大口径高密度聚乙烯管道水压试验模型有限元分析

于美明，李记恒，宗留佳

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，长春130021；2.北京市南水北调团城湖管理处，北京100195；3.中建三局集团有限公司（北京），北京100097）

高密度聚乙烯管道是一种绿色新型环保管道，与其他传统管道（如：PCCP、DIP、钢管等）相比，具有良好的耐腐蚀、密度低、稳定的化学性质、便于施工与安装等优点。

邢清干渠南宫干线和衡水市南水北调配套工程第14标、15标均采用了高密度聚乙烯管道，其中，南宫干线长44km，采用DN1200、DN1400输水管道，输水流量0.85～1.1m3，设计内水压力0.6MPa。为确保管道安全运行，大口径长距离高密度聚乙烯输水管道在通水前，需对管道的密闭性进行水压试验。

大口径长距离的高密度聚乙烯输水管道在我国首次应用，且相关的水压试验及施工技术标准仍处于空白。因此，本文结合南宫干线高密度聚乙烯输水管道工程，选取300m试验段对管道进行水压试验，并根据相关资料建立管道水压试验有限元模型，模拟高密度聚乙烯输水管道在水压试验不同时刻时的变形率情况。

1 水压试验设计方案

1.1 试验布置

回填方式可按照管道回填垫层15cm为中粗砂，其余全部原土回填至管顶50cm。管道回填方式如图1。

图1 管道回填示意图

高密度聚乙烯输水管道在进行水压试验之前应通水浸泡不少于12h，同时对尚未回填的管道各个阀门连接点进行全面检查，若发现渗水应立即采取措施排除。

水压试验选取300m段进行，该段包括阀件、钢塑转化接头、弯头、三通、热熔、电熔管件等所有连接部件。试验压力设置为0.8MPa。

1.2 水压试验步骤

管道水压试验可分为两个阶段，分别为：预水压试验和主水压试验。

1.2.1 预水压试验

（1）首先使高密度聚乙烯试验管道中的压力与外界大气压相同，同时维持1h禁止外界空气流入管内。

（2）用增压泵措施向水压试验管道段注入净水，将管内压缓慢上升至试验压力，并维持试验压力30min，若发现管道压力有下降趋势，应立即采取措施注水补压，但补压不应高于试验压力。在试压期间应对管道的接口、各个连接部件进行检查有无渗漏现象，若发现渗水，应立即停止试压，查明原因并采取相应措施后继续试压。

（3）停止补压注水并维持1h压力，当1h下降的压力不大于试验压力的70%，则可结束预水压试验。若大于试验压力的70%，应重新注入净水补充管压，并同样稳压1h后再进行观察，直至管道压力小于试验压力的70%。

1.2.2 主水压试验

（1）结束预水压试验后，应立即将管道进行泄水降压，降压量为试验水压的0.68～0.72MPa（即试验水压的10%～15%）。在降压期间应计量出管道泄水量，其泄水量可设为△V。

允许泄出的最大水量△Vmax按照式（1）计算：

式中 V为试验水压管道的总容积（L）；△P为泄水时的降压量（MPa）；Ew为净水的体积模量；Ep为高密度聚乙烯管材的弹性模量（MPa）；di为高密度聚乙烯管材的内径（m）；en为高密度聚乙烯管材的公称壁厚（m）。

当降压时的泄水量△V与△Vmax相比，若大于最大泄水量，则应立即终止试压，采取相应措施将高密度聚乙烯管内空气排净，然后再从预水压试验步骤2开始试验；反之则应继续下一步骤。

（2）每隔3min记录一次高密度聚乙烯管道的水压力，连续记录30min。若在此期间内发现管道内的水压力有持续上升的趋势，则说明试验结果合格。

（3）若30min期间管道内的剩余水压没有上升的趋势，应继续观察1h，若90min期间管道水压下降不大于0.02MPa，则可判定水压试验合格。

（4）当两条规定均不能满足，则判定水压试验失败，最后应立即检查原因采取相应的措施后再进行试压。

2 高密度聚乙烯输水管道水压试验模型

2.1 模型的建立

高密度聚乙烯管材是一种热塑性材料，管材本身具有受压发生蠕变和应力松弛的特性。与传统性材料（如DIP、钢管等）管道不同，水压试验过程中，聚乙烯管材发生蠕变会导致一段时间内压力呈连续下降趋势。由于试压期间温度变化相对较小，所以压力波动不大。高密度聚乙烯管材的黏弹性、受压蠕变及膨胀、失压收缩等特性，压力试验时这些特性均有所表现。因此，应充分理解高密度聚乙烯管道在压力试验期间的压力下降现象，充分考虑到压力下降并不一定意味着管道有泄漏。

