大直徑鋼管承插式連接在輸水管道中的應用

夏連寧

（西北鋼管公司（上海），上海 201204）

大直徑鋼管承插式連接在輸水管道中的應用

夏連寧

（西北鋼管公司（上海），上海 201204）

結合北美成熟使用近60年的承插式柔性接口和美國水行業協會（AWWA）標準對鋼管承插式接口的要求，詳細介紹了承插式接口連接的標準和規范、管端承口和插口的設計和加工制作方法，以及制造和安裝時應注意的問題。指出：采用膠圈密封時，承插連接的鋼管選用螺旋埋弧焊管；在非開挖工程中采用帕姆洛克（Permalok）承插式鋼管連接，該承插式快速絲扣剛性連接鋼管不需要現場焊接，鋼管選用直縫焊管。

焊管；輸水鋼管； 承插式接口； 柔性連接

承插式柔性連接已在大直徑輸水管道連接中得到了廣泛的應用，鑄鐵管的承插連接種類較多，使用也較為普遍。承插連接被視為鑄鐵管的技術優勢而被廣泛推薦使用。水泥管（PCCP管）的連接形式為卡內基連接，承插口分別焊接在鋼桶上，這是PCCP管唯一的一種連接方式。玻璃鋼管的連接也是膠圈密封，承插連接方式基本相同。而輸水鋼管在我國基本上是對接焊或者法蘭連接。承插連接的鋼管在國外已被廣泛使用超過60年。

1 輸水鋼管承插式連接的歷史

20世紀30年代，北美就開始在市政管道連接中使用膠圈密封， 40年代，卡內基接口開始廣泛應用在PCCP管道連接中[1]。20世紀50年代，許多美國東部的鋼管廠，如美鋼聯和伯利恒管廠等開始用冷成型的方法加工各種承插式接口用于管道的連接。早期的承插式連接是冷擴徑承口，插口放置膠圈處用焊接鋼條止擋來固定膠圈。美國西北鋼管公司于1963年生產出了輥壓冷成型的軋槽式插口。鋼管承插式連接在北美輸水管道中已成功使用超過半個世紀。

上海某條直徑1 066.8 mm（42 in）的輸水管也采用承插式連接，用青鉛填料密封，已運行70多年未發生爆裂事故[2]。但在該條輸水管建成后的幾十年里，輸水管道再也沒有采用這種連接方式，而是采用對接焊進行管道連接。21世紀初，國內開始采用擴脹成型承插式鋼管柔性接口（與筆者介紹的接口不同，但原理相似），先后應用于廣州大觀路、廣西貴港市和廣東新會市等DN1200～DN1 600 mm給排水工程。2005年初，上海長江引水三期DN2 400 mm也試鋪設了900 m承插式輸水鋼管。

近年來，我國西北的一家鋼管廠也生產了這種承插式浸塑鋼管，已用于24km的DN1 600 mm和17.5 km的DN1 400 mm的供水管道。目前，國內采用承插連接的輸水鋼管還是小范圍的試驗和完善階段，沒有相應的設計規范和標準配套。需要注意的是，采用承插式柔性接口的管道設計需考慮在每個直線推力點上增加相應的止推和錨固的限制手段。

2 鋼管承插式連接的標準和規范

鋼管管道連接方式主要包括膠圈密封的承插式連接、非柔性的現場焊接及法蘭、接箍和膨脹節連接[3]。由于連接處被認為是管道的薄弱環節，對工程技術人員來說，清楚地了解所選用管道的連接方式、設計的實用性和生產加工中的質量控制顯得尤為重要，更要考慮該連接方式長期使用的效果。承插連接是最普遍選用的柔性接口方式，它不僅用于鋼管，也用于其他材質的管道，如水泥管、鑄鐵管和PVC管等。美國水行業協會（AWWA）供水實用手冊M11（輸水鋼管：設計與安裝指導）[4]允許使用兩種承插式連接—軋槽式（rolled groove）和卡內基式（carnegie）連接。 它們被廣泛用于直徑1 981.2 mm（78 in），工作壓力1.72 MPa（250 psi）， 瞬時壓力 2.59 MPa（375 psi）的輸水管道。超過這個直徑和壓力上限的情況也曾經使用過。如果鋼管壁厚過大，難以用冷加工變形（如厚度9.5 mm（0.375 in）以上），一般會考慮采用卡內基連接方式，其承插件需要在工廠焊接。卡內基連接適用于直徑304.8～2 133.6 mm（12～84 in）、 壁厚 16 mm（0.625 in）的鋼管。

