聚乙烯（HDPE）管道在鹽湖工況中的應(yīng)用技術(shù)研究

尹偉華

(四川森普管材股份有限公司，四川 德陽(yáng) 610014)

1 項(xiàng)目工程情況

1.1 項(xiàng)目工程概況

該項(xiàng)目中的礦區(qū)位于柴達(dá)木盆地中部的一里坪鹽湖，鹽灘面積360 km2，湖面海拔2 683 m，屬于干鹽湖類型，是以富鋰為特色并伴生硼、鉀、鎂、溴、碘的鹽湖自然資源。

該項(xiàng)目為開(kāi)采鹽湖鋰礦鋰硼鉀資源配套建設(shè)的淡水輸送管線工程。由于礦區(qū)附近無(wú)淡水水源，需要的淡水需從距離用水地約120 km外的那陵郭勒河沖洪積扇的前緣水源地取水。

從水源地到礦區(qū)線路基本沿鹽湖、戈壁、沙漠及沼澤地，沒(méi)有公路直通場(chǎng)地，交通極不便利。項(xiàng)目線路穿越區(qū)域多為無(wú)人區(qū)，人類活動(dòng)極少。

1.2 項(xiàng)目工程地理環(huán)境

礦區(qū)氣候特點(diǎn)為干旱、多風(fēng)沙少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，冬長(zhǎng)夏短，晝夜溫差較大，屬典型的高原內(nèi)陸盆地干旱氣侯。據(jù)鄰近地區(qū)察爾汗氣象站 1971～1989 年及 1991、1995、1996 年的資料統(tǒng)計(jì)，年平均氣壓 735 mbar，年平均氣溫 5.4 ℃，最高氣溫在七月，月平均氣溫 19.1 ℃，極端最高溫度 34.8 ℃。一月溫度最低，月平均氣溫-10 ℃。年蒸發(fā)量平均為 3 560.1 mm，降水量為 21.90 mm。多年平均最大凍土深度1.80 m。

沿線地貌類型有湖積平原、鹽湖邊緣丘陵、戈壁、沙漠、沼澤地等，湖積平原地形稍有起伏，相對(duì)高差約 1.00 m；丘陵地貌相對(duì)地形起伏較大，相對(duì)高差最大約30.00 m。

1.3 項(xiàng)目工程區(qū)域地層

據(jù)相關(guān)區(qū)域資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，線路場(chǎng)區(qū)覆蓋層主要由第四系上更新統(tǒng)湖積成因的粉土、粉質(zhì)黏土、鹽類沉積層；中更新統(tǒng)湖積成因的砂礫、粉土、粉質(zhì)黏土、鹽類沉積層等；下更新統(tǒng)湖積成因的泥巖、粉砂巖、鹽巖等組成，層厚大于 100 m。下伏基巖有上第三系：粉砂巖、泥巖及膏鹽巖等。

1.4 項(xiàng)目工程路線地質(zhì)的腐蝕性評(píng)價(jià)

項(xiàng)目沿線在 K3+848～K4+348 m，地下水埋深約 1.20 m，K12+278～K55+650 m，地下水埋深約0.20～2.00 m，K112+250～K117+701 m，地下水埋深約 4.00～5.00 m，其余地段未見(jiàn)地下水。

通過(guò)對(duì)地下水取樣分析，項(xiàng)目線路段地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性；長(zhǎng)期浸水時(shí)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性，干濕交替時(shí)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具強(qiáng)腐蝕性；沿線地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

2 淡水管線輸送用管道材料選擇

常用于市政的給水管材有鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、PVC-U給水管、涂塑鋼管、聚乙烯（HDPE）管、鋼骨架塑料復(fù)合管(含超高分子聚乙烯復(fù)合管)、玻璃鋼管等。

由于鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管均為承插橡膠圈接口，且鹽湖地區(qū)對(duì)混凝土、鋼筋（鑄鐵）具有較強(qiáng)腐蝕性，不適合用于沙漠、沼澤或具有鹽脹縮性和溶陷性的鹽湖地區(qū)。

涂塑鋼管是在普通螺旋焊鋼管的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)管內(nèi)涂塑制成的一種新型管材，雖管材材料費(fèi)有一定優(yōu)勢(shì)，但受地質(zhì)條件的影響較大，以及接口焊縫防腐處理是管道中的薄弱點(diǎn)，后期維護(hù)費(fèi)用高。

