过曲折道路，终于得到认可，并以最高的形式，即法规固定下来了。这是我国水工业工作者近20年努力工作的成果。
　　柔性接口数十年的发展，目前已有种种形式，性能各有特点，水平有所高低，因此，在认可了柔性接口的必要后，还有必要进一步理解各种柔性接口特点，才可能贯彻好上面条款的精神。笔者长期从事供水管线技术工作，对种种柔性接口形成了一定的看法，在此抛出，愿与同行交流，以推进供水事业发展。

2．我国接口技术发展中的曲折

　　1785年，英国工程师发明了青铅麻丝接口，使铸铁管线能够承受较高内压运行，从此用户在自己家中打开龙头就可取得饮用水，揭开了现代给水的序幕。现代给水事业的发展进程中，美国工程师经过以胶圈代麻丝、沥青代青铅的过程，到20世纪50年代，终于完善了胶圈接口，开发了“tyton”接口，现通常称T型接口，一种构造简单，性能优良的滑入式接口，现今这种接口已在世界范围内成为输水管线接口的主流。前苏联，在该时期则按自己所具的特定条件发展了石棉水泥接口，被归为半柔性接口。
　　上世纪5 0年代，我国大力学习苏联先进经验；由于受历史条件的制约，又没有能充分认识我国地质条件之多变，对石棉水泥接口的刚性表现过于热情，忽视了接口柔性之释放应力的重要作用，简单地仅仅依石棉水泥接口较青铅麻丝接口能承受更高外载而不漏水为主要指标来评定接口优劣，并由此走下去，以至发展到采用刚性特强的膨胀水泥接口。在相当时期内，石棉水泥接口和膨胀水泥接口成为铸铁管线接口的唯一选择，大量应用，这种做法事实上成为我国各城市供水系统中铸铁管到处爆裂的主要原因之一，但水泥接口的这个坏作用又却好被强度低、质地又极脆、极易爆裂的连续浇注铸铁管的表现所掩盖。
　　上世纪80年代，上海DN1500铸铁输水管线多次爆裂，一次爆裂受害户达几千户，后果严重。86年上海市政府责成上海市自来水公司立项专题研究，于是“铸铁管爆裂原因及对策研究”作为市重大科研项目展开，终于揭开了铸铁管大量爆裂的又一个主要原因是：石棉水泥接口、膨胀水泥接口的应用。水泥接口刚性极大，将连接的两根管子牢固地结合成一体，不能释放不均匀沉降引起的弯曲应力、温度变化引起的拉伸应力;膨胀水泥接口因用了胶圈，所以即使水泥填料在承插口间隙内有所滑动，也不会有漏水先兆，一出问题就是爆裂^（1）。
　　重新认识柔性接口得以开始，接口所承担的任务，不仅是通常所说的：完成管节之间的连接并确保水密。应注意的是接口还有一个重大任务，就是释放埋设管线在运行中所遇到的种种设计中未预见的、难以计算的外来荷载所引起的应力，如沉降、位移、温度变化等等因素引起的应力。大量爆管实例的跟踪和分析表明，绝大部分的爆管是非正常荷载作用、在管线局部构成特定受力模式而造成的，如是柔性接口，受力模式将会改变、荷载作用有所释放，爆裂发生条件就大大缓和，爆裂就不一定发生。在众多水工业工作者的努力下，2002年，终于有了上面提及的法规。

3．柔性接口的共性与个性

3.1 胶圈柔性接口的共性

　　胶圈柔性接口一般都为承插口方式，在承插口的环形间隙中压缩一个胶圈，由受压胶圈的反弹力完成接口的密封。这种连接，允许承口管和插口管在连接处可以有轴向的相对移动，可以有以接口为支点的转动，所以，它可以释放因热胀冷缩引起的轴向力，因不均匀沉降引起的弯曲应力，使埋设管线具有优秀的强度特性和水密特性。
3.2　 胶圈接口的个性
　　虽然都是胶圈柔性接口，但性能是有很大差别的。特别是在适应不均匀沉降的能力这一点上。各个管材标准都列出了接口的允许转动角，但要注意的是即使列出允许转动角相同，实际上能力可以是不同的。因各个设计采用的富裕度是不同的，有的设计其转动角的允许值仅仅取用实际极限能力一半甚至更少，有很高的安全保证；但也有转动角允许值很接近极限能力的设计；有的设计甚至只有在标准边界条件时才能工作，一些不利条件出现时就会失效。
　　各种胶圈反弹密封机制的柔性接口在口径较小时均表现出优越的性能，但随着口径的增大, 对于不均匀沉降的适应能力就不同，这是管线设计工程师必须注意的。

