城建標(biāo)準(zhǔn) 63—2008中PE管最大拖拉力公式的修正

摘 要

摘要：從設(shè)計(jì)應(yīng)力出發(fā)，提出了對(duì)CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中PE管道最大拖拉力的修正公式，分析了修正公式與規(guī)程公式的異同點(diǎn)以及修正公式的意義，探討了修
摘要：從設(shè)計(jì)應(yīng)力出發(fā)，提出了對(duì)CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中PE管道最大拖拉力的修正公式，分析了修正公式與規(guī)程公式的異同點(diǎn)以及修正公式的意義，探討了修正公式中總體設(shè)計(jì)系數(shù)的取值，指出了修正公式仍然存在的缺陷，提出了建議。
關(guān)鍵詞：PE燃?xì)夤艿?；水平定向鉆；PE管道最大拖拉力
Correction of Formula for Maximum Traction Force of PE Pipeline in CJJ 63—2008
HONG Guo
Abstract：The correction formula of maximum traction force of PE pipeline in Technical Specification for PE Gas Pipeline Engineering(CJJ 63—2008)is proposed based on the design stress.The similarity and difference between the correction formula and the tormula in the specification and the meaning of the correction formula are analyzed.The value for the overall design coefficient in the correction formula is discussed.The deficiencies of the correction formula are put forward，and some suggestions are given.
Key words：PE gas pipeline；horizontal directional drilling；maximum traction force of PE pipeline
   隨著燃?xì)庥肞E管非開挖水平定向鉆進(jìn)施工新技術(shù)的大力推廣應(yīng)用，在國(guó)家尚無專門針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范的情況下，對(duì)于該技術(shù)的研究一直持續(xù)不斷。文獻(xiàn)[1]論述了水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用，文獻(xiàn)[2]介紹了空間曲線的定向鉆穿越工程施工經(jīng)驗(yàn)，文獻(xiàn)[3]論述了水平定向鉆技術(shù)在天然氣管道穿越工程的應(yīng)用，文獻(xiàn)[4]討論了燃?xì)夤艿浪蕉ㄏ蜚@穿越線路設(shè)計(jì)。筆者在文獻(xiàn)[5]中探討了燃?xì)庥肞E管水平定向鉆進(jìn)若干問題，同時(shí)也提出了CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》計(jì)算PE管道最大拖拉力公式存在不足之處。本文專門就此問題進(jìn)行探討。
1 規(guī)程公式的來源
按CJJ 63—2008規(guī)程6.2.7條，計(jì)算PE管道最大拖拉力的公式為：
 
式中Fmax——允許最大拖拉力，N
    de——管道公稱外徑，mm
    KSDR——PE管道外徑與壁厚標(biāo)準(zhǔn)尺寸比，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的有SDR11和SDR17.6兩種系列
    規(guī)程對(duì)該公式的來源解釋如下：為防止外拉力過大損壞管道，在美國(guó)煤氣協(xié)會(huì)編寫的《塑料煤氣管手冊(cè)》2001年版中規(guī)定：拖拉力不得大于管材屈服拉伸應(yīng)力的50%；IS0/TS 10839：2000《燃?xì)廨斔陀镁垡蚁┕懿暮凸芗O(shè)計(jì)、搬運(yùn)和安裝規(guī)范》和EN 12007《燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)——最大壓力超過16巴的管線》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定按下列公式計(jì)算：
    CJJ 63—2008規(guī)程采用式(2)并簡(jiǎn)化為式(1)形式。
2 問題的產(chǎn)生
    依據(jù)規(guī)程式(1)計(jì)算PE管道最大拖拉力Fmax時(shí)，公式表示Fmax僅與PE管道的公稱外徑de及標(biāo)準(zhǔn)尺寸比KSDR有關(guān)，而未能考慮PE管材的材料性能差異，同時(shí)也無法體現(xiàn)出設(shè)計(jì)安全系數(shù)。對(duì)由于PE管材的蠕變特性引起的最大拖拉力與拖管時(shí)間的內(nèi)在關(guān)系也未能表示。因此造成設(shè)計(jì)人員在實(shí)際計(jì)算最大拖拉力時(shí)無法區(qū)別PE80、PE100等材料的不同，也無法對(duì)各種類型的管道穿越地質(zhì)條件提出差異性的總體設(shè)計(jì)系數(shù)C。
    如果在規(guī)程公式的基礎(chǔ)上能夠引入與PE材料特性有關(guān)的系數(shù)和總體設(shè)計(jì)系數(shù)C進(jìn)行修正完善，并進(jìn)一步考慮拖管時(shí)間對(duì)最大拖拉力存在的影響，就能很好地克服該公式的不足之處。
3 公式的修正
    按GB 15558.1—2003《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)第1部分：管材》3.2.4條關(guān)于設(shè)計(jì)應(yīng)力的定義：設(shè)計(jì)應(yīng)力σs指規(guī)定條件下的允許應(yīng)力，計(jì)算公式為：
 
