沈之基
上海市原水股份有限公司200085

　　摘要：柔性接口在輸水管線中的地位經(jīng)過曲折道路，得到了肯定；各種柔性接口的特點(diǎn)、性能水平是有所不同的；綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)各方面因素，以球鐵管用的T型接口為最好；鋼管是柔性接口發(fā)展的新空間。
　　關(guān)鍵詞：輸水管線，輸水管道，柔性接口，滑入式接口

1．前言

　　新頒國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ92-2002“城市供水管網(wǎng)漏損控制及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)”，其中4.2.4條款規(guī)定：新敷管道的接口應(yīng)采用橡膠圈密封的柔性接口；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50332-2002“給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”，其中5.0.1條款規(guī)定：對(duì)圓形管道的接口宜采用柔性連接。在條文說明中，又作了進(jìn)一步的說明：給水排水工程中，各種材質(zhì)的圓形管道廣泛應(yīng)用，這些管道可能出現(xiàn)的不均勻沉陷不可避免。┅┅這些圓形管道接口，宜采用柔性連接，以適應(yīng)各種不同因素產(chǎn)生的不均勻沉陷，并至少應(yīng)該在地基土質(zhì)變化處設(shè)計(jì)置柔口。以上事實(shí)表明，在我國(guó)，柔性接口在輸水管線中的地位經(jīng)過曲折道路，終于得到認(rèn)可，并以最高的形式，即法規(guī)固定下來了。這是我國(guó)水工業(yè)工作者近20年努力工作的成果。
　　柔性接口數(shù)十年的發(fā)展，目前已有種種形式，性能各有特點(diǎn)，水平有所高低，因此，在認(rèn)可了柔性接口的必要后，還有必要進(jìn)一步理解各種柔性接口特點(diǎn)，才可能貫徹好上面條款的精神。筆者長(zhǎng)期從事供水管線技術(shù)工作，對(duì)種種柔性接口形成了一定的看法，在此拋出，愿與同行交流，以推進(jìn)供水事業(yè)發(fā)展。