水压模型的建立，结合水压试验设计方案，在建立完成回填模型的基础上加入管道内水压力，模拟加压过程，涉及到需要改变的内容包括荷载、荷载出现时间等，这些内容将通过有限元软件中的荷载、时间函数和时间步等功能进行设定。

水压试验阶段加压时间后的时间函数如表1。

增压时间基本与水压试验基本保持一致，水压通过有限元软件中的Pi高密度聚乙烯Internal Pressure功能设定，管道设计工作压力0.6MPa，实际工作压力0.8MPa，水压试验最大压力0.8MPa，模拟过程从0.4MPa加压至0.9MPa，每隔12h加压0.1MPa。

表1 生死单元与时间函数

2.2 有限元分析

2.2.1 200 h时模型竖直方向位移

加压至0.4MPa后，模型竖直位移变化最小的部分出现在沟槽两侧和底部，此部分因为固结已经较好，而且距离管道较远，基本不受水压试验影响。管道左右两侧和底部都受到固定端约束，而上部仅有50cm回填原土，当管道受压发生膨胀时，管顶位移最为明显，受管道的顶托作用影响，模型的最大变形也出现在管顶上方范围；管道膨胀时，挤压管道下方回填的中粗砂，致使下方中粗砂出现向下的微小位移。

管道的最大最小位移都在竖直方向，管道上方仅有50cm土荷载，所管顶出现较大位移16.54mm，管道底部有150mm的中粗砂垫层，垫层下方原土固结较好，管底位移变化不大，竖直位移变化最大的区域集中在管顶。

2.2.2 200 h时管道竖直方向的受力

由于管道受内水压力发生膨胀，与管道上方土体发生更为强烈的挤压作用，管顶以上回填土由管道和管顶以下的回填土共同支撑，当管道发生膨胀时，下方土体对上方土体的一部分支撑作用力转移到管道，管土之间的接触力急剧增大。

2.2.3 200 h时管道水平方向的位移

管道两侧出现7.41mm水平最大位移，相对管顶竖直位移较小，也是因管道两侧的土体的支撑作用比较明显。径向变化14.82mm，与竖直方向径向变化16.5mm相比，相差不大。

随水压增加，管道受力特点不再发生变化，位移逐渐增大；水平位移因受到两侧固定端作用，相对竖直方向而言，其值较小，所以管道变形仍以竖直方向为主。竖直方向的最大位移、径向变化及管道变形率如表2。

表2 打压过程中管道竖直方向变形

模拟加压至0.9MPa时，管道变形率为2.95%，仍满足要求。如若再施加一部分土荷载，至382h时，管道变形率减小。所以，回填至地表高程，实际工作状态下，管道内水压力0.4MPa，与管道上方土荷载抵消一部分，管道变形率减小，为0.7%。

在软件模拟260h打压到0.9MPa时，管顶竖直方向位移等值线图最大位移线已经移至土层表面，如若管顶50cm土层已经固结或被冻结，可能在土层上方出现裂缝。出现裂缝后，可用原土回填压实至设计要求。

3 结语

（1）模型模拟结果表明：因沟槽底部和两侧都有固定端约束，模型最大位移点出现在管顶上方；管道竖直方向最大位移出现在管顶，水平方向最大位移出现在两侧中心位置。

（2）高密度聚乙烯管道水压试验增压至0.9MPa时，发现管道的变形率为2.95%，模型上方最大位移等值线不闭合，如上层覆土已经固结，此时可能出现裂缝。

（3）随着土荷载的进一步增加至382h时，高密度聚乙烯管道变形率减小，管道在正常工作下变形率为0.7%。

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