4. 胶圈接口的分类及特点

　　目前，胶圈接口大致可分为以下几种：
　　1) 机械式压紧接口(图1)
　　这种接口上世纪30年代率先在煤气管线上得到应用，现供水事业中，在球铁管上有一定应用。通常称K型接口。

　　由承口、插口、压盖（压兰圈）三者构成一个环形填料函，胶圈置于其中；其承插口间隙不能自行产生胶圈压缩反弹，是靠螺栓收紧才达到胶圈压缩反弹的,这是与其他胶圈柔性接口的一个重大的不同点；它需要压盖和许多的螺栓,用材料多，造价较高；安装操作虽较简便但紧固螺栓的工作量很大且有一定的技术要求；
　　口径大时，管重、水重、复土重三者相当大，胶圈单位面积受力非常大，大口径时可以是小口径的几十倍；又一方面，水重加复土重两者较管重大得多，管线运行时的状态同安装时有较大的差别；因此，这种接口的大口径管线，通水运行时, 这些有方向性的荷载有可能会形成胶圈局部压缩增大，这时相应也会有部分胶圈松弛、其结果是在胶圈松弛部，内水压将胶圈外推，接口漏水，这已有工程实践证实^（2）。目前，国内球铁管开发商对DN1600～2800范围的产品，均采用这种形式接口，这可能是受技术上的制约。个人认为，应投入开发更有效率的接口，将能取得更好的效益。
　　2) 滚入式接口（图2）
　　主要在混凝土压力管上应用。插口端放上胶圈，承口有一斜面，形成喇叭口。安装时当插口向承口推入，胶圈由喇叭口导入承插口间隙，受压缩并在内滚动，由插口处的止台挡着定位。因承插口间隙较胶圈直径小，由受压缩胶圈自行反弹提供水密。由于内水压将胶圈向承口外侧推，胶圈靠近承口外端部,口径大时，稍有沉降胶圈就易被挤出失效；图2是这种接口的示意图。由图可见，插口如向外走10～20毫米，止台就位移到喇叭口，胶圈就可能被挤出承口；对DN2000的4米长管节，一端下沉2～4厘米就会出现这样的位移。上海已建的DN1200混凝土压力管线发生漏水很多，其主要原因就是胶圈被挤出；随着对管线工程质量的重视，混凝土压力管的升级，其应用越来越少
^（3）近年，有开发商在钢管上开发了滚入式接口，认为滚入式接口胶圈压缩量大，对尺寸公差及管道用借转角时造成承插口间隙不均有利，若 按GB50332精神，这种说法显然是不妥当的，有不均匀沉降就会造成借转角，出现借转角时主要问题是插口外移而不是承插口间隙不均，是胶圈走到喇叭口而被挤出，口径越大，这个问题越严重。
　　3) 插口槽滑入式接口

　　　

　　图3 所示接口主要在PCCP管应用，近年，PCCP在我国，因引黄工程应用的示范效应，一下子就形成了几十家生产厂；图4所示接口在钢管上应用，是美国输水钢管柔口的代表作，在我国尚未有生产应用。这种接口暂且称它为O型接口。胶圈置于插口上的深槽内，承口呈喇叭口，安装较方便；安装时胶圈随深槽进入承口深处，胶圈向外可位移距离加大，适应不均匀沉降的能力较滚入式接口有很大的提高；接口环用钢材制作，尺寸精度高，用断面较小的胶圈就可达到设计所要求的必要压缩量；但因承口向外张开，在不均匀沉降与较高内压力作用下，胶圈也存在被挤出可能,这在我公司的PCCP管线上已有发生。因此，按标准的施工规程，这种接口要求在连接到位后，在连接处灌砂浆，保护接口钢环和避免胶圈被挤出，所以，有报告将这种接口归为半柔性接口^（4）。
　　据行业内有关人员说，最近我国PCCP管标准修改时将考虑接口钢环加长，使承插口深度放大，以提高接口转角能力，适应较大的不均匀沉降。个人认为，这是一种积极进取的行为，是适合我国输水管线建设特点的做法，将有助于用户下决心应用。
　　4)承口滑入式接口（图5 ）
　　这是近年在球铁管上迅速发展并采用的接口。通常将这种接口称T型接口，现美国球铁管销售中95％以上是这种接口的球铁管。DN300以下早在20世纪50年代就有应用，但口径大时有技术难度，从DN300发展到DN2000，化了二十余年时间才完成；这种接口，胶圈预置于承口内，承口外端部同插口有很精密的配合，所以接口发生转动或轴向位移时，胶圈不可能被挤出承口，且内压有使胶圈压缩量增大倾向；承插口间隙设计成在各种不利条件迭加下仍能保证胶圈处于受压反弹状态，因此对不均匀沉降和高内压有极好的适应能力；这种接口只要安装合格，运行中难以找到使接口失效的理由，所以至今未见用这种接口的管线在运行时发生接口漏水的报道。
　　这种接口对尺寸公差有较高要求，球铁管插口的尺寸精度受浇注工艺制约，要达钢材辗轧、挤压加工那样的精度是有一定难度的，甚至可说，是不可行的。目前，规模世界第二、中国第一的球铁管公司，这种接口的产品最大口径做到DN1400,更大口径的产品还是用机械式压紧接口，这里可能存在着二方面的问题，一是口径大时T型接口要求的尺寸精度较K型接口高，技术上确有困难；二是对K型、T型这两种接口认识上有不清皙点。