常用的幾種非金屬管材的主要性能見(jiàn)表1。

表1 幾種非金屬管材的主要性能

玻璃鋼管、PVC-U 給水管接口方式均為承插橡膠圈接口，敷設(shè)在沼澤、沙漠、鹽脹縮性和溶陷性的地區(qū)，管道基礎(chǔ)沉降不均，易發(fā)生滲漏，長(zhǎng)距離使用維修量會(huì)較大。

HDPE 管、鋼骨架塑料復(fù)合管等 PE 類管材，接口采用電熱熔連接，無(wú)滲漏，施工方便，耐腐蝕，適用工作溫度范圍較大，比較適合在鹽湖地區(qū)使用(目前有在青海、新疆等鹽湖供水工程中有成功應(yīng)用案例)。

從地質(zhì)條件分析，本工程前段(水源地開(kāi)始約 66 km)為沙漠、沼澤、草原；后段(約 51.7 km)地表為鹽殼。

前段管道承壓較低（壓力≤1.0 MPa），選材應(yīng)在滿足技術(shù)要求的條件下，盡量考慮因抗腐蝕、抗沉陷能力強(qiáng)、投資節(jié)省、運(yùn)行安全、管理便捷、施工簡(jiǎn)單、便于運(yùn)輸?shù)墓懿摹：蠖?鹽殼段)由于承壓（靜壓≤1.6 MPa）較高，應(yīng)選擇可承壓 1.6 MPa 及以上的管材，以減小事故發(fā)生的可能性，避免因管道事故對(duì)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。

3 聚乙烯（HDPE）管道在鹽湖特殊環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 前段(水源地開(kāi)始約 66 km)為沙漠、沼澤、草原等地質(zhì)工況的材料選擇。

基于管道前段輸送介質(zhì)壓力≤1.0 MPa，且需穿越沙漠、沼澤、草原等地質(zhì)基礎(chǔ)不穩(wěn)定、施工難度大、維護(hù)極不方便等情況，而高密度聚乙烯（HDPE）壓力管道產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)正好體現(xiàn)。

（1）聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品具有50年的設(shè)計(jì)使用壽命。可以同項(xiàng)目礦區(qū)的設(shè)計(jì)使用壽命同步，避免中途更換管道系統(tǒng)。

（2）礦區(qū)冬長(zhǎng)夏短，晝夜溫差較大，一月份平均氣溫-10 ℃。而聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品抗沖擊性能優(yōu)異，耐低溫性能好，低溫脆化溫度可達(dá)-70 ℃。可很好適應(yīng)礦區(qū)自然環(huán)境條件。

（3）聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品化學(xué)穩(wěn)定性好，耐各種酸、堿、鹽腐蝕。可確保管道系統(tǒng)在全生命周期不受鹽湖特定條件影響。

（4）由于管道線路需穿越沙漠、沼澤、草原等地。聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品柔韌，具有蠕變自適應(yīng)性，對(duì)沙漠、沼澤、草原等地質(zhì)基礎(chǔ)不穩(wěn)條件有很好的環(huán)境適應(yīng)性，避免因基礎(chǔ)下沉而出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。確保管道在惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）對(duì)于沼澤等極不便施工的場(chǎng)景。聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品因具有重量輕、搬運(yùn)方便，可異地?zé)崛圻B接再牽引敷設(shè)。優(yōu)于目前常用管道材料的施工。

（6）聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品屬熱塑性材料，可采用熱熔連接，接頭質(zhì)量可達(dá)到管道材料本體性能。可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零滲漏，可靠實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期免維護(hù)使用。

3.2 后段(約 51.7 km)地表為鹽殼等地質(zhì)工況的材料選擇

后段地質(zhì)條件較前段有改善，主要是管道敷設(shè)基礎(chǔ)變?yōu)閳?jiān)硬的鹽殼，但環(huán)境條件依然嚴(yán)苛。另外，處于后半段的管道需承受更大的壓力（壓力≤1.6 MPa）。基于上述情況，以優(yōu)質(zhì)低碳鋼絲網(wǎng)為增強(qiáng)相，管道級(jí)聚乙烯為基體，在擠出生產(chǎn)線上連續(xù)成型的新型雙面防腐壓力管道——鋼骨架塑料復(fù)合管（圖1），成為其最好的選擇。鋼骨架塑料復(fù)合管具有全塑聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品的諸多優(yōu)點(diǎn)，且產(chǎn)品因鋼絲網(wǎng)骨架的增強(qiáng)，又很好滿足較高輸送壓力的問(wèn)題。該產(chǎn)品采用具有溫度補(bǔ)償?shù)碾娙酆笝C(jī)自動(dòng)焊接接頭，確保接頭質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

