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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，本文通過對埋地鋼管施工、使用過程中外界荷載、作用效應對其產生的不利影響，根據現行規范并結合現有管道病害調查分析的結果，對管道主要病害應力進行分析，并給出具體的預防措施及處理建議。

關鍵詞：

溫度應力；焊接應力；一次應力；二次應力

1前言

城市供水管道是給水系統的重要組成部分，管道工作的可靠性與否又是城市供水的關鍵所在。因此，作為城市命脈的供水管道的設計、使用和維護，均應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復雜而艱巨的任務，由于各種原因造成管道經常被破壞。管道損壞的探測手段尚不完善，技術落后，加之供水管大多埋設在道路下，挖方修補困難。管道破壞漏水，不僅浪費資源，而且威脅城市建筑設施、影響交通，給生活帶來諸多不便。因此調查、分析管道破壞原因，采取合理的預防措施，降低管道損壞的機率具有十分必要的現實意義。

2現行規范對埋地鋼管結構上荷載作用的考慮

鋼管管道結構上的作用分為永久作用和可變作用兩類［1］：（1）永久作用應包括管道結構自重、豎向土壓力、管道內水重和地基的不均勻沉降。（2）可變作用應包括管道內的設計內水壓力、管道真空壓力、地面堆積荷載、地面車輛荷載、地下水浮力以及溫度變化作用。鋼管管道結構設計時，對不同性質的作用應采用不同的代表值，作用的標準值為作用的基本代表值。對永久作用，應采用標準值作為代表值。對可變作用，應根據設計要求采用標準值、組合值或準永久值作為代表值。作用的組合值或準永久值，應為作用的標準值乘以作用的組合值系數或準永久值系數。鋼管管道結構設計按照下列兩種極限狀態進行設計［2］。

2．1承載能力極限狀態按承載能力極限狀態計算時，各種作用組合的工況應按照文獻［2］表526規定采用。鋼管管道結構按承載能力極限狀態進行強度計算時，采用作用效應的基本組合，結構上的各種作用均應采用作用的設計值，作用設計值應為作用分項系數與作用代表值的乘積。作用效應的基本組合設計值按文獻［2］523確定。對管壁截面進行穩定性驗算時，各種作用均應采用標準值。應滿足文獻［2］621要求。對埋置在地下水水位以下的鋼管道，應根據最高地下水水位和管道覆土條件驗算抗浮穩定性，驗算時各種作用采用標準值。應滿足文獻［2］623要求。對焊接連接的管道，計算管壁截面強度時，除應計算在組合作用下的環向內力外，尚應計算管壁的縱向內力，并核算環向與縱向內力作用下的組合折算應力。管壁截面由環向應力和縱向應力作用下的組合折算應力，應滿足文獻［2］612、613、614要求。文獻［2］中管道強度計算時考慮了溫度作用，并納入管道結構計算。其主要表現為鋼管管壁的縱向應力，其影響集中體現在鋼管管道的閉合溫差ΔT上。按文獻［2］435條，溫度作用標準值可按管道閉合溫差±25℃計算。其中又分為閉合溫差為升溫時與降溫時對管道的縱向應力進行分別計算。

2．2正常使用極限狀態鋼管管道按正常使用極限狀態進行驗算時，各種作用效應均應采用作用代表值計算。其作用效應組合設計值應滿足文獻［2］532的要求。

3鋼管輸水管線所受應力分類

雖然在管道設計的相關規范、標準中沒有明確給出應力分類的定義，但根據產生應力的荷載不同，可將其劃分為一次應力和二次應力兩大類［3］。管道強度破壞主要是由一次應力引起的斷裂破壞和由二次應力引起的疲勞斷裂破壞。一次應力是由壓力、重力、沖擊荷載、其他外力荷載等機械外荷載引起的正應力和剪切應力，它是平衡外力荷載所需要的應力。一次應力是非自限性的，它始終隨著所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或者持久強度時，將使管道發生塑性破壞或總體變形。因此，在管道的應力分析中，首先應使一次應力滿足允許應力值。管道的二次應力通常是由于熱脹冷縮、附加位移、安裝誤差、振動荷載等位移載荷引起的，是由于管道的變形受到約束所產生的正應力和剪應力。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要求所必須的應力。其特點是具有自限性，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要求得到滿足，通過自身的變形協調就能使應力降低。一般來講，對于塑性良好的鋼管，只要不反復加載，二次應力不會導致管道的破壞。也就是說，二次應力引起的主要是疲勞破壞。由一次應力和二次應力的荷載類型和受力特點可知，由于一次應力沒有自限性，所以它比二次應力更危險，應該受到更加嚴格的限制。基于目前給排水管道工程結構設計原則，對于普通金屬管線僅需要考慮環向應力、縱向應力及組合折算應力影響，即上述管道應力分析中的一次應力作用。對于管道的熱膨脹、安裝階段的附加位移應力及焊縫焊接的殘余應力等二次應力均未納入結構計算范疇，其應力的影響范圍及量化亦比較困難。

4結合調查情況對現有埋地鋼管病害進行分析

通過對管線使用及維護部門的走訪及調查，眾多鋼管管線漏損及病害主要分為以下幾種類型：（1）管材本身質量問題。管材細微裂縫施工時未能及時發現，運行時經水壓等作用致使微小裂紋逐步擴大而破裂；（2）鋼管現場對接焊縫的裂開、斷裂及變形破壞；（3）閥門及管件處安裝誤差，導致出現預拉應力疊加焊縫病害，造成管件或者閥門破壞。其中焊縫病害問題占絕大多數。

