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摘要：

鑒于給水工程中主輸水管線大多采用中等口徑及以上埋地鋼管，本文通過(guò)對(duì)埋地鋼管施工、使用過(guò)程中外界荷載、作用效應(yīng)對(duì)其產(chǎn)生的不利影響，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)有管道病害調(diào)查分析的結(jié)果，對(duì)管道主要病害應(yīng)力進(jìn)行分析，并給出具體的預(yù)防措施及處理建議。

關(guān)鍵詞：

溫度應(yīng)力；焊接應(yīng)力；一次應(yīng)力；二次應(yīng)力

1前言

城市供水管道是給水系統(tǒng)的重要組成部分，管道工作的可靠性與否又是城市供水的關(guān)鍵所在。因此，作為城市命脈的供水管道的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)，均應(yīng)該引起我們的足夠重視。供水管道的使用與管理維修是相當(dāng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，由于各種原因造成管道經(jīng)常被破壞。管道損壞的探測(cè)手段尚不完善，技術(shù)落后，加之供水管大多埋設(shè)在道路下，挖方修補(bǔ)困難。管道破壞漏水，不僅浪費(fèi)資源，而且威脅城市建筑設(shè)施、影響交通，給生活帶來(lái)諸多不便。因此調(diào)查、分析管道破壞原因，采取合理的預(yù)防措施，降低管道損壞的機(jī)率具有十分必要的現(xiàn)實(shí)意義。

2現(xiàn)行規(guī)范對(duì)埋地鋼管結(jié)構(gòu)上荷載作用的考慮

鋼管管道結(jié)構(gòu)上的作用分為永久作用和可變作用兩類(lèi)［1］：（1）永久作用應(yīng)包括管道結(jié)構(gòu)自重、豎向土壓力、管道內(nèi)水重和地基的不均勻沉降。（2）可變作用應(yīng)包括管道內(nèi)的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、管道真空壓力、地面堆積荷載、地面車(chē)輛荷載、地下水浮力以及溫度變化作用。鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)不同性質(zhì)的作用應(yīng)采用不同的代表值，作用的標(biāo)準(zhǔn)值為作用的基本代表值。對(duì)永久作用，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值。對(duì)可變作用，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值或準(zhǔn)永久值作為代表值。作用的組合值或準(zhǔn)永久值，應(yīng)為作用的標(biāo)準(zhǔn)值乘以作用的組合值系數(shù)或準(zhǔn)永久值系數(shù)。鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照下列兩種極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)［2］。

2．1承載能力極限狀態(tài)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，各種作用組合的工況應(yīng)按照文獻(xiàn)［2］表526規(guī)定采用。鋼管管道結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，采用作用效應(yīng)的基本組合，結(jié)構(gòu)上的各種作用均應(yīng)采用作用的設(shè)計(jì)值，作用設(shè)計(jì)值應(yīng)為作用分項(xiàng)系數(shù)與作用代表值的乘積。作用效應(yīng)的基本組合設(shè)計(jì)值按文獻(xiàn)［2］523確定。對(duì)管壁截面進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，各種作用均應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值。應(yīng)滿足文獻(xiàn)［2］621要求。對(duì)埋置在地下水水位以下的鋼管道，應(yīng)根據(jù)最高地下水水位和管道覆土條件驗(yàn)算抗浮穩(wěn)定性，驗(yàn)算時(shí)各種作用采用標(biāo)準(zhǔn)值。應(yīng)滿足文獻(xiàn)［2］623要求。對(duì)焊接連接的管道，計(jì)算管壁截面強(qiáng)度時(shí)，除應(yīng)計(jì)算在組合作用下的環(huán)向內(nèi)力外，尚應(yīng)計(jì)算管壁的縱向內(nèi)力，并核算環(huán)向與縱向內(nèi)力作用下的組合折算應(yīng)力。管壁截面由環(huán)向應(yīng)力和縱向應(yīng)力作用下的組合折算應(yīng)力，應(yīng)滿足文獻(xiàn)［2］612、613、614要求。文獻(xiàn)［2］中管道強(qiáng)度計(jì)算時(shí)考慮了溫度作用，并納入管道結(jié)構(gòu)計(jì)算。其主要表現(xiàn)為鋼管管壁的縱向應(yīng)力，其影響集中體現(xiàn)在鋼管管道的閉合溫差ΔT上。按文獻(xiàn)［2］435條，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值可按管道閉合溫差±25℃計(jì)算。其中又分為閉合溫差為升溫時(shí)與降溫時(shí)對(duì)管道的縱向應(yīng)力進(jìn)行分別計(jì)算。