圖1 鋼骨架塑料復(fù)合管

4 優(yōu)質(zhì)的施工是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵

4.1 土方開(kāi)挖難點(diǎn)及解決方案

工程地點(diǎn)位于柴達(dá)木盆地中部的一里坪鹽湖，晝夜溫差大。管道分布的地域較廣。新施工管線與原有地下埋設(shè)的管道、電纜、光纜及地上的高壓電桿、導(dǎo)鹵渠、溝槽等交叉很多，很多地段的開(kāi)挖需要人工開(kāi)挖。考慮到重車壓過(guò)的鹽堤路面很堅(jiān)硬，為了提高工效確保工期及保護(hù)地面設(shè)施和地下管線，人工開(kāi)挖土方部分特配風(fēng)鎬、空壓機(jī)配合人工開(kāi)挖。在開(kāi)挖區(qū)周圍設(shè)置擋水堤、集水坑，做好抽水設(shè)施，阻止鹽田鹵水和雨水流入基坑，并制定有效的排除積水措施。

（1）開(kāi)挖前先挖探坑，查明地下原有管線、電纜、光纜的實(shí)際情況和地面高壓電桿、導(dǎo)鹵渠等原有設(shè)施的實(shí)際情況再采用機(jī)械開(kāi)挖和人工開(kāi)挖（人工開(kāi)挖鹽堤較堅(jiān)硬的區(qū)段配空壓機(jī)帶風(fēng)鎬進(jìn)行）兩種方式進(jìn)行。同時(shí)，機(jī)械開(kāi)挖后堆土不得占用交通。對(duì)于原來(lái)埋有管道、高壓電桿、光纜、電纜和導(dǎo)鹵渠、溝、槽的交叉處采用人工進(jìn)行開(kāi)挖，人工開(kāi)挖采用空壓機(jī)、風(fēng)鎬方式進(jìn)行開(kāi)挖。確保原有設(shè)施的安全完好，確保不影響生產(chǎn)，確保不影響交通。

（2）對(duì)于永久性工程施工的挖土范圍盡可能小，確保開(kāi)挖土方不會(huì)破壞任何現(xiàn)有建筑或土方開(kāi)挖以外的建筑。

（3）土方開(kāi)挖必須與管道敷設(shè)密切配合，不出現(xiàn)重復(fù)挖、填的現(xiàn)象。并合理安排施工計(jì)劃，使土方開(kāi)挖與管道敷設(shè)保持同步，避免溝槽開(kāi)挖后長(zhǎng)時(shí)間暴露，影響交通，防止受雨水及地表水的侵蝕。

4.2 管道焊接難點(diǎn)及解決方案

本工程管道管溝很大部分位于鹵水池的鹽堤上。如出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將對(duì)鹽堤造成巨大的危害，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和交通，所以PE管道焊接的質(zhì)量尤為重要。

鹽湖早晚溫差大，風(fēng)大，極易造成焊縫質(zhì)量問(wèn)題，PE管焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)氣候條件和風(fēng)力大小對(duì)當(dāng)時(shí)溫度實(shí)測(cè)情況確定焊接參數(shù)予以實(shí)時(shí)調(diào)整，因此針對(duì)鹽湖氣候特點(diǎn)專門(mén)制定了本工程PE管焊接工藝規(guī)程和操作方法，確保本工程不出現(xiàn)接頭缺陷而漏水現(xiàn)象。

熱熔對(duì)接工藝的關(guān)鍵是要在對(duì)接過(guò)程中（如圖2、圖3）調(diào)整好溫度、時(shí)間、壓力三參數(shù)，要把連接界面材料的性能、應(yīng)力狀況、幾何形態(tài)以及環(huán)境條件等因素一起考慮，才能實(shí)現(xiàn)可靠的熱熔焊接，要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況和采用材料的特性先進(jìn)行試驗(yàn)連接，評(píng)價(jià)熔接質(zhì)量，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后，再確定各品種規(guī)格的焊接工藝參數(shù)，最后按確定的工藝參數(shù)方法和步驟進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝施工如圖4。

