山東飛達塑業(yè)

摘要：分析了PVC-U管道爆裂的常見原因，指出了在PVC-U管道設(shè)計、施工、操作和運輸中應(yīng)采取的對策。

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，以及國家有關(guān)部門對化學(xué)建材的大力推廣，塑料管材在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由于PVC-U管材質(zhì)輕，耐腐蝕，價格低、安裝方便快捷、使用壽命長、流體阻力小等優(yōu)點，其優(yōu)點日益被人們所認識。因而近年來在供水、排水、農(nóng)田、水利灌溉等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在使用過程中，由于許多使用單位和個人對PVC-U管材性能了解不夠，運輸、施工安裝不規(guī)范，造成即使產(chǎn)品質(zhì)量合格的管材，也時常出現(xiàn)一些PVC-U管道爆裂的事故。不但造成管道損壞無法供水，搶修等方面的經(jīng)濟損失，同時也使人們對PVC-U管道的可靠性產(chǎn)生了疑問，從而影響了PVC-U管材的推廣。因而弄清楚PVC-U管道爆裂的原因，采取適當(dāng)預(yù)防措施，具有重要現(xiàn)實意義。文本只對質(zhì)量合乎國家標(biāo)準(zhǔn)的PVC-U管材在使用試壓過程中發(fā)生爆裂的原因進行分析，并提出相應(yīng)對策。

1、  PVC-U管材的性能及使用溫度

與金屬管相比，盡管PVC-U管材具有耐腐蝕、質(zhì)量輕，安裝方便等優(yōu)點，但其機械性能溫度變化又有其特殊規(guī)律，具體表現(xiàn)在：

 1.1彈性模量：

      PVC-U管材的彈性模量一般為3.2×103Mpa，僅為鑄鐵管3﹪左右，且其數(shù)量值溫度的變化較大，表1列出了不同溫度下的彈性模量：

由上表可以看出，在20-50℃范圍內(nèi)，Z幾乎是恒定的，50℃開始有明細下降。

1.2彎曲強度：                   

PVC-U材的彎曲強度比鋼鐵等金屬小的多，且隨溫度升高下降較多。表2 列出了不同溫度下的彎曲強度。

1.3沖擊強度：

PVC-U管材的沖擊強度熱穩(wěn)定性差（隨溫度降低而劇烈降低，且橫向及縱向的沖擊強度也不一致）。在20℃時的沖擊強度比在-20℃相差5倍，特別在切口、裂口處，沖擊強度隨溫度變化的曲線。

表3沖擊強度與溫度關(guān)系

1.4拉伸強度：

溫度不同，PVC-U管材拉伸強度值變化較大。表4列出了不同溫度下的PVC-U管材的拉伸程度。

表4 聚氯乙烯管材在各種溫度下的拉伸強度

由于PVC-U管材的彈性模量、彎曲和拉伸強度值隨溫度的升高而降低，沖擊強度隨溫度的升高而升高，為了保證PVC-U管材的機械性能，輸送水時，一般規(guī)定使用溫度為0～45℃。

2、 嚴(yán)格按要求運輸、搬運或儲存管材、管件

PVC-U管材的彈性模量，硬度比鋼鐵，砂礫等小的多。當(dāng)PVC-U管材與鋼鐵，砂礫等較硬的物體接觸時，會造成PVC-U管材的磨損。因此，當(dāng)PVC-U管材在鐵皮箱內(nèi)與金屬，砂礫等直接接觸，車輛劇烈震蕩與野蠻裝卸時，都會使管材表面產(chǎn)生劃痕，甚至裂紋。

此外，PVC-U管材的沖擊強度較低，特別是溫度較低（0℃以下），不恰當(dāng)?shù)难b卸、運輸易使管材產(chǎn)生裂縫、劃痕、裂紋，在管材劃痕、裂縫處，管材在使用時產(chǎn)生應(yīng)力集中，而使管材爆裂（裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中取決于裂縫的銳度，銳度越大，應(yīng)力集中越大，圓形裂縫使應(yīng)力集中三倍）。

因此，在運輸、搬運、施工過程中，一定要文明操作，按照操作要求操作，避免推、扔、拖，不得劇烈撞擊，不能與尖硬物品碰撞，堆放高度不應(yīng)超過1.5米。

3、 管溝開挖應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，回填土保證質(zhì)量

3.1管溝開挖應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)