2．我國(guó)接口技術(shù)發(fā)展中的曲折

　　1785年，英國(guó)工程師發(fā)明了青鉛麻絲接口，使鑄鐵管線能夠承受較高內(nèi)壓運(yùn)行，從此用戶在自己家中打開龍頭就可取得飲用水，揭開了現(xiàn)代給水的序幕。現(xiàn)代給水事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，美國(guó)工程師經(jīng)過以膠圈代麻絲、瀝青代青鉛的過程，到20世紀(jì)50年代，終于完善了膠圈接口，開發(fā)了“tyton”接口，現(xiàn)通常稱T型接口，一種構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良的滑入式接口，現(xiàn)今這種接口已在世界范圍內(nèi)成為輸水管線接口的主流。前蘇聯(lián)，在該時(shí)期則按自己所具的特定條件發(fā)展了石棉水泥接口，被歸為半柔性接口。
　　上世紀(jì)5 0年代，我國(guó)大力學(xué)習(xí)蘇聯(lián)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)；由于受歷史條件的制約，又沒有能充分認(rèn)識(shí)我國(guó)地質(zhì)條件之多變，對(duì)石棉水泥接口的剛性表現(xiàn)過于熱情，忽視了接口柔性之釋放應(yīng)力的重要作用，簡(jiǎn)單地僅僅依石棉水泥接口較青鉛麻絲接口能承受更高外載而不漏水為主要指標(biāo)來評(píng)定接口優(yōu)劣，并由此走下去，以至發(fā)展到采用剛性特強(qiáng)的膨脹水泥接口。在相當(dāng)時(shí)期內(nèi)，石棉水泥接口和膨脹水泥接口成為鑄鐵管線接口的唯一選擇，大量應(yīng)用，這種做法事實(shí)上成為我國(guó)各城市供水系統(tǒng)中鑄鐵管到處爆裂的主要原因之一，但水泥接口的這個(gè)壞作用又卻好被強(qiáng)度低、質(zhì)地又極脆、極易爆裂的連續(xù)澆注鑄鐵管的表現(xiàn)所掩蓋。
　　上世紀(jì)80年代，上海DN1500鑄鐵輸水管線多次爆裂，一次爆裂受害戶達(dá)幾千戶，后果嚴(yán)重。86年上海市政府責(zé)成上海市自來水公司立項(xiàng)專題研究，于是“鑄鐵管爆裂原因及對(duì)策研究”作為市重大科研項(xiàng)目展開，終于揭開了鑄鐵管大量爆裂的又一個(gè)主要原因是：石棉水泥接口、膨脹水泥接口的應(yīng)用。水泥接口剛性極大，將連接的兩根管子牢固地結(jié)合成一體，不能釋放不均勻沉降引起的彎曲應(yīng)力、溫度變化引起的拉伸應(yīng)力;膨脹水泥接口因用了膠圈，所以即使水泥填料在承插口間隙內(nèi)有所滑動(dòng)，也不會(huì)有漏水先兆，一出問題就是爆裂^（1）。
　　重新認(rèn)識(shí)柔性接口得以開始，接口所承擔(dān)的任務(wù)，不僅是通常所說的：完成管節(jié)之間的連接并確保水密。應(yīng)注意的是接口還有一個(gè)重大任務(wù)，就是釋放埋設(shè)管線在運(yùn)行中所遇到的種種設(shè)計(jì)中未預(yù)見的、難以計(jì)算的外來荷載所引起的應(yīng)力，如沉降、位移、溫度變化等等因素引起的應(yīng)力。大量爆管實(shí)例的跟蹤和分析表明，絕大部分的爆管是非正常荷載作用、在管線局部構(gòu)成特定受力模式而造成的，如是柔性接口，受力模式將會(huì)改變、荷載作用有所釋放，爆裂發(fā)生條件就大大緩和，爆裂就不一定發(fā)生。在眾多水工業(yè)工作者的努力下，2002年，終于有了上面提及的法規(guī)。

3．柔性接口的共性與個(gè)性

3.1 膠圈柔性接口的共性

　　膠圈柔性接口一般都為承插口方式，在承插口的環(huán)形間隙中壓縮一個(gè)膠圈，由受壓膠圈的反彈力完成接口的密封。這種連接，允許承口管和插口管在連接處可以有軸向的相對(duì)移動(dòng)，可以有以接口為支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，它可以釋放因熱脹冷縮引起的軸向力，因不均勻沉降引起的彎曲應(yīng)力，使埋設(shè)管線具有優(yōu)秀的強(qiáng)度特性和水密特性。
3.2　 膠圈接口的個(gè)性
　　雖然都是膠圈柔性接口，但性能是有很大差別的。特別是在適應(yīng)不均勻沉降的能力這一點(diǎn)上。各個(gè)管材標(biāo)準(zhǔn)都列出了接口的允許轉(zhuǎn)動(dòng)角，但要注意的是即使列出允許轉(zhuǎn)動(dòng)角相同，實(shí)際上能力可以是不同的。因各個(gè)設(shè)計(jì)采用的富裕度是不同的，有的設(shè)計(jì)其轉(zhuǎn)動(dòng)角的允許值僅僅取用實(shí)際極限能力一半甚至更少，有很高的安全保證；但也有轉(zhuǎn)動(dòng)角允許值很接近極限能力的設(shè)計(jì)；有的設(shè)計(jì)甚至只有在標(biāo)準(zhǔn)邊界條件時(shí)才能工作，一些不利條件出現(xiàn)時(shí)就會(huì)失效。
　　各種膠圈反彈密封機(jī)制的柔性接口在口徑較小時(shí)均表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，但隨著口徑的增大, 對(duì)于不均勻沉降的適應(yīng)能力就不同，這是管線設(shè)計(jì)工程師必須注意的。

4. 膠圈接口的分類及特點(diǎn)