4．1施工問題施工質量問題主要表現為：選用了有缺陷的管材、管道基礎不好、周圍回填土不密實或存在大塊硬物、焊縫質量差、閥門及管件安裝誤差、管道防腐層沒有按照標準和要求做等。由于土質和地基處理的差異，會使整個管道的沉降不均勻，當產生不均勻沉降時，由于管道剛度很強，管道像一根相當長跨度的承重梁，在周圍及上部荷載作用下產生附件縱向應力，在支撐處產生向上的變形。當存在下述地層土質差或受到不均勻擾動而引起徑向位移時，會使管道發生破壞。比如：（1）管線周圍施工的影響，管道局部壓有重物堆土等，使得管道處于下沉或側滾狀態。（2）管線路徑上局部出現弱土層、或管線路徑上出現長距離弱土層，施工過程中采用局部剛性基礎處理等造成不均勻沉降。（3）管周回填土未經夯實或回填不均勻，造成側向位移。（4）管下有大塊石、硬物等臨時支撐，使管道沉降不均并發生局部應力集中現象。

4．2腐蝕問題埋置于地下的管道會受到內外腐蝕作用。外腐蝕主要是土壤腐蝕，一旦管道防腐層施工質量差，則會導致局部防腐層破壞；內腐蝕則主要是由電化學腐蝕和化學腐蝕，會導致管道內防腐涂層脫落。管道受到腐蝕后會使管壁變薄，引起局部承載能力降低，當作用應力超過承載能力時，管道就會破壞，嚴重時則發生爆管。

4．3內外荷載長距離的輸水管道總體水壓越來越高，其中局部區域水壓存在過高現象，水壓高、對管道的強度要求也會相應提高，管道的事故頻率也會隨之增加。如果管道埋管過淺、路基或路面質量不好、車輛過重等因素，會使管道承受的動荷載增加。隨著城市交通運輸業的不斷發展，車輛噸位增大，運輸頻率不斷增加，致使管道的動荷載明顯增大；同時在城市基礎設施建設中，由于各類管道的更新改造和建設，形成管道之間原有外力荷載的改變，都是誘發管道破壞的因素。

4．4水錘作用由于水泵機組突然開啟或停止，閘門關閉過快等外界因素致使管道中水流狀態突然變化，可能引起管道內水壓力劇烈波動的水錘作用。水錘可能引起很高的壓力，揚程越高，管道越長，在停泵、關閉閥門時越快，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小結焊接連接的輸水鋼管管道是剛性結構，不能釋放不均勻沉降、氣溫變化等因素產生的縱向力，從材料力學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題的可能性大大增加，焊縫常被拉開，導致管道發生爆裂事故。輸水管道強度設計通常采用環向應力控制，然而管道通常不會因環向應力出現問題，管線出現事故大部分是縱向問題，基本上是由在管道局部形成異常的應力造成的。據統計輸水鋼管管線發生事故90％以上是由于管基的不均勻沉降、氣溫變化等原因產生的縱向應力在有隱患的溝槽焊縫及焊縫質量差處形成超常規的集中應力引起的。

5對一次應力及二次應力控制的建議

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

5．1輸水管線中的對一次應力控制現階段管線結構設計中通過控制的管道壁厚、埋深、回填壓實要求、管材強度、工作壓力、焊縫強度等參數，保證管道在使用過程中不出現塑性變形。即通過計算保證鋼管一次應力滿足管材允許應力值。

5．2輸水管線中可能出現的二次應力控制根據管線施工及后期使用過程，可能出現的主要二次應力包括：（1）焊縫施工時的殘余應力；（2）管件及閥門等沿線構筑物安裝時產生的附加位移應力；（3）輸送流體常年的溫度變化應力的線膨脹；（4）管道內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力、局部堆載過大等。在以上二次應力影響中焊縫的殘余應力對管線影響最大。外載產生的應力值與焊接殘余應力疊加后，很容易在結構的某區域產生局部塑性變形，使焊縫喪失進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力，首先在管材的驗收選用方面，應保證管節的材料、規格、壓力等級等應符合設計要求；管節表面應無斑疤、裂紋、嚴重銹蝕等缺陷。其次，在焊縫施工過程中應根據鋪設、施工方式，按照焊工手冊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力。為消除水錘對管道的破壞作用，可以采用減小水錘沖擊力，防止水柱拉斷、水柱彌合現象的發生，來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；緩慢開關閘閥；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；在高處及積氣處設置高速進排氣閥；管道上設置泄壓井等措施。對于管道的施工驗收，對選材、施工措施、焊縫的外觀及檢測、焊接質量的檢測、管槽的回填、管件及附屬構件的安裝等均應嚴格按照《給水排水管道工程施工及驗收規范》中的要求執行，以保證管線的施工質量。

6結論及建議

目前國內采用的管道設計理論和計算方式，是按照預期的管道壁厚值，將內壓同外壓按照一定的荷載規則組合，用規范規定的驗算公式，來復核管道的應力是否滿足要求，然后再做變形控制及穩定性校核等。管線的結構設計中對一次應力通過靜力計算已經進行了有效的控制。對于設計人員而言，如若管道位于不均勻的管基上，應值得重視。對于長距離的輸水管線，所處的施工及邊界條件復雜，二次應力需進行系統和綜合長期考慮，現有的計算手段很難對其進行量化。可參考石油化工行業管線的計算經驗，借助專業管道應力分析軟件對整條管線模擬施工及運行條件進行綜合分析。

參考文獻

［1］給水排水工程管道結構設計規范GB50332－2002．北京．中國建筑工業出版社，2002．

［2］給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規程CECS141－2002．北京．中國建筑工業出版社，2002．

［3］唐永進編著．壓力管道應力分析（第二版）．北京：中國石化出版社，2009．

［4］金錐等．停泵水錘及其防護［M］．北京．中國建筑工業出版社，2004

作者：張樺 單位：中國市政工程西南設計研究總院有限公司