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過曲折道路，得到了肯定；各種柔性接口的特點、性能水平是有所不同的；綜合技術、經濟各方面因素，以球鐵管用的T型接口為最好；鋼管是柔性接口發展的新空間。
　　關鍵詞：輸水管線，輸水管道，柔性接口，滑入式接口

1．前言

　　新頒國家行業標準CJJ92-2002“城市供水管網漏損控制及評定標準”，其中4.2.4條款規定：新敷管道的接口應采用橡膠圈密封的柔性接口；國家標準GB50332-2002“給水排水工程管道結構設計規范”，其中5.0.1條款規定：對圓形管道的接口宜采用柔性連接。在條文說明中，又作了進一步的說明：給水排水工程中，各種材質的圓形管道廣泛應用，這些管道可能出現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，以適應各種不同因素產生的不均勻沉陷，并至少應該在地基土質變化處設計置柔口。以上事實表明，在我國，柔性接口在輸水管線中的地位經過曲折道路，終于得到認可，并以最高的形式，即法規固定下來了。這是我國水工業工作者近20年努力工作的成果。
　　柔性接口數十年的發展，目前已有種種形式，性能各有特點，水平有所高低，因此，在認可了柔性接口的必要后，還有必要進一步理解各種柔性接口特點，才可能貫徹好上面條款的精神。筆者長期從事供水管線技術工作，對種種柔性接口形成了一定的看法，在此拋出，愿與同行交流，以推進供水事業發展。

2．我國接口技術發展中的曲折

　　1785年，英國工程師發明了青鉛麻絲接口，使鑄鐵管線能夠承受較高內壓運行，從此用戶在自己家中打開龍頭就可取得飲用水，揭開了現代給水的序幕。現代給水事業的發展進程中，美國工程師經過以膠圈代麻絲、瀝青代青鉛的過程，到20世紀50年代，終于完善了膠圈接口，開發了“tyton”接口，現通常稱T型接口，一種構造簡單，性能優良的滑入式接口，現今這種接口已在世界范圍內成為輸水管線接口的主流。前蘇聯，在該時期則按自己所具的特定條件發展了石棉水泥接口，被歸為半柔性接口。
　　上世紀5 0年代，我國大力學習蘇聯先進經驗；由于受歷史條件的制約，又沒有能充分認識我國地質條件之多變，對石棉水泥接口的剛性表現過于熱情，忽視了接口柔性之釋放應力的重要作用，簡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來評定接口優劣，并由此走下去，以至發展到采用剛性特強的膨脹水泥接口。在相當時期內，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，大量應用，這種做法事實上成為我國各城市供水系統中鑄鐵管到處爆裂的主要原因之一，但水泥接口的這個壞作用又卻好被強度低、質地又極脆、極易爆裂的連續澆注鑄鐵管的表現所掩蓋。
　　上世紀80年代，上海DN1500鑄鐵輸水管線多次爆裂，一次爆裂受害戶達幾千戶，后果嚴重。86年上海市政府責成上海市自來水公司立項專題研究，于是“鑄鐵管爆裂原因及對策研究”作為市重大科研項目展開，終于揭開了鑄鐵管大量爆裂的又一個主要原因是：石棉水泥接口、膨脹水泥接口的應用。水泥接口剛性極大，將連接的兩根管子牢固地結合成一體，不能釋放不均勻沉降引起的彎曲應力、溫度變化引起的拉伸應力;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有所滑動，也不會有漏水先兆，一出問題就是爆裂^（1）。
　　重新認識柔性接口得以開始，接口所承擔的任務，不僅是通常所說的：完成管節之間的連接并確保水密。應注意的是接口還有一個重大任務，就是釋放埋設管線在運行中所遇到的種種設計中未預見的、難以計算的外來荷載所引起的應力，如沉降、位移、溫度變化等等因素引起的應力。大量爆管實例的跟蹤和分析表明，絕大部分的爆管是非正常荷載作用、在管線局部構成特定受力模式而造成的，如是柔性接口，受力模式將會改變、荷載作用有所釋放，爆裂發生條件就大大緩和，爆裂就不一定發生。在眾多水工業工作者的努力下，2002年，終于有了上面提及的法規。