鋼管廣泛用于北美的輸水管道，尤其是大直徑輸水管道，這與我國在輸水管道上的選材有很大的不同。我國鋼質管道幾乎是采用現場環焊進行對接，大大地限制了鋼管在管道工程中的使用。而且我國至今還沒有可用的鋼管膠圈密封承插式連接的標準和行業規范。

AWWA C200標準在 4.13.6（管端制備）節中說明，膠圈密封的卡內基承插件和軋槽孔型由鋼管制造方設計，標準中的性能規范要求：①膠圈緊固在環形槽里，當鋼管移動或打水壓時不會露出；②連接處是水密封的重要環節，經壓縮密封圈達到密封效果；③在任何工作狀態下，連接處必須保證水密封。

膠圈的材質和力學性能包括抗拉強度、斷裂延伸率、密度、壓縮形變、老化抗拉強度和硬度[5-6]。膠圈尺寸并沒有在標準中注明，而是交由鋼管制造廠確定。

標準中允許承口和插口在鋼管本體管端成形，也可單獨由板帶或異型材加工制作，然后焊接到管端上。AWWA M11設計指導中列出了各種承插式連接形式，圖1所示的是常用的3種鋼管承插連接形式，圖1（a）為軋槽式連接，鋼管本體一端輥壓冷變形成插口，另一端擴徑成承口；圖1（b）和圖1（c）屬于卡內基連接方式，承插口與管體并非一體，而是將成形好的承插件在工廠焊接在管端，組成承插接口。3種形式均能滿足規范對水密性的要求[2]。

圖1 承插式連接形式

3 管端承口和插口的加工制作

3.1 管端成型和焊接

鋼管承口的加工在水壓試驗時同時完成，將鋼管推到擴口模具上使管端變形成喇叭口，如圖2所示。擴口模具置于水壓機移動端，移動端推動擴口模具進入被打水壓的鋼管一端，水壓結束，移動端退回，冷成型后的承口與模具脫離。使用模具成型可以得到精確的形狀與尺寸，有助于在承插結合面上的膠圈被壓縮。采用液壓脹管時就達不到模具成型的一致性。分離的需要焊接的卡內基承口一般采用液壓脹管成型，而軋槽的連接不使用液壓脹管進行承口變形。以直徑1 524 mm（60 in）鋼管為例，制作軋槽式承口時，變形段長約215 mm（8.5 in），在結合面處至少擴徑約25 mm（1 in），而且管端也會變長一點。值得注意的是，軋槽式接口的連接承插段比卡內基式的要長。

圖2 水壓機移動端上的擴口模具和水壓試驗時的管口變形

鋼管插口的溝槽加工是通過一對輥壓模具旋轉冷軋來完成的，如圖3所示。成型后溝槽兩側形成兩個肩，而且后肩略高于前肩，溝槽的相對角度使O型密封圈卡在環形溝槽里，在承插連接后被壓扁。溝槽的深度取決于承口直徑和鋼管外徑，也與鋼管壁厚有關。

圖3 軋槽式插口的溝槽加工和安裝

由于使用O型密封圈，水壓會使膠圈進一步壓縮，當管道壓力提高時，貼緊管體膠圈的密封性能也會提高。這并不是說水壓保證了膠圈密封，膠圈的變形阻力使得接口密封不漏水，在低壓下同樣保證良好的密封性能。

卡內基式插口取材為熱軋異型材，異型材可以委托熱軋窄帶鋼廠或熱軋異型材廠生產。插口帶材按照相對應的直徑剪切定尺，卷曲后焊接成圓環，打磨焊縫后在模具上脹圓，然后焊接到鋼管插口端，焊縫修磨后需探傷及端口尺寸檢查，如圖4所示。PCCP混凝土[7]管也使用卡內基式承插式接口。

