城鎮埋地聚乙烯燃氣管道安全埋深分析

陳碧濤， 張 玉， 危 唯

(佛山市華禪能燃氣設計有限公司，廣東佛山528000)

1 概述

聚乙烯燃氣管道具有經濟性好、壽命長、施工方便等優點，近年來在城鎮中低壓燃氣管網建設中得到了大量應用。相關設計施工規范對聚乙烯埋地管道的埋深作了相應規定，除機動車不能到達的場所埋深要求比鋼管略深外，其余場合與鋼管一致，并未要求對管道進行環向穩定性和豎向變形的校核，部分燃氣從業者對其承受大載荷時的安全性產生疑慮。為此，筆者參考GB 50332—2002《給水排水工程管道結構設計規范》對常用聚乙烯燃氣管道進行了環向穩定性和豎向變形的校核計算，以求證聚乙烯埋地管道的安全埋深和相關注意事項。

2 埋地管道受力情況

埋地聚乙烯燃氣管道在土壤中的受力見圖1，管道直接受力為管道上方的土壤載荷和地面車輛或行人等的活動載荷(統稱為管頂載荷)，同時管底土壤在管道受到上方載荷(不考慮管道自重)的情況下產生同等大小的支撐反力(稱為管底支撐反力)，使管道保持在相對固定的位置。由于聚乙烯管道是柔性管道，在垂直載荷的作用下有變形的趨勢，管道兩側土壤產生阻止管道變形的壓力，壓力與管側土的密實度有關。

圖1 埋地聚乙烯燃氣管道在土壤中的受力

3 管壁環向穩定性校核要求

環向穩定性是指埋地管道在管頂載荷等作用下不發生局部屈曲現象的校核計算。埋地管道屈曲現象見圖2。

圖2 埋地管道屈曲現象

由于城鎮埋地聚乙烯燃氣管道管徑較小，城鎮燃氣相關設計施工規范及聚乙烯燃氣管道相關規程并未對環向穩定性校核作出相關要求。GB 50332—2002第4.2.11條規定，對埋設在地下的柔性管道，應根據各項作用的不利組合，計算管壁截面的環向穩定性。計算時各項作用均應取標準值，并應滿足環向穩定性抗力系數不低于2.0。GB 50332—2002第4.2.12條規定，埋地柔性管道的管壁截面環向穩定性計算應符合以下要求：

pcv,k≥pr

(1)

(2)

(3)

式中pcv,k——管壁截面失穩的臨界壓力標準值，MPa

pr——管壁截面失穩的臨界壓力參考值，MPa

Ks——管壁截面的穩定性抗力系數，對于聚乙烯管Ks≥2 ，本文按Ks=2計算

psv,k——管頂豎向土壓力標準值，N/mm

D0——管道計算直徑，取管壁中線的距離，mm

pvk——地面車輛載荷傳遞到管頂豎向壓力標準值，MPa

pv——管內真空壓力標準值，MPa，一般取0.05 MPa

Ep——管材長期彈性模量，MPa，PE100管材壽命50 a時約為230 MPa

n——管壁失穩時的折縐波數，一般取2

νp——管材泊松比，聚乙烯管材取0.4

δ——管道壁厚，mm

Ed——管側土綜合變形模量，MPa

νs——管道兩側胸腔回填土的泊松比，本文取0.2

δ取GB15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》規定的壁厚，見表1。

表1 管道壁厚取值

① 管頂豎向土壓力標準值

參考GB 50332—2002附錄B，聚乙烯埋地管道管頂豎向土壓力標準值計算公式為：

psv,k=γshsD1

(4)

式中γs——回填土容重，N/mm3，一般取1.8×10-5N/mm3

hs——管頂至設計地面的覆土高度，mm

D1——管道公稱外徑，mm

② 地面車輛載荷傳遞到管頂豎向壓力標準值

根據GB 50332—2002附錄C，地面車輛載荷(單個輪壓)傳遞到管頂豎向壓力標準值計算公式為：

(5)

式中μd——與埋深有關的動力系數，取值見表2

Fi——車輛的第i個車輪承擔的單個輪壓標準值，N

li——第i個車輪的著地分布長度，mm

h——自車行地面至管頂的深度，mm

bi——第i個車輪的著地分布寬度，mm

表2 μd取值

4 管道豎向變形校核要求

埋地管道豎向變形是指管道在管頂豎向土壓力、車輛載荷或堆積載荷作用下的變形，見圖3。圖3中，管道豎向變形為Db與Da之差。

圖3 埋地管道豎向變形

參考GB 50332—2002第4.3.8條，聚乙烯管道最大豎向變形計算公式為：

(6)

(7)

式中 ΔD——埋地聚乙烯管道最大豎向變形，mm

f——變形滯后效應系數，可取1.0～1.5，本文取1.5

Kd——管道變形系數，本文取0.109

r0——管道計算半徑，mm，為0.5D0

φq——地面載荷對地下管道影響的準永久值系數，取0.5

Ip——管道縱向單位長度慣性矩，mm4/mm

依據GB 50332—2002第4.3.2條，化學建材管道(包含PE管)在組合作用下最大豎向變形不應超過0.05D0。

5 埋地聚乙烯燃氣管道校核計算

5.1 計算參數選取

① 地面車輛載荷

地面車輛載荷受車輛類型、載重影響，不確定性較大。為確保燃氣管道安全，考慮極端情況，按道路施工或改造期間重型壓路機碾壓考慮，本文以重型壓路機工作時單個輪子(振動輪)傳遞到管頂的壓力進行計算。參考某品牌25 t單鋼輪壓路機，其前輪(振動輪)單個輪壓標準值160 kN，前輪著地分布長度為2.15 m，著地分布寬度按0.1 m計算。