　　目前，膠圈接口大致可分為以下幾種：
　　1) 機(jī)械式壓緊接口(圖1)
　　這種接口上世紀(jì)30年代率先在煤氣管線上得到應(yīng)用，現(xiàn)供水事業(yè)中，在球鐵管上有一定應(yīng)用。通常稱K型接口。

　　由承口、插口、壓蓋（壓蘭圈）三者構(gòu)成一個(gè)環(huán)形填料函，膠圈置于其中；其承插口間隙不能自行產(chǎn)生膠圈壓縮反彈，是靠螺栓收緊才達(dá)到膠圈壓縮反彈的,這是與其他膠圈柔性接口的一個(gè)重大的不同點(diǎn)；它需要壓蓋和許多的螺栓,用材料多，造價(jià)較高；安裝操作雖較簡(jiǎn)便但緊固螺栓的工作量很大且有一定的技術(shù)要求；
　　口徑大時(shí)，管重、水重、復(fù)土重三者相當(dāng)大，膠圈單位面積受力非常大，大口徑時(shí)可以是小口徑的幾十倍；又一方面，水重加復(fù)土重兩者較管重大得多，管線運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)同安裝時(shí)有較大的差別；因此，這種接口的大口徑管線，通水運(yùn)行時(shí), 這些有方向性的荷載有可能會(huì)形成膠圈局部壓縮增大，這時(shí)相應(yīng)也會(huì)有部分膠圈松弛、其結(jié)果是在膠圈松弛部，內(nèi)水壓將膠圈外推，接口漏水，這已有工程實(shí)踐證實(shí)^（2）。目前，國(guó)內(nèi)球鐵管開發(fā)商對(duì)DN1600～2800范圍的產(chǎn)品，均采用這種形式接口，這可能是受技術(shù)上的制約。個(gè)人認(rèn)為，應(yīng)投入開發(fā)更有效率的接口，將能取得更好的效益。
　　2) 滾入式接口（圖2）
　　主要在混凝土壓力管上應(yīng)用。插口端放上膠圈，承口有一斜面，形成喇叭口。安裝時(shí)當(dāng)插口向承口推入，膠圈由喇叭口導(dǎo)入承插口間隙，受壓縮并在內(nèi)滾動(dòng)，由插口處的止臺(tái)擋著定位。因承插口間隙較膠圈直徑小，由受壓縮膠圈自行反彈提供水密。由于內(nèi)水壓將膠圈向承口外側(cè)推，膠圈靠近承口外端部,口徑大時(shí)，稍有沉降膠圈就易被擠出失效；圖2是這種接口的示意圖。由圖可見，插口如向外走10～20毫米，止臺(tái)就位移到喇叭口，膠圈就可能被擠出承口；對(duì)DN2000的4米長(zhǎng)管節(jié)，一端下沉2～4厘米就會(huì)出現(xiàn)這樣的位移。上海已建的DN1200混凝土壓力管線發(fā)生漏水很多，其主要原因就是膠圈被擠出；隨著對(duì)管線工程質(zhì)量的重視，混凝土壓力管的升級(jí)，其應(yīng)用越來越少
^?。?）近年，有開發(fā)商在鋼管上開發(fā)了滾入式接口，認(rèn)為滾入式接口膠圈壓縮量大，對(duì)尺寸公差及管道用借轉(zhuǎn)角時(shí)造成承插口間隙不均有利，若 按GB50332精神，這種說法顯然是不妥當(dāng)?shù)?，有不均勻沉降就?huì)造成借轉(zhuǎn)角，出現(xiàn)借轉(zhuǎn)角時(shí)主要問題是插口外移而不是承插口間隙不均，是膠圈走到喇叭口而被擠出，口徑越大，這個(gè)問題越嚴(yán)重。
　　3) 插口槽滑入式接口

　　　