3．柔性接口的共性與個性

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，在承插口的環形間隙中壓縮一個膠圈，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移動，可以有以接口為支點的轉動，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力，使埋設管線具有優秀的強度特性和水密特性。
3.2　 膠圈接口的個性
　　雖然都是膠圈柔性接口，但性能是有很大差別的。特別是在適應不均勻沉降的能力這一點上。各個管材標準都列出了接口的允許轉動角，但要注意的是即使列出允許轉動角相同，實際上能力可以是不同的。因各個設計采用的富裕度是不同的，有的設計其轉動角的允許值僅僅取用實際極限能力一半甚至更少，有很高的安全保證；但也有轉動角允許值很接近極限能力的設計；有的設計甚至只有在標準邊界條件時才能工作，一些不利條件出現時就會失效。
　　各種膠圈反彈密封機制的柔性接口在口徑較小時均表現出優越的性能，但隨著口徑的增大, 對于不均勻沉降的適應能力就不同，這是管線設計工程師必須注意的。

4. 膠圈接口的分類及特點

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

　　由承口、插口、壓蓋（壓蘭圈）三者構成一個環形填料函，膠圈置于其中；其承插口間隙不能自行產生膠圈壓縮反彈，是靠螺栓收緊才達到膠圈壓縮反彈的,這是與其他膠圈柔性接口的一個重大的不同點；它需要壓蓋和許多的螺栓,用材料多，造價較高；安裝操作雖較簡便但緊固螺栓的工作量很大且有一定的技術要求；
　　口徑大時，管重、水重、復土重三者相當大，膠圈單位面積受力非常大，大口徑時可以是小口徑的幾十倍；又一方面，水重加復土重兩者較管重大得多，管線運行時的狀態同安裝時有較大的差別；因此，這種接口的大口徑管線，通水運行時, 這些有方向性的荷載有可能會形成膠圈局部壓縮增大，這時相應也會有部分膠圈松弛、其結果是在膠圈松弛部，內水壓將膠圈外推，接口漏水，這已有工程實踐證實^（2）。目前，國內球鐵管開發商對DN1600～2800范圍的產品，均采用這種形式接口，這可能是受技術上的制約。個人認為，應投入開發更有效率的接口，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用。插口端放上膠圈，承口有一斜面，形成喇叭口。安裝時當插口向承口推入，膠圈由喇叭口導入承插口間隙，受壓縮并在內滾動，由插口處的止臺擋著定位。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。由于內水壓將膠圈向承口外側推，膠圈靠近承口外端部,口徑大時，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，止臺就位移到喇叭口，膠圈就可能被擠出承口；對DN2000的4米長管節，一端下沉2～4厘米就會出現這樣的位移。上海已建的DN1200混凝土壓力管線發生漏水很多，其主要原因就是膠圈被擠出；隨著對管線工程質量的重視，混凝土壓力管的升級，其應用越來越少
^（3）近年，有開發商在鋼管上開發了滾入式接口，認為滾入式接口膠圈壓縮量大，對尺寸公差及管道用借轉角時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的，有不均勻沉降就會造成借轉角，出現借轉角時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，這個問題越嚴重。
　　3) 插口槽滑入式接口

　　　