式中σs——設(shè)計(jì)應(yīng)力，MPa
    σMRS——最小要求強(qiáng)度，MPa
    C——總體設(shè)計(jì)系數(shù)
PE80管材σMRS值為8.0MPa，PE100管材σMRS值為10.0MPa。按σs定義，筆者認(rèn)為，PE管道所受拖拉力F，應(yīng)在滿足σs的要求下進(jìn)行設(shè)計(jì)。
 
式中F——PE管道所受拖拉力，N
    A——管道截面積，mm2
將此式具體化，即：
 
上式經(jīng)整理后得：
 
當(dāng)KSDR≥11時(shí)，KSDR-1≈KSDR，修正后的公式(4)也可簡(jiǎn)化為：
 
    式(4)、(5)即為修正后計(jì)算PE管道最大拖拉力的公式。
4 公式修正的意義
4.1 兩個(gè)公式的相似點(diǎn)
    規(guī)程的公式(1)與修正后的公式(5)有極其相似之處。實(shí)際上，規(guī)程的公式(1)即是在KSDR-1≈KSDR，C=2情況下，綜合考慮了PE80和PE100兩種等級(jí)管材的σMRS值(取值為9.55MPa)，按修正后的公式(5)計(jì)算所得到的結(jié)果。因此可以說規(guī)程公式與修正公式在本質(zhì)上是一致的。
4.2 兩個(gè)公式的差異點(diǎn)
    規(guī)程的公式過于簡(jiǎn)單，公式表示Fmax僅與PE管材的公稱外徑de及標(biāo)準(zhǔn)尺寸比KSDR有關(guān)。修正后的公式相對(duì)復(fù)雜，增加了σMRS和C兩個(gè)變量，這就克服了規(guī)程公式的不足之處，可以充分體現(xiàn)PE管道性能及總體設(shè)計(jì)系數(shù)的差異性。
4.3 公式修正的意義
    ① 將按規(guī)程規(guī)定的公式(1)計(jì)算得到的Fmax值代入修正后的公式(4)，計(jì)算的C值見表1。
表1 按式(1)計(jì)算的Fmax值代入式(4)計(jì)算的C值
管材類型
總體設(shè)計(jì)系數(shù)C
PE80
SDR11
1.523
SDR17.6
1.580
PE100
SDR11
1.904
SDR17.6
1.975
    由表1可見，按修正后的公式推算出規(guī)程公式所取的總體設(shè)計(jì)系數(shù)C值均小于2，這不僅與GB 15558.1—2003第4.7條的要求“燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿老到y(tǒng)的總體設(shè)計(jì)系數(shù)C應(yīng)大于等于2”有矛盾，而且也反映出按規(guī)程公式計(jì)算的PE管道允許最大拖拉力值偏大，對(duì)工程實(shí)踐而言存在一定風(fēng)險(xiǎn)性，因此有必要對(duì)規(guī)程公式進(jìn)行修正。
    ② 規(guī)程的公式過于片面，這是其明顯的缺陷。采用修正的公式以后，因?yàn)橐肓?sigma;MRS和C兩個(gè)變量，使得困擾設(shè)計(jì)人員的問題迎刃而解。σMRS變量能體現(xiàn)出不同材質(zhì)的PE管材性能差異，C變量能讓設(shè)計(jì)人員充分考慮不同工程條件下的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，具有更大的靈活性。
5 對(duì)總體設(shè)計(jì)系數(shù)C取值的建議
   從修正公式可以看出，PE管道允許最大拖拉力受PE管材σMRS值的影響已由設(shè)計(jì)所選用管材確定，只需查閱有關(guān)資料即可獲得，在此無需討論。但對(duì)于修正公式中總體設(shè)計(jì)系數(shù)C的取值，則應(yīng)由設(shè)計(jì)人員綜合考慮工程項(xiàng)目中的各種條件慎重確定。經(jīng)查閱相關(guān)資料，筆者建議其需考慮的因素有如下5個(gè)方面：