圖2 熱熔對(duì)接過(guò)程示意圖

圖3 熱熔對(duì)接工藝曲線圖

圖4 焊接工藝流程圖

（1）加熱板溫度。環(huán)境溫度20 ℃時(shí)用210 ℃± 10 ℃；低于或高于20 ℃時(shí)應(yīng)按工藝要求調(diào)整，根據(jù)鹽湖地區(qū)的氣候狀況，建議焊接溫度范圍為210 ℃ -240 ℃。

（2）吸熱壓力。約為熔融對(duì)接壓力的1/10，它的作用主要是確保預(yù)熔融部位保持一定壓力，使管材緊貼在加熱板上，提高加熱效果，減少加熱時(shí)間。預(yù)熱階段的時(shí)間與焊口的橫截面積、加熱板溫度、環(huán)境溫度有關(guān)，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的氣候條件進(jìn)行調(diào)整。

（3）熔融加熱時(shí)間。熔融加熱時(shí)間（一般稱為加熱系數(shù))=管道壁厚(mm)×(18～25 s），應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣候條件(溫差、陽(yáng)光直射與否和風(fēng)力大小等因素的影響)進(jìn)行調(diào)整。

（4）冷卻時(shí)間。冷卻應(yīng)為自然冷卻，嚴(yán)禁用澆水或強(qiáng)力吹風(fēng)強(qiáng)制冷卻。環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)就應(yīng)進(jìn)行焊縫保溫冷卻。

影響管材連接質(zhì)量的因素很多，如材料、工藝現(xiàn)場(chǎng)氣候條件，操作工人的技術(shù)水平等。焊制過(guò)程中易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及解決辦法如表2所示。

表2 熔融對(duì)接過(guò)程易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及解決辦法

4.3 季節(jié)性施工需采取的措施

4.3.1 冬季施工

（1）挖槽時(shí)，應(yīng)減少晾槽時(shí)間，堅(jiān)持隨挖隨清，隨清隨覆蓋的原則，防止溝槽底凍結(jié)。同時(shí)加強(qiáng)溝槽底排水措施，保證管道基底部位無(wú)積水和滲水。

（2）焊接時(shí)，加熱板溫度適當(dāng)升高，增加吸熱時(shí)間，冷卻時(shí)應(yīng)采取保溫冷卻。

（3）回填前應(yīng)將槽底雜物清理干凈，槽底不得有積水，殘冰，回填前須將溝槽底和邊坡處的凍結(jié)土清除后才能進(jìn)行回填。

4.3.2 雨季施工需搭設(shè)防雨棚防雨，確保管端及接頭材料不被雨淋。施工管道端頭，開(kāi)孔處應(yīng)用塑料布封好，避免雨水泥沙污染。

（3）雨季回填時(shí)，要嚴(yán)格控制土壤含水量

在該鹽湖的淡水輸送管道工程建設(shè)中，根據(jù)鹽湖工程特點(diǎn)以及聚乙烯（HDPE）管材特性，創(chuàng)造性的運(yùn)用新技術(shù)、新工藝解決工程過(guò)程中所遇到的難點(diǎn)，安全、高效的降低了工程造價(jià)，縮短了工期，最后以優(yōu)質(zhì)工程質(zhì)量完成了該項(xiàng)目。為聚乙烯（HDPE）產(chǎn)品在特殊的鹽湖工況環(huán)境應(yīng)用又建立了一典型成功案例。

（1）挖槽時(shí)開(kāi)挖邊坡比常規(guī)放緩，坡面根據(jù)情況加以覆蓋。棄土堆距槽邊不小于1 m，對(duì)于適合回填的棄土要集中堆放，適當(dāng)修整成型，以利排水。對(duì)因故不能及時(shí)回填的溝槽，在槽底兩側(cè)設(shè)寬30 cm，深30 cm的排水溝，并設(shè)集水坑，集水坑尺寸不小于1×1 m,深度不小50 cm。

（2）雨天原則上不進(jìn)行焊口施工，若工期緊，則