2．2正常使用極限狀態(tài)鋼管管道按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，各種作用效應(yīng)均應(yīng)采用作用代表值計(jì)算。其作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值應(yīng)滿足文獻(xiàn)［2］532的要求。

3鋼管輸水管線所受應(yīng)力分類(lèi)

雖然在管道設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確給出應(yīng)力分類(lèi)的定義，但根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的荷載不同，可將其劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力兩大類(lèi)［3］。管道強(qiáng)度破壞主要是由一次應(yīng)力引起的斷裂破壞和由二次應(yīng)力引起的疲勞斷裂破壞。一次應(yīng)力是由壓力、重力、沖擊荷載、其他外力荷載等機(jī)械外荷載引起的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，它是平衡外力荷載所需要的應(yīng)力。一次應(yīng)力是非自限性的，它始終隨著所加載荷的增加而增加，超過(guò)材料的屈服極限或者持久強(qiáng)度時(shí)，將使管道發(fā)生塑性破壞或總體變形。因此，在管道的應(yīng)力分析中，首先應(yīng)使一次應(yīng)力滿足允許應(yīng)力值。管道的二次應(yīng)力通常是由于熱脹冷縮、附加位移、安裝誤差、振動(dòng)荷載等位移載荷引起的，是由于管道的變形受到約束所產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。它本身不直接與外力平衡。而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必須的應(yīng)力。其特點(diǎn)是具有自限性，即局部屈服或小量塑性變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，通過(guò)自身的變形協(xié)調(diào)就能使應(yīng)力降低。一般來(lái)講，對(duì)于塑性良好的鋼管，只要不反復(fù)加載，二次應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致管道的破壞。也就是說(shuō)，二次應(yīng)力引起的主要是疲勞破壞。由一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的荷載類(lèi)型和受力特點(diǎn)可知，由于一次應(yīng)力沒(méi)有自限性，所以它比二次應(yīng)力更危險(xiǎn)，應(yīng)該受到更加嚴(yán)格的限制。基于目前給排水管道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，對(duì)于普通金屬管線僅需要考慮環(huán)向應(yīng)力、縱向應(yīng)力及組合折算應(yīng)力影響，即上述管道應(yīng)力分析中的一次應(yīng)力作用。對(duì)于管道的熱膨脹、安裝階段的附加位移應(yīng)力及焊縫焊接的殘余應(yīng)力等二次應(yīng)力均未納入結(jié)構(gòu)計(jì)算范疇，其應(yīng)力的影響范圍及量化亦比較困難。

4結(jié)合調(diào)查情況對(duì)現(xiàn)有埋地鋼管病害進(jìn)行分析

通過(guò)對(duì)管線使用及維護(hù)部門(mén)的走訪及調(diào)查，眾多鋼管管線漏損及病害主要分為以下幾種類(lèi)型：（1）管材本身質(zhì)量問(wèn)題。管材細(xì)微裂縫施工時(shí)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行時(shí)經(jīng)水壓等作用致使微小裂紋逐步擴(kuò)大而破裂；（2）鋼管現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊縫的裂開(kāi)、斷裂及變形破壞；（3）閥門(mén)及管件處安裝誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)預(yù)拉應(yīng)力疊加焊縫病害，造成管件或者閥門(mén)破壞。其中焊縫病害問(wèn)題占絕大多數(shù)。