　　T型接口虽然很优秀，难以找出它的不足之处，但笔者已感觉到开发者当时所承受的巨大压力，因这在当时是没有先例的技术，在某些方面给以一些保守做法是很正常的。今天看来，若尊重历史，承认当时含有保守因素是自然的话，那这种接口还是存在继续向前的空间的。
　　综合以上所说，按我的积累和取得的信息，对输水管线接口优劣的排列顺序是T型、O型、K型，滚入式接口应马上升级。

5．柔性接口发展的新空间

　　球铁管（DIP）、聚氯乙烯管（PVC管）、玻璃钢管（GRP）、钢管（SP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）等管材是我国城市输水管线中得到重视和应用的管材；其中球铁管、玻璃钢管、PVC管、PCCP均已发展到以柔性接口为自己的代表性接口的成品管阶段；柔性接口使埋设管线具有优秀的强度特性和水密特性，成为这些管材得到应用并取得长足发展的重要技术支持；目前唯有钢管，其代表性连接方法采用的是现场沟槽中对接焊接。
　　钢管采用沟槽中对接焊接是有其历史原因和技术原因的；对接焊是钢管的一种很有效的连接方法，在输水钢管线的建设中曾有很好的应用；但随着输水管线的发展，口径越来越大，距离越来越长，管线所经过的场地地质条件也就越来越复杂，这些发展给输水钢管送来巨大的发展空间的同时,也带来的一项很厉害的负面效应,就是使沟槽对接焊接的难度大大增加，以至于陷入了不合格焊缝难以避免的困境；另一方面是近二十年来对柔性接口在埋设管线中所起的重要作用有了认识，对柔性接口的设计、制作技术有了积累，为在钢管上开发柔性接口提供了必要的技术支持；输水钢管钢管线需要柔性接口、可以取得柔性接口的时机形成。钢管已成为柔性接口发展的新空间，也是柔性接口尚未被开发的最大空间。
　　新世纪中，我国已成为世界第一的钢铁生产、应用大国，以商品钢板为主要原材料的钢管，必将取得钢铁规模生产给以的好处，强大的钢铁工业必定要推动钢管发展；当钢管采用柔性接口，进入成品管阶段，将取得性能提高、价格更低、容易得到、容易施工等等竞争力，它在输水管材中的地位将会重现排定。

参考文献：

　　（1）冯竟瑜 “上海市给水管网中铸铁管爆裂原因及对策研究”综合报告　 上海市自来水公司1987
　　（2）篮世昌　 DN2600球墨铸铁管输水工程简介。城镇供水，1997.No6:13～18
　　（3）陈涌城 长距离输水工程设计总结　 全国长距离输水技术研讨会论文　 1996.11长沙
　　（4）何维华 于预应力钢筒砼管(PCCP)的推广应用。城镇供水协会管道漏损控制研讨会。2001.10昆明

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作者：沈之基，男，生于1941年，高级工程师，长期从事管道技术工作，曾主持过管线内外防腐、阴极保护、管线强度特性等方面的课题研究，多次获市、局科技成果奖；近年，致力于成品钢管理念、技术的推进。

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