　　圖3 所示接口主要在PCCP管應(yīng)用，近年，PCCP在我國(guó)，因引黃工程應(yīng)用的示范效應(yīng)，一下子就形成了幾十家生產(chǎn)廠；圖4所示接口在鋼管上應(yīng)用，是美國(guó)輸水鋼管柔口的代表作，在我國(guó)尚未有生產(chǎn)應(yīng)用。這種接口暫且稱它為O型接口。膠圈置于插口上的深槽內(nèi)，承口呈喇叭口，安裝較方便；安裝時(shí)膠圈隨深槽進(jìn)入承口深處，膠圈向外可位移距離加大，適應(yīng)不均勻沉降的能力較滾入式接口有很大的提高；接口環(huán)用鋼材制作，尺寸精度高，用斷面較小的膠圈就可達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的必要壓縮量；但因承口向外張開，在不均勻沉降與較高內(nèi)壓力作用下，膠圈也存在被擠出可能,這在我公司的PCCP管線上已有發(fā)生。因此，按標(biāo)準(zhǔn)的施工規(guī)程，這種接口要求在連接到位后，在連接處灌砂漿，保護(hù)接口鋼環(huán)和避免膠圈被擠出，所以，有報(bào)告將這種接口歸為半柔性接口^（4）。
　　據(jù)行業(yè)內(nèi)有關(guān)人員說，最近我國(guó)PCCP管標(biāo)準(zhǔn)修改時(shí)將考慮接口鋼環(huán)加長(zhǎng)，使承插口深度放大，以提高接口轉(zhuǎn)角能力，適應(yīng)較大的不均勻沉降。個(gè)人認(rèn)為，這是一種積極進(jìn)取的行為，是適合我國(guó)輸水管線建設(shè)特點(diǎn)的做法，將有助于用戶下決心應(yīng)用。
　　4)承口滑入式接口（圖5 ）
　　這是近年在球鐵管上迅速發(fā)展并采用的接口。通常將這種接口稱T型接口，現(xiàn)美國(guó)球鐵管銷售中95％以上是這種接口的球鐵管。DN300以下早在20世紀(jì)50年代就有應(yīng)用，但口徑大時(shí)有技術(shù)難度，從DN300發(fā)展到DN2000，化了二十余年時(shí)間才完成；這種接口，膠圈預(yù)置于承口內(nèi)，承口外端部同插口有很精密的配合，所以接口發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或軸向位移時(shí)，膠圈不可能被擠出承口，且內(nèi)壓有使膠圈壓縮量增大傾向；承插口間隙設(shè)計(jì)成在各種不利條件迭加下仍能保證膠圈處于受壓反彈狀態(tài)，因此對(duì)不均勻沉降和高內(nèi)壓有極好的適應(yīng)能力；這種接口只要安裝合格，運(yùn)行中難以找到使接口失效的理由，所以至今未見用這種接口的管線在運(yùn)行時(shí)發(fā)生接口漏水的報(bào)道。
　　這種接口對(duì)尺寸公差有較高要求，球鐵管插口的尺寸精度受澆注工藝制約，要達(dá)鋼材輾軋、擠壓加工那樣的精度是有一定難度的，甚至可說，是不可行的。目前，規(guī)模世界第二、中國(guó)第一的球鐵管公司，這種接口的產(chǎn)品最大口徑做到DN1400,更大口徑的產(chǎn)品還是用機(jī)械式壓緊接口，這里可能存在著二方面的問題，一是口徑大時(shí)T型接口要求的尺寸精度較K型接口高，技術(shù)上確有困難；二是對(duì)K型、T型這兩種接口認(rèn)識(shí)上有不清皙點(diǎn)。

　　T型接口雖然很優(yōu)秀，難以找出它的不足之處，但筆者已感覺到開發(fā)者當(dāng)時(shí)所承受的巨大壓力，因這在當(dāng)時(shí)是沒有先例的技術(shù)，在某些方面給以一些保守做法是很正常的。今天看來，若尊重歷史，承認(rèn)當(dāng)時(shí)含有保守因素是自然的話，那這種接口還是存在繼續(xù)向前的空間的。
　　綜合以上所說，按我的積累和取得的信息，對(duì)輸水管線接口優(yōu)劣的排列順序是T型、O型、K型，滾入式接口應(yīng)馬上升級(jí)。