為了保證一定的施工空間、使管材和管件連接按操作進行，保證回填土?xí)r能按要求操作夯實，避免管道及接口承受彎曲應(yīng)力而破裂，必須做到：（1）管溝必須平直開槽的底寬不宜小于外徑加0.4m，且總寬度不得小于0.6m。（2）嚴(yán)格控制槽底深度，既不能過深也不能過淺。過深時必須用砂礫回填密實到規(guī)定深度，地況上質(zhì)堅硬的地方及遇到障礙的地方，例如挖溝碰到石頭等時，施工者為降低施工難度，或?qū)贤诔蓮澢模覐潖捷^小，或不能保證溝底深度，這樣易造成管道在敷設(shè)后呈彎曲狀，使管材管件及接頭插口受彎曲應(yīng)力，送水升壓時極易引起接頭漏水或管材、管件破裂。

3.2避免管溝沉降

當(dāng)土壤含水量高，地基不密實，接頭處漏水時，管溝地基下沉，導(dǎo)致管道下沉，引起管道彎曲和接頭處受拉，產(chǎn)生額外應(yīng)力，輕者使接頭漏水（漏水導(dǎo)致地基進一步下沉），重者使管材和管件爆破。

所以，一定要確保管道溝處于未擾動的原狀土上，或開槽后經(jīng)回填密實的地層上。對特殊地層（含水量高或松軟）出的管溝，必要時進行施工設(shè)計。一般情況下，要參照《給排水管道工程施工驗收規(guī)范》執(zhí)行，切不可認為管道地基無關(guān)緊要而忽視之。

3.3回填土按規(guī)定進行

《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程設(shè)計、施工及驗收規(guī)程CECS17-18：98》（以下簡稱規(guī)程、規(guī)定），回填土?xí)r必須首先在管下90°支撐角范圍內(nèi)用砂粒料回填密實，然后用砂土或符合要求的原土回填管道兩側(cè)，每次回填0.1m～0.15m，搗實后再回填一層，直至回填至管頂0.1m～0.15m處，試壓前管頂上回填土高度不宜少于0.5m，且以上操作必須從兩側(cè)同時回填。

如果不按規(guī)程進行，胡亂將土一次性填入管溝中，既不在支撐角內(nèi)填砂粒或填符合規(guī)定的原土，也不予以分層夯實，其后果一是無法保證地基平實，造成管道局部彎曲，如果管道上有硬物，在管道送水或運行中，因流速變化或氣體存在而使管道產(chǎn)生震動，硬物（如砂礫等）會與管子發(fā)生撞擊，使管子破裂或逐漸磨穿。二是無法保證管道兩側(cè)土填密實，產(chǎn)生震動或有熱膨脹時，就發(fā)生側(cè)移，造成管道彎曲，接頭受力，導(dǎo)致管材或管件因承受大應(yīng)力而破裂。因此，對管道回填土工作，應(yīng)予以高度重視，嚴(yán)格按規(guī)程等要求進行，防止管道側(cè)移，還應(yīng)注意管溝兩側(cè)外負荷的不均勻（車輛、堆置物等）而引起不均勻地基變化，必要時予以適當(dāng)處理。

值得注意的是，試壓工作一定要在回填土高度至少達到0.5m以后進行（接頭處0.5m左右可不填，以便觀察有無泄漏），以免試壓過程中管道擺動和側(cè)移，造成管道破裂。

4、 正確支撐和固定管道

按規(guī)程規(guī)定，管道在水平或垂直轉(zhuǎn)彎處，三通、四通端頭處和關(guān)閉的閥門處應(yīng)根據(jù)管道內(nèi)壓力計算軸向推力，并設(shè)置止推墩，管道上設(shè)置的閥門、消火栓，排氣閥等附件，其重量不得由管道支撐，必須設(shè)置混凝土磚砌等鋼性支墩，支墩應(yīng)有足夠的體積和穩(wěn)定性，使用錨固裝置將其上的附配件固定，當(dāng)附配件可產(chǎn)生軸向推力時，應(yīng)設(shè)置止推墩。

設(shè)置止推墩的目的是為了將管道上述部位產(chǎn)生的不平衡推力抵消掉，否則這種推力就可能破壞管件和接頭，引起管道破裂，對附配件予以支撐，一是為了避免管道承受附配件重量所產(chǎn)生的額外應(yīng)力，二是為了在附配件發(fā)生震動時以及開啟閥門，安裝拆卸配件時，避免將震動和扭矩轉(zhuǎn)遞到管道上，而使管道破裂。

現(xiàn)以二個工程為例，介紹止墩的重要性圖1為噴灌工程中常見的設(shè)計方式，圖中數(shù)量多的立管，是為了連接噴灌機軟管接頭。

一般設(shè)計鋼管為0.9m-1.1m，立管、鋼管、法蘭、再加水的重量，可達到25kg左右，如不加支撐固定，在管道通水時，由于立管里存在空氣，導(dǎo)致管道劇烈震動，如果立管震動則產(chǎn)生很大力矩，極易使立管下部的三通根部破裂，此類事故已多次發(fā)生。

