城市輸水鋼管連接方式及應(yīng)用現(xiàn)狀概述★

張琳瑯

(武漢華夏理工學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北武漢 430070)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和海綿城市建設(shè)的實(shí)施，地下管網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)成為城市基礎(chǔ)建設(shè)的核心內(nèi)容之一，被譽(yù)為城市的地下生命線，地下管網(wǎng)將越來(lái)越發(fā)達(dá)，對(duì)管道連接的要求也越來(lái)越高。目前我國(guó)城市輸水管網(wǎng)建設(shè)中，管材主要有預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)等，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管抗?jié)B能力較好，但是管道自重較大，很難運(yùn)輸;球墨鑄鐵管具有良好的耐壓、抗氧化和腐蝕性，但是造價(jià)高，經(jīng)濟(jì)性較差［1］。21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵冶金技術(shù)的發(fā)展，鋼管產(chǎn)品性能大幅提高，輸水鋼管具有強(qiáng)韌性高、抗變形能力強(qiáng)、焊接性能好、現(xiàn)場(chǎng)施工方便、維修快捷等特點(diǎn)，在城市埋地給排水管網(wǎng)建設(shè)和大型引水工程中得到廣泛應(yīng)用［2］。本文針對(duì)輸水鋼管接口，從剛性連接和柔性連接兩方面介紹輸水鋼管的主要連接方式及其應(yīng)用情況，并對(duì)輸水鋼管連接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 輸水鋼管剛性連接方式及應(yīng)用

剛性連接是指接頭之間不存在伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng)，連貫性好，管體剛度高，主要有焊接、法蘭、螺紋和粘結(jié)等幾種連接方式。

1.1 焊接連接

焊接是鋼管最基本連接方式之一，其利用金屬分子在高溫下相互滲透并結(jié)合為一體的原理，實(shí)現(xiàn)焊件間的物理連接，包括鋼管連接焊接和鋼板節(jié)點(diǎn)焊接連接。目前應(yīng)用最廣泛的焊接鋼管產(chǎn)品為螺旋縫雙面埋弧焊接鋼管，利用熱軋鋼卷經(jīng)螺旋加工成型后，采用自動(dòng)埋弧焊工藝焊接而成。

焊接連接具有安裝簡(jiǎn)單、接口接觸緊密、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)操作者和環(huán)境要求較高，焊縫修復(fù)困難，雖然采用焊接機(jī)器人可以提高焊件質(zhì)量和生產(chǎn)效率，但是隨著管網(wǎng)管徑越來(lái)越大，地質(zhì)條件復(fù)雜，埋地鋼管在溝槽中對(duì)焊接施工的難度大大增加，容易出現(xiàn)焊接缺陷，導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂、滲漏等問(wèn)題［3］。

焊接連接適合于大直徑鋼管的連接，對(duì)于50 mm以上直徑的鋼管，一般采用對(duì)接;對(duì)于50 mm以下直徑的鋼管，一般采用套接。近年來(lái)，焊接鋼管在輸水工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，主要項(xiàng)目見(jiàn)表 1［4］。

1.2 法蘭連接

法蘭連接是一種廣泛應(yīng)用的鋼管連接方式，通過(guò)鋼管端部的兩個(gè)法蘭彼此相連，然后用螺栓固定，見(jiàn)圖1。法蘭連接有多種類型，常見(jiàn)的有塔接接頭法蘭、套領(lǐng)法蘭、焊接法蘭、螺紋法蘭等。法蘭連接的主要優(yōu)點(diǎn)是易于制造安裝、操作簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是容易腐蝕，密封性不好，維護(hù)成本較高，主要用于地面管道連接、但不能承受一定軸向位移和相對(duì)角位移的管道接口。

表1 焊接鋼管在輸水工程領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例

圖1 法蘭連接結(jié)構(gòu)示意圖

20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外率先開(kāi)展法蘭連接研究，其研究成果已在煉油、輸水管道和化學(xué)工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，在深海管道的法蘭連接技術(shù)中，美國(guó)的Sonsub公司、挪威的Acergy公司和瑞士的Allseas公司都有相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品［5］。相比之下，中國(guó)對(duì)法蘭連接技術(shù)的研究相對(duì)滯后，主要用于管道容器連接和電源組件連接，而且對(duì)于大直徑管道而言，法蘭連接成本較高，這也限制了其在城市輸水領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.3 螺紋連接

螺紋連接顧名思義是指在鋼管兩端連接處，分別加工成螺口和螺紋，旋轉(zhuǎn)連接在一起。

由于需要加工螺紋，一般應(yīng)用于小口徑(直徑在6 mm～150 mm)的自來(lái)水、煤氣等管道，管道一般采用鍍鋅鋼管，如果使用焊接接頭，鍍鋅層容易脫落，而且螺紋接頭的抗壓強(qiáng)度不如焊接接頭［6］。

為了提高螺紋接頭的強(qiáng)度，通常將厭氧粘合劑施加到連接螺紋上，抗壓強(qiáng)度可以增加到約30 MPa［7］。螺紋接頭的另一個(gè)缺點(diǎn)是螺紋的加工和安裝成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這也是大型輸水工程中很少采用螺紋接口的原因。

1.4 粘結(jié)連接

粘結(jié)連接是指在鋼管兩端涂上專用的粘連劑，通過(guò)粘連劑的化學(xué)作用，將鋼管連接在一起的一種方式。因?yàn)橐捎谜辰Y(jié)，為了盡可能增加接觸面積，粘結(jié)接頭都采用套接，可進(jìn)一步分為外套筒式和內(nèi)套筒式。