5．柔性接口發(fā)展的新空間

　　球鐵管（DIP）、聚氯乙烯管（PVC管）、玻璃鋼管（GRP）、鋼管（SP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）等管材是我國(guó)城市輸水管線中得到重視和應(yīng)用的管材；其中球鐵管、玻璃鋼管、PVC管、PCCP均已發(fā)展到以柔性接口為自己的代表性接口的成品管階段；柔性接口使埋設(shè)管線具有優(yōu)秀的強(qiáng)度特性和水密特性，成為這些管材得到應(yīng)用并取得長(zhǎng)足發(fā)展的重要技術(shù)支持；目前唯有鋼管，其代表性連接方法采用的是現(xiàn)場(chǎng)溝槽中對(duì)接焊接。
　　鋼管采用溝槽中對(duì)接焊接是有其歷史原因和技術(shù)原因的；對(duì)接焊是鋼管的一種很有效的連接方法，在輸水鋼管線的建設(shè)中曾有很好的應(yīng)用；但隨著輸水管線的發(fā)展，口徑越來越大，距離越來越長(zhǎng)，管線所經(jīng)過的場(chǎng)地地質(zhì)條件也就越來越復(fù)雜，這些發(fā)展給輸水鋼管送來巨大的發(fā)展空間的同時(shí),也帶來的一項(xiàng)很厲害的負(fù)面效應(yīng),就是使溝槽對(duì)接焊接的難度大大增加，以至于陷入了不合格焊縫難以避免的困境；另一方面是近二十年來對(duì)柔性接口在埋設(shè)管線中所起的重要作用有了認(rèn)識(shí)，對(duì)柔性接口的設(shè)計(jì)、制作技術(shù)有了積累，為在鋼管上開發(fā)柔性接口提供了必要的技術(shù)支持；輸水鋼管鋼管線需要柔性接口、可以取得柔性接口的時(shí)機(jī)形成。鋼管已成為柔性接口發(fā)展的新空間，也是柔性接口尚未被開發(fā)的最大空間。
　　新世紀(jì)中，我國(guó)已成為世界第一的鋼鐵生產(chǎn)、應(yīng)用大國(guó)，以商品鋼板為主要原材料的鋼管，必將取得鋼鐵規(guī)模生產(chǎn)給以的好處，強(qiáng)大的鋼鐵工業(yè)必定要推動(dòng)鋼管發(fā)展；當(dāng)鋼管采用柔性接口，進(jìn)入成品管階段，將取得性能提高、價(jià)格更低、容易得到、容易施工等等競(jìng)爭(zhēng)力，它在輸水管材中的地位將會(huì)重現(xiàn)排定。

參考文獻(xiàn)：

　　（1）馮竟瑜 “上海市給水管網(wǎng)中鑄鐵管爆裂原因及對(duì)策研究”綜合報(bào)告　 上海市自來水公司1987
　?。?）籃世昌　 DN2600球墨鑄鐵管輸水工程簡(jiǎn)介。城鎮(zhèn)供水，1997.No6:13～18
　?。?）陳涌城 長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)總結(jié)　 全國(guó)長(zhǎng)距離輸水技術(shù)研討會(huì)論文　 1996.11長(zhǎng)沙
　?。?）何維華 于預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管(PCCP)的推廣應(yīng)用。城鎮(zhèn)供水協(xié)會(huì)管道漏損控制研討會(huì)。2001.10昆明

---

作者：沈之基，男，生于1941年，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事管道技術(shù)工作，曾主持過管線內(nèi)外防腐、陰極保護(hù)、管線強(qiáng)度特性等方面的課題研究，多次獲市、局科技成果獎(jiǎng)；近年，致力于成品鋼管理念、技術(shù)的推進(jìn)。

電話：021－63098106　 E－mail：xfz207437@sina.com