破裂的原因是因為使用蝶閥，而閥底面積很小，無法固定，僅設(shè)置磚墩予以支撐，此外未加其它措施。因而在關(guān)閉蝶閥1后，閥前仍有0.5Mpa的工作壓力，產(chǎn)生約為3.2噸的軸向推力，因而破裂。修復(fù)后，操作時因關(guān)閉蝶閥2而使PVC法蘭1破裂，原因是關(guān)閉蝶閥2后，產(chǎn)生3.2噸的軸向推力，而使法蘭1被拉破。事發(fā)后加大了蝶閥1和2處的支撐難度，同時將2個閥門前后的管道用水泥混泥土固定在支撐墩上，才保證了管道正常運行。

從以上兩例可以看出，由于水壓內(nèi)力，管道震動等原因，會產(chǎn)生極大的力，如不通過支撐、固定等有效手段避免應(yīng)力作用在管道或管件上，將使管道破裂，設(shè)計和施工時，應(yīng)予以重點注意，對于大口徑管道的支撐和止推墩，應(yīng)做好施工設(shè)計，不得隨意應(yīng)付。

值得注意的是，在坡度較大的地方安裝管道時，由于夯實不好或土壤摩擦系數(shù)較小，土壤與管道之間的摩擦力不足以完全消除管道重量產(chǎn)生的沿坡度下滑的分力，將會使坡頂接頭承受拉力，坡底管道承受推力，極易造成接頭破裂，因此應(yīng)分段對管道予以固定。固實或其他結(jié)構(gòu)，需做好施工設(shè)計，對露天安裝在坡度較大地方的管道更需如此。

5、 膨脹接頭適當(dāng)采用柔性連接

      PVC-U管材的線膨脹系數(shù)是0.07mm/m.℃，比其他管材大。因此要注意因溫差引起的變形，尤其是地表水作水源的灌溉系統(tǒng)，由于季節(jié)，天氣原因，溫差可能很大。對于連接的管材，因為粘接后的承口是剛性的，因此無法脹縮，如不使用膨脹接頭，膨脹所產(chǎn)生的巨大應(yīng)力將作用在管材本身或管件上。經(jīng)計算，對75-200mm口徑水管，造成的負溫差使管材受到縱向拉應(yīng)力相當(dāng)于管內(nèi)承受著1.18-3.04Mpa的內(nèi)水壓力，這巨大的應(yīng)力，極易引起爆管，正確的做法是設(shè)計中加設(shè)伸縮節(jié)。伸縮節(jié)的數(shù)目，應(yīng)按照設(shè)計運行中的閉合溫差，用公式△L=0.07L×△t來計算。

             公式中：△L --- 因溫差產(chǎn)生的縱向變形（mm）

                    0.07 --- PVC-U管材膨脹系數(shù)（mm/m.℃）

                     △t --- 敷設(shè)于使用中內(nèi)外介質(zhì)溫度差（℃）

                      L  --- 管道長度（m）

      一般來說，伸縮節(jié)距離不宜大于150m，伸縮量不宜小于12mm，當(dāng)活套管的伸縮量小時，應(yīng)增加伸縮節(jié)的數(shù)目。值得注意的是，與法蘭短管的連接，應(yīng)采用柔性連接，這是因為較多的PVC-U管件中，PVC-U法蘭因結(jié)構(gòu)原因中易因縱向拉力而破裂的管件。

6、 管道的粘接應(yīng)按規(guī)程進行

       PVC-U管材膠粘劑，主要成分是PVC的溶劑。其粘接原理是溶劑涂敷在插口的外表面及承插口的內(nèi)表面以后，將PVC的表面溶脹或腐蝕，借助承插時的擠壓力，將兩個熔化的連接頭壓成一體。膠粘劑極易揮發(fā)，揮發(fā)后使溶解的淺表層重新成為硬質(zhì)固體，基本不影響粘接的強度，而又使粘接強度達到承壓要求。膠粘劑的用量不宜過多或過少，少了不能保證密封或強度，多了則在承插后管材內(nèi)壁或外壁流淌，腐蝕管材，使管材壁部分甚至全部腐蝕，送水升壓時很快就會從此處破裂。近幾年來已發(fā)生幾次這樣的事故，而且多發(fā)生在氣溫低時。因為氣溫低時，膠粘劑的揮發(fā)速度明顯減慢，相同量的滲出膠粘劑可造成更深的侵漬深度，明顯降低了該處強度。所以在粘接管道時，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進行，膠粘劑的用量以承插到位后，接口邊緣有少許膠粘劑溢出為度，且要針對溢出的膠粘劑用干布擦拭干凈。在承口里涂敷膠粘劑時，要由里向外涂敷，以免膠粘劑流入管材或管件內(nèi)壁。