　　圖3 所示接口主要在PCCP管應用，近年，PCCP在我國，因引黃工程應用的示范效應，一下子就形成了幾十家生產廠；圖4所示接口在鋼管上應用，是美國輸水鋼管柔口的代表作，在我國尚未有生產應用。這種接口暫且稱它為O型接口。膠圈置于插口上的深槽內，承口呈喇叭口，安裝較方便；安裝時膠圈隨深槽進入承口深處，膠圈向外可位移距離加大，適應不均勻沉降的能力較滾入式接口有很大的提高；接口環用鋼材制作，尺寸精度高，用斷面較小的膠圈就可達到設計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管線上已有發生。因此，按標準的施工規程，這種接口要求在連接到位后，在連接處灌砂漿，保護接口鋼環和避免膠圈被擠出，所以，有報告將這種接口歸為半柔性接口^（4）。
　　據行業內有關人員說，最近我國PCCP管標準修改時將考慮接口鋼環加長，使承插口深度放大，以提高接口轉角能力，適應較大的不均勻沉降。個人認為，這是一種積極進取的行為，是適合我國輸水管線建設特點的做法，將有助于用戶下決心應用。
　　4)承口滑入式接口（圖5 ）
　　這是近年在球鐵管上迅速發展并采用的接口。通常將這種接口稱T型接口，現美國球鐵管銷售中95％以上是這種接口的球鐵管。DN300以下早在20世紀50年代就有應用，但口徑大時有技術難度，從DN300發展到DN2000，化了二十余年時間才完成；這種接口，膠圈預置于承口內，承口外端部同插口有很精密的配合，所以接口發生轉動或軸向位移時，膠圈不可能被擠出承口，且內壓有使膠圈壓縮量增大傾向；承插口間隙設計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，因此對不均勻沉降和高內壓有極好的適應能力；這種接口只要安裝合格，運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行時發生接口漏水的報道。
　　這種接口對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，規模世界第二、中國第一的球鐵管公司，這種接口的產品最大口徑做到DN1400,更大口徑的產品還是用機械式壓緊接口，這里可能存在著二方面的問題，一是口徑大時T型接口要求的尺寸精度較K型接口高，技術上確有困難；二是對K型、T型這兩種接口認識上有不清皙點。

　　T型接口雖然很優秀，難以找出它的不足之處，但筆者已感覺到開發者當時所承受的巨大壓力，因這在當時是沒有先例的技術，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，承認當時含有保守因素是自然的話，那這種接口還是存在繼續向前的空間的。
　　綜合以上所說，按我的積累和取得的信息，對輸水管線接口優劣的排列順序是T型、O型、K型，滾入式接口應馬上升級。

5．柔性接口發展的新空間

　　球鐵管（DIP）、聚氯乙烯管（PVC管）、玻璃鋼管（GRP）、鋼管（SP）、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）等管材是我國城市輸水管線中得到重視和應用的管材；其中球鐵管、玻璃鋼管、PVC管、PCCP均已發展到以柔性接口為自己的代表性接口的成品管階段；柔性接口使埋設管線具有優秀的強度特性和水密特性，成為這些管材得到應用并取得長足發展的重要技術支持；目前唯有鋼管，其代表性連接方法采用的是現場溝槽中對接焊接。
　　鋼管采用溝槽中對接焊接是有其歷史原因和技術原因的；對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中曾有很好的應用；但隨著輸水管線的發展，口徑越來越大，距離越來越長，管線所經過的場地地質條件也就越來越復雜，這些發展給輸水鋼管送來巨大的發展空間的同時,也帶來的一項很厲害的負面效應,就是使溝槽對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柔性接口在埋設管線中所起的重要作用有了認識，對柔性接口的設計、制作技術有了積累，為在鋼管上開發柔性接口提供了必要的技術支持；輸水鋼管鋼管線需要柔性接口、可以取得柔性接口的時機形成。鋼管已成為柔性接口發展的新空間，也是柔性接口尚未被開發的最大空間。
　　新世紀中，我國已成為世界第一的鋼鐵生產、應用大國，以商品鋼板為主要原材料的鋼管，必將取得鋼鐵規模生產給以的好處，強大的鋼鐵工業必定要推動鋼管發展；當鋼管采用柔性接口，進入成品管階段，將取得性能提高、價格更低、容易得到、容易施工等等競爭力，它在輸水管材中的地位將會重現排定。

參考文獻：

　　（1）馮竟瑜 “上海市給水管網中鑄鐵管爆裂原因及對策研究”綜合報告　 上海市自來水公司1987
　　（2）籃世昌　 DN2600球墨鑄鐵管輸水工程簡介。城鎮供水，1997.No6:13～18
　　（3）陳涌城 長距離輸水工程設計總結　 全國長距離輸水技術研討會論文　 1996.11長沙
　　（4）何維華 于預應力鋼筒砼管(PCCP)的推廣應用。城鎮供水協會管道漏損控制研討會。2001.10昆明

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作者：沈之基，男，生于1941年，高級工程師，長期從事管道技術工作，曾主持過管線內外防腐、陰極保護、管線強度特性等方面的課題研究，多次獲市、局科技成果獎；近年，致力于成品鋼管理念、技術的推進。

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