4．1施工問(wèn)題施工質(zhì)量問(wèn)題主要表現(xiàn)為：選用了有缺陷的管材、管道基礎(chǔ)不好、周?chē)靥钔敛幻軐?shí)或存在大塊硬物、焊縫質(zhì)量差、閥門(mén)及管件安裝誤差、管道防腐層沒(méi)有按照標(biāo)準(zhǔn)和要求做等。由于土質(zhì)和地基處理的差異，會(huì)使整個(gè)管道的沉降不均勻，當(dāng)產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，由于管道剛度很強(qiáng)，管道像一根相當(dāng)長(zhǎng)跨度的承重梁，在周?chē)吧喜亢奢d作用下產(chǎn)生附件縱向應(yīng)力，在支撐處產(chǎn)生向上的變形。當(dāng)存在下述地層土質(zhì)差或受到不均勻擾動(dòng)而引起徑向位移時(shí)，會(huì)使管道發(fā)生破壞。比如：（1）管線周?chē)┕さ挠绊懀艿谰植繅河兄匚锒淹恋龋沟霉艿捞幱谙鲁粱騻?cè)滾狀態(tài)。（2）管線路徑上局部出現(xiàn)弱土層、或管線路徑上出現(xiàn)長(zhǎng)距離弱土層，施工過(guò)程中采用局部剛性基礎(chǔ)處理等造成不均勻沉降。（3）管周回填土未經(jīng)夯實(shí)或回填不均勻，造成側(cè)向位移。（4）管下有大塊石、硬物等臨時(shí)支撐，使管道沉降不均并發(fā)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4．2腐蝕問(wèn)題埋置于地下的管道會(huì)受到內(nèi)外腐蝕作用。外腐蝕主要是土壤腐蝕，一旦管道防腐層施工質(zhì)量差，則會(huì)導(dǎo)致局部防腐層破壞；內(nèi)腐蝕則主要是由電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕，會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)防腐涂層脫落。管道受到腐蝕后會(huì)使管壁變薄，引起局部承載能力降低，當(dāng)作用應(yīng)力超過(guò)承載能力時(shí)，管道就會(huì)破壞，嚴(yán)重時(shí)則發(fā)生爆管。

4．3內(nèi)外荷載長(zhǎng)距離的輸水管道總體水壓越來(lái)越高，其中局部區(qū)域水壓存在過(guò)高現(xiàn)象，水壓高、對(duì)管道的強(qiáng)度要求也會(huì)相應(yīng)提高，管道的事故頻率也會(huì)隨之增加。如果管道埋管過(guò)淺、路基或路面質(zhì)量不好、車(chē)輛過(guò)重等因素，會(huì)使管道承受的動(dòng)荷載增加。隨著城市交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，車(chē)輛噸位增大，運(yùn)輸頻率不斷增加，致使管道的動(dòng)荷載明顯增大；同時(shí)在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，由于各類(lèi)管道的更新改造和建設(shè)，形成管道之間原有外力荷載的改變，都是誘發(fā)管道破壞的因素。

4．4水錘作用由于水泵機(jī)組突然開(kāi)啟或停止，閘門(mén)關(guān)閉過(guò)快等外界因素致使管道中水流狀態(tài)突然變化，可能引起管道內(nèi)水壓力劇烈波動(dòng)的水錘作用。水錘可能引起很高的壓力，揚(yáng)程越高，管道越長(zhǎng)，在停泵、關(guān)閉閥門(mén)時(shí)越快，水錘引起的壓力增值就越大，它可使管道在薄弱處爆裂。

4．5小結(jié)焊接連接的輸水鋼管管道是剛性結(jié)構(gòu)，不能釋放不均勻沉降、氣溫變化等因素產(chǎn)生的縱向力，從材料力學(xué)中彎矩同梁的跨度平方成正比的基本概念可知，焊縫連接將使管線遇到縱向問(wèn)題的可能性大大增加，焊縫常被拉開(kāi)，導(dǎo)致管道發(fā)生爆裂事故。輸水管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)通常采用環(huán)向應(yīng)力控制，然而管道通常不會(huì)因環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)問(wèn)題，管線出現(xiàn)事故大部分是縱向問(wèn)題，基本上是由在管道局部形成異常的應(yīng)力造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)輸水鋼管管線發(fā)生事故90％以上是由于管基的不均勻沉降、氣溫變化等原因產(chǎn)生的縱向應(yīng)力在有隱患的溝槽焊縫及焊縫質(zhì)量差處形成超常規(guī)的集中應(yīng)力引起的。

5對(duì)一次應(yīng)力及二次應(yīng)力控制的建議

管道破壞主要是由一次應(yīng)力引起的斷裂破壞和由二次應(yīng)力引起的疲勞斷裂破壞。因此，在滿足設(shè)計(jì)條件下，控制鋼管在施工及后期使用過(guò)程中的應(yīng)力作用尤其重要。