7、 水錘和氣錘

              不按設(shè)計和操作引起的水錘和氣錘造成的爆管，在爆管事故中占有相當(dāng)大的比例，而其設(shè)計不當(dāng)，造成的又占絕大部分，尤其在農(nóng)村和偏遠地區(qū)，由于以前很少使用塑料管道，缺乏設(shè)計經(jīng)驗，發(fā)生事故的機率更高，因此弄清楚水錘和氣錘的原因，對避免水錘和氣錘具有很大的作用。

           水錘和氣錘發(fā)生的根本原因是因為水和氣體都是可壓縮的，直接原因是管道中水流狀改變，導(dǎo)致管道中水壓發(fā)生劇烈波動。

當(dāng)上水時，從泵口流出的水以很高的流速V1，在管道中流動，在流至管堵處，水流突然變?yōu)?span>V0=0，水流的動能變?yōu)閴毫?，使水或氣體（如果管道中有未排掉的氣體）流至管堵處的壓力高于其前的壓力時，水或氣就猛然膨脹，迫使該處的水回流，從而造成內(nèi)壓力猛升，繼而下降，水再次前流，達到一定壓力時又回流，如此反復(fù)沖擊，導(dǎo)致水壓起伏巨變，這就叫做開泵水錘。

當(dāng)關(guān)閉泵出口閥或突然停泵（不關(guān)出口閥就停泵或斷電）時，水泵出口流速突然變小中斷，前面水流在慣性作用下繼續(xù)向前流動，導(dǎo)致其后部形成一定真空度或充氣（系統(tǒng)能進氣的話）的空間，造成水流分離，流向前方的水流將動能或勢能（水流動力）轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫螅捎谄鋭菽芑驂毫Ω哂跀嗔魈巹菽芑驂毫?，水流回擊，使壓力上升，繼而下降，反復(fù)沖擊。流速變大，所產(chǎn)生的水錘或氣錘造成的沖擊波也越大，氣體的壓縮系數(shù)較水大得多，所以氣錘的沖擊波較水錘造成的沖擊波大得多，這叫做閉泵水錘。

這樣，由于主干管上閥門的啟閉，也會產(chǎn)生水錘和氣錘。水錘或氣錘又分為直接水錘或氣錘，和間接水錘或氣錘。直接水錘或氣錘是指水流突變的時間小于水錘或氣錘波的傳播周期（水錘或氣錘反復(fù)沖擊一閃的時間），大于傳播周期時為間接水錘，直接水錘的破壞力瞬間可達到正常工作水壓的幾倍甚至幾十倍。

特別指出的是，在產(chǎn)生水錘或氣錘時，同時會造成流體分離，形成真空，將管道抽癟，當(dāng)水流再一波沖擊時，又在壓力下鼓起，加速管道破裂。綜上所述，當(dāng)開泵或停泵，閥門前部均會產(chǎn)生水錘，如管道系統(tǒng)中存有空氣，則會產(chǎn)生氣錘。操作上為降低水錘氣錘，使用時應(yīng)注意：（1）開泵時應(yīng)先關(guān)閉泵的出口閥再合上電閘，待壓力穩(wěn)定后再緩慢將閥門開啟，避免不關(guān)泵出口，合上電閘直接開泵。（2）停泵時，應(yīng)先緩慢關(guān)閉出口閥后拉下電閘，避免不關(guān)泵出口閥直接停泵。（3）主干管上的閥門，尤其在單線管上的閥門開啟、關(guān)閉時，都必須緩慢進行，使水流的變化緩慢一些，不致造成直接水錘或氣錘。（4）在使用過程中應(yīng)注意安裝排氣閥，將系統(tǒng)中的空氣排掉，以免產(chǎn)生氣錘。特別注意測量地形時，應(yīng)在至高點處一定要安裝排氣閥，否則，即使別處安裝了排氣閥，也無法將高點處的氣體排出。（5）對地形和使用條件復(fù)雜處，設(shè)計時要考慮安裝水錘消除器等。

綜上所述可能產(chǎn)生爆管的原因，有時幾種原因單獨發(fā)生還不足以使管道破裂，但兩種原因疊加在一起，則可能使管道在薄弱處破裂。如前圖1所示的噴灌工程管道，多種管件增加給管道附加應(yīng)力，水錘（或氣錘）會產(chǎn)生額外內(nèi)壓。實際計算的附加應(yīng)力包括在內(nèi)，可能都不至于使管道破裂，但其共同作用則可能使管道破裂，如再不加固定或保護措施即使水錘力量不大，但足以是立管劇烈震動，這時可能導(dǎo)致管道破裂。因此，在管道的設(shè)計、搬運、施工、安裝使用中，應(yīng)嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程，消除爆管原因。這對PVC-U管材、管件推廣，使用具有重要意義。