承插式柔性接口鋼管在市政給排水領域的應用

王 翼

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 前 言

市政領域的給水和排水管道連接方式主要分為3種：①以鋼管為代表的對接環焊；②以球墨鑄鐵管、PCCP、PVC 管、波紋管為代表的承插接口；③以PE管為代表的熱熔對接[1]。輸水鋼管的現場焊接連接方式主要包括對接環焊和承插搭接焊，前者主要應用在油氣輸送管道現場連接，連接施工復雜、周期長、對施工隊伍要求高等諸多因素限制了其在低壓流體管道工程的應用，后者在國內應用很少。鋼管承插式連接包括承插柔性接口和承插搭接焊接口，承插式柔性接口連接方式（橡膠圈密封）以其施工方便快捷、不需要現場焊接和防腐、對施工隊伍要求低等特點而受到低壓流體輸送管道用戶的普遍認可[2-3]。

承插式柔性接口鋼管在國外已被廣泛使用超過60 年[4-6]。近10 年來，國內一些鋼管企業在參考球墨鑄鐵管、PVC管和玻璃鋼管的基礎上，開發了多種鋼管的承插式柔性接口，從21 世紀初開始成功應用在國內很多長距離輸水和供水管道工程上[7]。

我國關于承插式柔性接口鋼管的設計技術規程T/CECS 492—2017《給水排水工程埋地承插式柔性接口鋼管管道技術規程》[8]和產品標準T/CECS 10159—2021《給水用承插柔性接口鋼管》[9]先后完成編制并施行，結束了我國長時間沒有可用的膠圈密封承插式連接鋼管標準的困境，為承插式柔性接口鋼管的應用和推廣提供了技術和標準上的支撐。

承插式柔性接口鋼管采用膠圈密封，當管道受外界荷載作用時能有限滑動，具有消除地基不均勻沉降和溫度應力的優點，因此其關鍵技術在于接口、膠圈的結構形式和性能，一旦接口設計失誤，柔性接口的特點反而會引發管道滲漏事故。承插式柔性接口鋼管在國內應用較少，本研究結合以上兩項規程編制過程中對接口結構形式和性能的研究成果，對柔性接口鋼管相關技術進行介紹和討論。

1 承插式柔性接口鋼管結構形式

T/CECS 492—2017 中舉例了3 種比較常見的承插式鋼管柔性接口形式[8]，分別來源于3 家不同的企業，而且這3種結構形式都具有各自的特色，代表了目前國內主流的幾種承插式接口，具體見表1。

表1 鋼管承插式接口結構形式

T/CECS 492—2017 在標準的名稱中加入了“埋地”的限制，在管道計算中對于水平敷設方向改變處采用重力式支墩或土體抵抗軸向力；T/CECS 10159—2021 中也暫未編入具有軸向約束能力的承插式接頭。在鋼管承插式柔性接口處增加限位措施，使其保留柔性接口優點的同時，具備防止軸向拉脫和橫向彎曲脫口的能力，還可以通過接口傳遞軸向力，成為一種半剛性半柔性的接口，適合應用于地質條件較差或是局部架空的環境?？馆S力柔性接頭需要根據管道軸向力、管節長度等對限位裝置進行計算和設計，以保證抗軸力的接頭形式能承受相應的軸向力。目前國內相關接口的結構形式研究和工程案例較少，根據資料可以分為以下應用方向：

（1）自錨式柔性接口，在單膠圈和雙膠圈柔性接口的承口或是插口設置卡環、鎖扣等形成機械止脫裝置[10]，此種接口是對現有承插式接口的二次研發，屬于升級產品，目前的研究、試驗、應用成果有限，距離成熟應用尚需時日。

（2）外設螺栓等限位裝置如圖1所示，通過附件限位裝置限制承插口之間的相對位移量，屬于對單膠圈和雙膠圈柔性接口的改進，改進方式簡單有效，受力明確，在目前階段比較容易被業主和設計單位采用。

圖1 外設螺栓限位抗軸力柔性接頭

2 承插式柔性接口允許轉角

承插式柔性接口允許轉角=允許偏移量/直徑。承插式柔性接口的最大偏轉角度與管徑、接口結構形式密切相關。一般情況下，同直徑的雙膠圈接口小于單膠圈接口的轉角；對于同種柔性接口結構形式，管徑越大，允許的偏轉角度越小。