5．1輸水管線中的對(duì)一次應(yīng)力控制現(xiàn)階段管線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)控制的管道壁厚、埋深、回填壓實(shí)要求、管材強(qiáng)度、工作壓力、焊縫強(qiáng)度等參數(shù)，保證管道在使用過(guò)程中不出現(xiàn)塑性變形。即通過(guò)計(jì)算保證鋼管一次應(yīng)力滿足管材允許應(yīng)力值。

5．2輸水管線中可能出現(xiàn)的二次應(yīng)力控制根據(jù)管線施工及后期使用過(guò)程，可能出現(xiàn)的主要二次應(yīng)力包括：（1）焊縫施工時(shí)的殘余應(yīng)力；（2）管件及閥門(mén)等沿線構(gòu)筑物安裝時(shí)產(chǎn)生的附加位移應(yīng)力；（3）輸送流體常年的溫度變化應(yīng)力的線膨脹；（4）管道內(nèi)水流交變的壓力變化（水錘作用）；（5）后期管道沉降不均勻引起的附加應(yīng)力、局部堆載過(guò)大等。在以上二次應(yīng)力影響中焊縫的殘余應(yīng)力對(duì)管線影響最大。外載產(chǎn)生的應(yīng)力值與焊接殘余應(yīng)力疊加后，很容易在結(jié)構(gòu)的某區(qū)域產(chǎn)生局部塑性變形，使焊縫喪失進(jìn)一步承受外載的能力，從而造成焊縫的斷裂。為了消減焊縫殘余應(yīng)力，首先在管材的驗(yàn)收選用方面，應(yīng)保證管節(jié)的材料、規(guī)格、壓力等級(jí)等應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；管節(jié)表面應(yīng)無(wú)斑疤、裂紋、嚴(yán)重銹蝕等缺陷。其次，在焊縫施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)鋪設(shè)、施工方式，按照焊工手冊(cè)要求選用合理的施焊順序及焊接方法，選取變形較小的焊接材料、采取有效的措施消減削弱焊縫的殘余應(yīng)力。為消除水錘對(duì)管道的破壞作用，可以采用減小水錘沖擊力，防止水柱拉斷、水柱彌合現(xiàn)象的發(fā)生，來(lái)改善管道的受力狀況［4］。可采取如下措施：加大管徑減小流速；緩慢開(kāi)關(guān)閘閥；取消止回閥和底閥；安裝停泵水錘消除器裝置；選用微阻緩閉止回閥；在高處及積氣處設(shè)置高速進(jìn)排氣閥；管道上設(shè)置泄壓井等措施。對(duì)于管道的施工驗(yàn)收，對(duì)選材、施工措施、焊縫的外觀及檢測(cè)、焊接質(zhì)量的檢測(cè)、管槽的回填、管件及附屬構(gòu)件的安裝等均應(yīng)嚴(yán)格按照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中的要求執(zhí)行，以保證管線的施工質(zhì)量。

6結(jié)論及建議

目前國(guó)內(nèi)采用的管道設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方式，是按照預(yù)期的管道壁厚值，將內(nèi)壓同外壓按照一定的荷載規(guī)則組合，用規(guī)范規(guī)定的驗(yàn)算公式，來(lái)復(fù)核管道的應(yīng)力是否滿足要求，然后再做變形控制及穩(wěn)定性校核等。管線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)一次應(yīng)力通過(guò)靜力計(jì)算已經(jīng)進(jìn)行了有效的控制。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，如若管道位于不均勻的管基上，應(yīng)值得重視。對(duì)于長(zhǎng)距離的輸水管線，所處的施工及邊界條件復(fù)雜，二次應(yīng)力需進(jìn)行系統(tǒng)和綜合長(zhǎng)期考慮，現(xiàn)有的計(jì)算手段很難對(duì)其進(jìn)行量化。可參考石油化工行業(yè)管線的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，借助專(zhuān)業(yè)管道應(yīng)力分析軟件對(duì)整條管線模擬施工及運(yùn)行條件進(jìn)行綜合分析。

參考文獻(xiàn)

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［4］金錐等．停泵水錘及其防護(hù)［M］．北京．中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

作者：張樺 單位：中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司