   ① 作為總體設(shè)計(jì)系數(shù)，對(duì)于同一個(gè)燃?xì)夤こ添?xiàng)目而言，無論是非開挖穿越施工，還是開挖施工，建議應(yīng)采用相同的C值，即C的取值應(yīng)服從于整個(gè)燃?xì)夤こ添?xiàng)目管道設(shè)計(jì)壓力的要求。
   ② 應(yīng)充分參考其他文獻(xiàn)資料推薦采用的C值。國(guó)外的C值一般比國(guó)內(nèi)小，以新加坡為例，C的取值范圍為2.9～3.25，有些地方取2；國(guó)內(nèi)關(guān)于C的取值，以2.5～3.5較妥[6]。
   ③ 按CJJ 63—2008第4.1.3條，由于考慮到我國(guó)國(guó)情及地質(zhì)條件、施工方式、燃?xì)夥N類等各種因素，為進(jìn)一步提高安全性能，其采用的總體設(shè)計(jì)系數(shù)C值見規(guī)程條文說明表3數(shù)據(jù)。由該表可見，CJJ 63—2008對(duì)于C的取值相對(duì)較高，尤其對(duì)于輸送氣態(tài)液化石油氣的PE管道，其C的取值高達(dá)6.0～9.6。對(duì)于在PE管穿越施工中的C值可參考該表，尤其對(duì)于輸送氣態(tài)液化石油氣的PE管道。
   ④ 工程實(shí)踐中，還應(yīng)針對(duì)不同的施工條件確定不同的C值。對(duì)于施工條件比較惡劣的情況，建議應(yīng)采用較大的C值。
   ⑤ 確定C值時(shí)，還應(yīng)考慮施工環(huán)境溫度及施工時(shí)長(zhǎng)對(duì)管材應(yīng)力的影響。
6 修正公式存在的缺陷及建議
   修正公式雖然引入了σMRS與C兩個(gè)變量，設(shè)計(jì)時(shí)可以針對(duì)不同管材、不同施工或使用條件，計(jì)算出不同的PE管道最大允許拖拉力。但是由于PE管材本身還存在蠕變特性，即PE管的安全牽引載荷是與時(shí)間有關(guān)的，在短時(shí)間內(nèi)作用屬安全載荷，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的拉管施工未必合適。因此，從某種意義上而言，對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間的拉管，PE管道最大允許拖拉力還應(yīng)該是時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于這兩者之間的關(guān)系相對(duì)較為復(fù)雜，本文在此無法闡述，有待業(yè)內(nèi)同行進(jìn)一步予以討論并完善。正因?yàn)槲覀冋J(rèn)識(shí)到上述觀點(diǎn)，因此筆者建議在依據(jù)修正公式計(jì)算出PE管道最大拖拉力的同時(shí)，還應(yīng)查閱有關(guān)資料，核查時(shí)間因素對(duì)于拉伸應(yīng)力值的影響，并取兩者的較小值。一般認(rèn)為，若能在24h內(nèi)完成回拖任務(wù)，則時(shí)間因素對(duì)于PE管道拉伸應(yīng)力的影響不大。美國(guó)塑料管協(xié)會(huì)(PPI)資料提供了燃?xì)庥肏DPE管材在24h施工時(shí)間內(nèi)允許的安全拖拉力(安全牽引載荷)，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2，可供參考。
表2 HDPE管材24h安全牽引載荷
管材公稱外徑/mm
管材SDR值
安全牽引載荷/kN
51
11.0
7.111
102
11.0
26.667
203
11.0
93.333
305
11.0
204.444
610
11.O
728.889
203
17.6
62.222
305
17.6
137.777
610
17.6
488.888
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(本文作者：洪國(guó) 福州煤氣規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350011)