粘結(jié)連接方便，施工簡(jiǎn)單，但是接頭強(qiáng)度受粘結(jié)劑質(zhì)量影響較大，使用壽命不長(zhǎng)，目前很少用于輸水管道，主要采用粘結(jié)劑來(lái)修補(bǔ)管道和堵漏［7］。瑞士、德國(guó)和美國(guó)生產(chǎn)了一種比較適合金屬連接的粘結(jié)劑，可以用于管道連接，但是價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)性差，粘結(jié)管道技術(shù)還需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。

2 輸水鋼管柔性連接方式及應(yīng)用

剛性接頭不能承受彎曲，難以抵抗軸向應(yīng)力容易斷裂，因此越來(lái)越多的工程中使用柔性接頭代替剛性接頭。

柔性連接中應(yīng)用最廣泛最成熟的是承插式柔性接口，是指將輸水鋼管的一端加工成承口、另一端加工成插口，并設(shè)計(jì)特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，放置柔性橡膠密封圈，見(jiàn)圖2，圖3。橡膠密封圈是由一個(gè)或多個(gè)部件組成的套圈或墊圈，防止液體泄漏和異物侵入，通過(guò)插口與承口配合，達(dá)到連接和密封的效果。承插式柔性接口可以使鋼管從一個(gè)長(zhǎng)徑比大、易斷裂的細(xì)長(zhǎng)件轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗菀渍蹟嗟逆湢顦?gòu)件，能顯著減緩地質(zhì)應(yīng)力使管道斷裂的問(wèn)題。

圖2 兩種典型的承插式柔性接口結(jié)構(gòu)

圖3 輸水鋼管承插式柔性接口實(shí)物圖

輸水鋼管承插式柔性連接具有安裝快捷、方便施工、密封可靠、抗震性好、消除地基不均勻沉降，加工成本和施工費(fèi)用低等特點(diǎn)。2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始采用柔性接頭來(lái)擴(kuò)展和成型鋼管，成功應(yīng)用于廣西省貴港市廣州大觀路和廣東省新會(huì)市的DN1 200 mm～DN1 600 mm給排水工程;2005年年初上海長(zhǎng)江引水三期DN2 400 mm也鋪設(shè)了900 m套筒式輸水鋼管［8］。承插式柔性接口在埋設(shè)管道尤其是大直徑輸水管道中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為埋設(shè)輸水鋼管建設(shè)的最優(yōu)選擇。

3 鋼管連接新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

隨著材料技術(shù)的飛速發(fā)展，新工藝新技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，也引領(lǐng)了輸水鋼管連接技術(shù)的發(fā)展。

3.1 先進(jìn)復(fù)合焊接技術(shù)

在地質(zhì)條件穩(wěn)定，管道應(yīng)力不高的環(huán)境下，焊接連接仍有用武之地。目前先進(jìn)的焊接技術(shù)比如激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)，整合了電弧焊接間隙適應(yīng)性強(qiáng)，激光焊接速度快、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，包括激光—TIG焊接、激光—MIG/MAG焊接、激光—等離子焊接等方面，主要應(yīng)用在石油天然氣管道和輸水管道焊接中，尤其是在中厚板管道焊接方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［9］。

3.2 3D 打印技術(shù)

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，為承插口的加工成型提供了新的技術(shù)發(fā)展方向，通過(guò)3D打印制造的承插口結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的輥壓成型和擴(kuò)脹成型精度更高、工藝適應(yīng)性更強(qiáng)，同時(shí)可以根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境，定制不同的承插口結(jié)構(gòu)，靈活性更高。

3.3 形狀記憶合金接頭技術(shù)

形狀記憶合金接頭，連接原理是利用兩種不同合金的形狀記憶效應(yīng)，在低溫液氮中，使承口管內(nèi)徑略大于插口管的外徑，組裝好后回到室溫，通過(guò)相變其內(nèi)徑恢復(fù)到略小于插口管外徑，從而形成牢固且緊密的永久接頭，一般適應(yīng)8 mm～40 mm直徑的管道連接。記憶合金的價(jià)格相對(duì)較高，仍然很難在工程中得到應(yīng)用。

3.4 輸水鋼管連接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)的發(fā)展以及工業(yè)化對(duì)管網(wǎng)建設(shè)的要求不斷提高，輸水鋼管連接技術(shù)獲得了良好的發(fā)展契機(jī)，從剛性接口到柔性接口、從接口結(jié)構(gòu)到用料都在更新?lián)Q代。如今科技前沿的納米技術(shù)和3D打印技術(shù)在輸水管道材料領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和應(yīng)用為我們提供了從原子、分子的微觀程度去提高輸水鋼管連接技術(shù)的途徑。未來(lái)無(wú)論是焊接技術(shù)的創(chuàng)新或者新型材料的發(fā)展，管道連接技術(shù)會(huì)向著更經(jīng)濟(jì)、更便捷、更實(shí)用的方向飛速發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

目前城市管網(wǎng)工程領(lǐng)域中，輸水鋼管具有強(qiáng)韌性高、抗變形能力強(qiáng)、施工維修快捷等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，其中輸水鋼管承插式柔性接口在管道尤其是大直徑輸水管道中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，成為埋設(shè)輸水鋼管建設(shè)的最優(yōu)選擇。工藝和技術(shù)的進(jìn)步，都會(huì)給管道連接帶來(lái)發(fā)展，利用原有管材在接口上做文章，提高管材的利用效益和工作效率，使我們盡快在輸水管材及運(yùn)用技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。