圖4 工廠焊接打磨后的卡內基式承插口

3.2 承插口加工的質量控制

3.2.1 水壓試驗

軋槽式插口和承口在輥壓、擴口成型前需打磨承插段的螺旋焊縫，使其平整，便于輥壓和擴口成型。成型后的插口進行無損探傷，隨后送入水壓試驗機進行管端承口、擴口和水壓試驗，然后再進行管端無損探傷。承插式接口的水壓試驗裝置如圖5所示。

圖5 承插式接口的水壓試驗裝置

3.2.2 尺寸控制

軋槽式接口成熟的設計與制造使大直徑輸水鋼管柔性接口得到廣泛應用。其設計要點是控制好承口平臺與插口溝槽后肩之間的間隙。最好做一套工裝測試每一個輥壓后的插口。O型膠圈的尺寸按照以下原則計算確定：①拉伸的膠圈需填滿插口的溝槽；②膠圈直徑與溝槽直徑相匹配；③膠圈的大小應使其拉伸后緊密貼緊溝槽，保證在現場對接時，膠圈不至于受力后滾落到溝槽外面；④最重要的是膠圈在鋼管對接后應有足夠的壓縮（O型膠圈在圓周上應有30%的壓縮率），其次才是膠圈尺寸和密封問題。

批量加工鋼管承插口之前先成型5對鋼管端口，收集相關數據后再確定膠圈尺寸。經過5次試裝來調整間隙。在O型膠圈訂貨前，其尺寸需經這個測試確認。通過測試確定插口加工是否有異常，為剩余批次鋼管端口的加工積累數據。

軋槽式承插連接的鋼管可以承受垂直變形6%而不會漏水。由于輥壓形成的溝槽增加了此處的剛性。插口區域剛性提高有利于抵抗荷載和承口變形。

3.2.3 承插接口的測試

美國西北鋼管公司曾經在丹佛工廠于1981年、1982年和1984年對承插接口做過4次試驗，具體試驗數據見表1。

表1 軋槽式承插接口試驗數據

破壞性試驗報告表明，失效壓力值與鋼管屈服強度成正比關系，管體變形導致漏水。同時也證明，膠圈密封的軋槽式承插接口的承載能力是設計壓力的2～3倍。

3.2.4 允許偏轉角

軋槽式承插接口允許25 mm(1 in）伸縮偏移量； 卡內基式接口直徑 300～500 mm（12～21 in）允許偏移量為19 mm，直徑600 mm以上允許偏移量為25 mm（1 in），允許偏轉角為

從（1）式得出，鋼管直徑越大，其允許偏轉角越小。如直徑1 371.6 mm（54 in）鋼管的允許偏轉角約為1°。

3.2.5 承插接口的安裝要點

安放膠圈之前需確保溝槽清潔光滑，膠圈涂油后套緊在溝槽里。用鈍器（木棍或螺絲刀桿）繞在膠圈下面沿圓周轉兩圈，使膠圈張力均勻一致。鋼管連接前承插接觸面涂油，插口端平行對中承口，并插入到底。連接好后用塞尺沿膠圈圓周檢查是否有脫漏，如果發現需更換膠圈，重新對接。在取下鋼管吊繩前，在鋼管中部下方墊好支撐，然后進行接口內外的涂層修補保護[8]。

4 非開挖工程中使用的承插式鋼管

帕姆洛克（Permalok）承插式鋼管[9]可以用于微型隧道、頂管、夯管、旋挖和水平定向鉆進的非開挖工程。其特點是節省施工時間和費用，鋼管在地下和水下連接時可以不用現場焊接。在北美，有超過305 km的帕姆洛克承插式鋼管被安裝使用。

4.1 技術規范

帕姆洛克系統可以應用于套管和壓力管道。各種絲扣形狀對應于不同的用途。標準規范保證帕姆洛克生產的所有鋼管滿足嚴格的技術要求。帕姆洛克承插口類型如圖6所示。

用于套管的T5原型于1993年申請專利，已用于美國幾千個非開挖工程項目。

T7 型在 2002 年已用于 2 MPa（300 psi）的壓力管道，由于其可靠性和效率的提高，這種類型的鋼管成功應用于輸水管道工程。

HDD型連接可以用于水平定向鉆進工程，它不用現場焊接，使鋼管連接便捷。HDD型鋼管可以用于套管和輸送管道。

圖6 帕姆洛克承插口類型

帕姆洛克連接之所以受到非開挖行業的青睞，是因為其鋼管內外表面平齊 （直縫焊管ERW/JCO/RB），由于管端圓度和平直度較高，使鋼管接口質量進一步提高。獨特的機加工絲扣形狀使鋼管對中更加快捷。且帕姆洛克還使用硅膠密封，使管道在恒壓下不會漏水。