② 管材管徑和壁厚

由GB 15558.1—2015可知：燃氣聚乙烯管材有PE80和PE100兩種混配料，公稱外徑為16～630 mm，有SDR11、SDR17兩個常規系列。本文按目前城市燃氣使用較多的PE100管材，公稱外徑為90、110、160、200、315 mm，在不同SDR下進行計算分析。

③ 管頂埋深

CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》第4.3.3條規定，聚乙烯燃氣管道埋設在非機動車道(含人行道)下，管頂埋深不應小于0.6 m，埋設在機動車道下時管頂埋深不應小于0.9 m。在實際工程中常有不能滿足以上埋深要求的情況，因此本文分別按管頂埋深0.3、0.6、0.9 m進行計算分析。

④ 回填土密實度

由CJJ 63—2018第6.4.5條可知：溝槽回填材料密實度(以下簡稱密實度)應大于等于90%(局部大于等于95%)，考慮到實際施工中密實度較難控制，分別按85%、90%進行計算分析。

⑤ 管側土綜合變形模量

根據GB 50332—2002附錄A，管側土綜合變形模量Ed計算公式為：

Ed=ξEe

(8)

(9)

式中ξ——綜合修正系數

Ee——管側回填土在要求壓實密度時變形模量，MPa，本文按砂粒含量大于25%的粘性土考慮，密實度為85%時，Ee=1 MPa；密實度為90%時，Ee=3 MPa

a1、a2——與管中心處槽寬br和公稱外徑D1的比值有關的計算參數

En——基槽兩側原狀土的變形模量，MPa，本文原狀土按砂粒含量大于25%粘性土、貫入錘擊數N>50選用，En=10 MPa

依據CJJ 63—2018第6.2.4條，溝底寬度為D1+0.3 m，本文考慮管頂埋深均不大于0.9 m，因此管溝不設邊坡，即br=D1+0.3。參考GB 50332 —2002表A.0.2-2，用內插法計算，并由此依據式(8)、(9)計算得到ξ和Ed，見表3。

表3 管側土綜合變形模量Ed計算結果

5.2 計算結果

采用公式(2)～(9)對回填土密實度為85%、90%時，公稱外徑分別為90、110、160、200、315 mm的SDR11和SDR17系列PE100管道進行計算，結果見表4～15。

表4 管頂埋深0.3 m時校核計算結果

表5 管頂埋深0.6 m時校核計算結果

表6 管頂埋深0.9 m時校核計算結果

① 密實度85%，SDR17系列管材

從表4～6可以看出，在密實度(85%)不達標的情況下，如果采用SDR17系列(管壁較薄)管材，管頂埋深為0.3 m時，各種規格管道最大豎向變形均大于0.05D0，不滿足要求。且公稱外徑90、110、160、200 mm管道失穩的臨界壓力標準值不滿足式(1)要求，有管壁環向失穩風險。管頂埋深為0.6 m時，各種規格管道失穩的臨界壓力標準值均滿足式(1)要求，無管壁環向失穩風險，但公稱外徑90、110 mm管道的最大豎向變形大于0.05D0，不滿足要求。管頂埋深為0.9 m時，所有規格管道的失穩的臨界壓力標準值和最大豎向變形均滿足要求。因此，在密實度不達標且使用SDR17系列管材時，應加大管道埋深。

表7 管頂埋深0.3 m時校核計算結果

表8 管頂埋深0.6 m時校核計算結果

表9 管頂埋深0.9 m時校核計算結果

② 密實度85%，SDR11系列管材

從表7～9可以看出，在密實度(85%)不達標的情況下，如果采用SDR11系列(管壁較厚)管材，各種規格管道在不同管頂埋深情況下失穩的臨界壓力標準值均滿足式(1)要求，無管壁環向失穩風險；管頂埋深為0.3 m時，公稱外徑90、110 mm管道最大豎向變形大于0.05D0，不滿足要求。對比表4可知，增大管材壁厚，可降低管道管壁環向失穩風險和減小最大豎向變形。

表10 管頂埋深0.3 m時校核計算結果

表11 管頂埋深0.6 m時校核計算結果

表12 管頂埋深0.9 m時校核計算結果

③ 密實度90%，SDR17系列管材

從表10～12可以看出，在密實度(90%)達標的情況下，如果采用SDR17系列管材，各種規格管道在不同管頂埋深情況下失穩的臨界壓力標準值均滿足式(1)要求，無管壁環向失穩風險；埋深為0.3 m時，公稱外徑90 mm管道的最大豎向變形已經達到0.05D0。

表13 管頂埋深0.3 m時校核計算結果

表14 管頂埋深0.6 m時校核計算結果

表15 管頂埋深0.9 m時校核計算結果

④ 密實度90%，SDR11系列管材

從表13～15可以看出，在密實度(90%)達標的情況下，如果采用SDR11系列管材，各種規格管道在不同管頂埋深情況下失穩的臨界壓力標準值均滿足式(1)要求，無管壁環向失穩風險，且最大豎向變形均滿足不超過0.05D0的要求。

6 結論

① 在管頂埋深和回填土密實度達到規范要求的情況下(即管頂埋深≥0.6 m，密實度≥90%)，不同規格聚乙烯燃氣管道管壁環向穩定性和最大豎向變形均能滿足要求；當管頂埋深或回填土密實度不達標時，部分規格管道管壁環向穩定性或最大豎向變形不符合規范要求。

② 當受現場條件限制不能滿足埋深要求時，應當進行管壁環向穩定性和最大豎向變形計算，必要時采取增大管材壁厚或增大回填土密實度的措施，確保燃氣管道敷設安全。