設計標準T/CECS 492—2017 的3.3.2 條要求承插式柔性接口管道的接口允許轉角要滿足表2的要求；在6.1.7 條要求實際敷設的時候單個接口可用轉角值不得大于接口允許轉角的1/2。在接口設計時候要求滿足較大的轉角而不產生滲漏，實際使用時對最大轉角進行限制，提高接口的安全度。

表2 T/CECS 492—2017接口允許轉角

產品標準T/CECS 10159—2021 中承插式柔性接口型式試驗對接口的允許偏轉角度見表3，產品標準對于接口的允許轉角要求高于設計標準，要求產品具有更高的安全余量。

表3 T/CECS 10159—2021接口允許轉角

3 承插式柔性接口對水頭損失的影響

管道的總水頭損失是由沿程水頭損失和局部水頭損失累加產生，承插式柔性接口鋼管的內壁在每個承插接口位置都存在不平整面，有可能會增加管道的局部水頭損失。

由于鋼管采用的內襯涂層材料的不同，內壁的粗糙度不同以及受到水流流態的影響，很難采用一種公式進行各種材質管道沿程水頭損失計算。市場上用于直埋的承插式柔性接口鋼管基本采用內環氧外PE 的防腐方式，T/CECS 492—2017 認為這種管道的沿程水頭損失計算可以適用塑料管道的計算公式；GB 50013—2006 在計算沿程水頭損失時也將內涂塑料的鋼管與化學管材定義到同一類型的管道進行考慮。

為研究鋼管承插式柔性接口對局部水頭損失的影響，同時驗證涂塑鋼管的內壁光滑程度符合規程的要求，山東沃亞森曼機械科技有限公司（T/CECS 492—2017 的參編單位）在2016 年結合某調水工程，利用一段長度為2 440 m，管徑為DN900 mm，采用環氧內防腐，兩測點相對高差0.815 m 的承插式柔性接口鋼管管道進行了水頭損失現場測試，如圖2所示。

圖2 承插式柔性接口鋼管水頭損失試驗示意圖

根據GB 50013—2006 的管道沿程水頭損失計算方式，選擇海曾-威廉計算公式（見公式1）。本次試驗的主要方式是根據管道長度、管徑、實測流量、實測水頭損失，推算海曾-威廉系數Ch，計算結果見表4。

表4 管道水力計算參數結果

式中：i——單位長度管道沿程水頭損失；

dj——管道的計算內徑，m；

q——設計流量，m/s；

Ch——海曾-威廉系數；

hy——管道沿程水頭損失，m；

l——管道長度，m。

根據試驗和計算結果可以看出，按實測水頭損失值推算的海曾-威廉系數Ch與GB 50013—2006條文說明附表9中化學管材、內襯與涂塑料的鋼管的海曾-威廉系數的取值范圍基本吻合，且Ch值均大于140，表明：①長距離輸水管道的水頭損失以沿程水頭損失為主，承插式柔性接口引起的局部水頭損失可以忽略；②鋼管采用內環氧防腐的管壁光滑程度與塑料管相近。

4 結束語

T/CECS 492—2017 和T/CECS 10159—2021總結了我國近年來承插式柔性接口鋼管的實踐經驗，借鑒了國內承插式柔性接口的技術研究成果，將成熟、先進的鋼管管道連接形式納入規程，給出了典型的滑入式連接接頭，接口形式技術先進、施工方便、縮短工期，具有較顯著的經濟和社會效益，充分體現了技術的先進性和可操作性。同時對構造、設計、施工等做了相應規定，并與管道設計、施工及驗收的通用技術標準相協調。

承插式柔性接口鋼管有較好的市場需求，從外觀品質、施工、造價、綠色建材等各角度來看，在市政給水和排水工程中均是球墨鑄鐵管和焊接鋼管的優質替代產品。相關的設計和產品標準均已發布實施，國內一些鋼管制造企業也已經有比較成熟的產品，這種新型管道的推廣和使用將進一步推動我國輸水鋼管的發展。