4.2 施工安裝

帕姆洛克鋼管咬合連接系統的特點是管端處經過精密加工，在現場由非開挖設備的頂進架或夯機完成連接。不需要現場焊接，能快速完成安裝過程。

安裝過程如下：①鋼管兩端（公和母）出廠前用蠟制的保護涂層防止機加表面在室外環境下生銹，該保護膜在鋼管連接前需用石油基質溶劑清除。②用硬毛刷或石油基質溶劑清理管端，并擦拭干凈。③使用硅膠密封前仔細閱讀說明。④涂抹硅膠于公母接口處，保證圓周涂抹連續均勻，并對準鋼管接口。⑤鋼管連接后，大部分硅膠被擠壓到管子內外，不用等到硅膠硬化就可以立即施工安裝。

4.3 帕姆洛克承插式絲扣鋼管在非開挖工程中的典型應用實例

帕姆洛克承插式絲扣鋼管在非開挖工程中的應用實例見表2。

表2 帕姆洛克承插式絲扣鋼管在非開挖工程中的典型應用實例

續表

5 結 語

由于近年來城市地下設施和管道的改造項目日益增多，要求工期盡量縮短，施工占地盡量減少，適應地質不均勻沉降。很多情況下，工程項目不得不選用承插式柔性連接來滿足這些苛刻的條件。承插式連接省掉了現場焊接，對接速度大大加快，開挖土方量大大減少，是一種省時省力的管道設計和施工的替代方法。在非開挖的穿越施工中，還可以使用帕姆洛克（Permalok）絲扣承插式鋼管連接，達到了同樣的目的。

［1］WILLIAM R W.Buried flexible steel pipe:design and structural analysis[DB/OL].http://dlx.bookzz.org/genesis/1160000/87ad6516ff489fde3d6878c2abfdd2ce/_as/[William_R._Whidden,_P.E.]_Buried_Flexible_Steel_P(Book-ZZ.org).pdf.

［2］沈之基.我國輸水鋼管連接技術和美國柔性接口[J].上海水務， 2006， 22（4）： 29-32.

［3］AWWAC200—2012， Steel Water Pipe， 6in(150mm)and Larger[S].

［4］AWWA(American Water Works Association).AWWA M11 Steel Pipe-A Guide for Design and Installation[M].USA：[s.n.]，2004.

［5］ASTMD395， Standard Test Methods for Rubber Property-Compression Set[S].

［6］ASTM D412， Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Rubbers and Thermoplastic Elastomers-tension[S].

［7］AWWAC301—2007， Prestressed Concrete Pressure Pipe，Steel-cylinder Type[S].

［8］AWWA C604—2012， Installation of Steel Water Pipe—4 in(100 mm)and Larger[S].

［9］Northwest Pipe Co.Permalok Manuals[K].Vancouver：Northwest Pipe Co.

Application of Large Diameter Steel Pipe Spigot Joint in Water Pipeline

XIA Lianning
（Northwest Steel Pipe Company(Shanghai),Shanghai 201204,China）

Combined with spigot joint of non-restrained gasket connection application in North America nearly 60 years and the requirements of AWWA standard for steel pipe spigot joint,it detailedly introduced the standard and norm,the design,fabrication and installation for the joints of rolled groove type and Carnegie type，and some matters needing attention.It pointed that it should use SAW pipe for rubber gasket sealing,and adopt Permalok fast joint on longitudinal welded pipe in the trenchless application with no field welding.

welded pipe;water transmission steel pipe;spigot joint;non-restrained connection

TE973

B

1001－3938（2015）09-0045-06

夏連寧（1961—），男，畢業于西安建筑科技大學壓力加工專業，高級工程師。主要從事鋼管制造的技術研發工作。

2015-06-04

羅 剛