城建标准 63—2008中PE管最大拖拉力公式的修正

摘 要

摘要：从设计应力出发，提出了对CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中PE管道最大拖拉力的修正公式，分析了修正公式与规程公式的异同点以及修正公式的意义，探讨了修
摘要：从设计应力出发，提出了对CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中PE管道最大拖拉力的修正公式，分析了修正公式与规程公式的异同点以及修正公式的意义，探讨了修正公式中总体设计系数的取值，指出了修正公式仍然存在的缺陷，提出了建议。
关键词：PE燃气管道；水平定向钻；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
   随着燃气用PE管非开挖水平定向钻进施工新技术的大力推广应用，在国家尚无专门针对该项技术的设计、施工及验收规范的情况下，对于该技术的研究一直持续不断。文献[1]论述了水平定向钻进技术在城镇燃气管道的应用，文献[2]介绍了空间曲线的定向钻穿越工程施工经验，文献[3]论述了水平定向钻技术在天然气管道穿越工程的应用，文献[4]讨论了燃气管道水平定向钻穿越线路设计。笔者在文献[5]中探讨了燃气用PE管水平定向钻进若干问题，同时也提出了CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》计算PE管道最大拖拉力公式存在不足之处。本文专门就此问题进行探讨。
1 规程公式的来源
按CJJ 63—2008规程6.2.7条，计算PE管道最大拖拉力的公式为：
 
式中Fmax——允许最大拖拉力，N
    de——管道公称外径，mm
    KSDR——PE管道外径与壁厚标准尺寸比，国际标准和国家标准推荐使用的有SDR11和SDR17.6两种系列
    规程对该公式的来源解释如下：为防止外拉力过大损坏管道，在美国煤气协会编写的《塑料煤气管手册》2001年版中规定：拖拉力不得大于管材屈服拉伸应力的50%；IS0/TS 10839：2000《燃气输送用聚乙烯管材和管件设计、搬运和安装规范》和EN 12007《燃气供应系统——最大压力超过16巴的管线》标准规定按下列公式计算：
    CJJ 63—2008规程采用式(2)并简化为式(1)形式。
2 问题的产生
    依据规程式(1)计算PE管道最大拖拉力Fmax时，公式表示Fmax仅与PE管道的公称外径de及标准尺寸比KSDR有关，而未能考虑PE管材的材料性能差异，同时也无法体现出设计安全系数。对由于PE管材的蠕变特性引起的最大拖拉力与拖管时间的内在关系也未能表示。因此造成设计人员在实际计算最大拖拉力时无法区别PE80、PE100等材料的不同，也无法对各种类型的管道穿越地质条件提出差异性的总体设计系数C。
    如果在规程公式的基础上能够引入与PE材料特性有关的系数和总体设计系数C进行修正完善，并进一步考虑拖管时间对最大拖拉力存在的影响，就能很好地克服该公式的不足之处。
3 公式的修正
    按GB 15558.1—2003《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第1部分：管材》3.2.4条关于设计应力的定义：设计应力σs指规定条件下的允许应力，计算公式为：
 
式中σs——设计应力，MPa
    σMRS——最小要求强度，MPa
    C——总体设计系数
PE80管材σMRS值为8.0MPa，PE100管材σMRS值为10.0MPa。按σs定义，笔者认为，PE管道所受拖拉力F，应在满足σs的要求下进行设计。
 
式中F——PE管道所受拖拉力，N
    A——管道截面积，mm2
将此式具体化，即：
 
上式经整理后得：
 
当KSDR≥11时，KSDR-1≈KSDR，修正后的公式(4)也可简化为：
 
    式(4)、(5)即为修正后计算PE管道最大拖拉力的公式。
4 公式修正的意义
4.1 两个公式的相似点
    规程的公式(1)与修正后的公式(5)有极其相似之处。实际上，规程的公式(1)即是在KSDR-1≈KSDR，C=2情况下，综合考虑了PE80和PE100两种等级管材的σMRS值(取值为9.55MPa)，按修正后的公式(5)计算所得到的结果。因此可以说规程公式与修正公式在本质上是一致的。
4.2 两个公式的差异点
    规程的公式过于简单，公式表示Fmax仅与PE管材的公称外径de及标准尺寸比KSDR有关。修正后的公式相对复杂，增加了σMRS和C两个变量，这就克服了规程公式的不足之处，可以充分体现PE管道性能及总体设计系数的差异性。
4.3 公式修正的意义
    ① 将按规程规定的公式(1)计算得到的Fmax值代入修正后的公式(4)，计算的C值见表1。
表1 按式(1)计算的Fmax值代入式(4)计算的C值
管材类型
总体设计系数C
PE80
SDR11
1.523
SDR17.6
1.580
PE100
SDR11
1.904
SDR17.6
1.975
    由表1可见，按修正后的公式推算出规程公式所取的总体设计系数C值均小于2，这不仅与GB 15558.1—2003第4.7条的要求“燃气用埋地聚乙烯管道系统的总体设计系数C应大于等于2”有矛盾，而且也反映出按规程公式计算的PE管道允许最大拖拉力值偏大，对工程实践而言存在一定风险性，因此有必要对规程公式进行修正。
    ② 规程的公式过于片面，这是其明显的缺陷。采用修正的公式以后，因为引入了σMRS和C两个变量，使得困扰设计人员的问题迎刃而解。σMRS变量能体现出不同材质的PE管材性能差异，C变量能让设计人员充分考虑不同工程条件下的设计安全系数，具有更大的灵活性。
5 对总体设计系数C取值的建议
   从修正公式可以看出，PE管道允许最大拖拉力受PE管材σMRS值的影响已由设计所选用管材确定，只需查阅有关资料即可获得，在此无需讨论。但对于修正公式中总体设计系数C的取值，则应由设计人员综合考虑工程项目中的各种条件慎重确定。经查阅相关资料，笔者建议其需考虑的因素有如下5个方面：
   ① 作为总体设计系数，对于同一个燃气工程项目而言，无论是非开挖穿越施工，还是开挖施工，建议应采用相同的C值，即C的取值应服从于整个燃气工程项目管道设计压力的要求。
   ② 应充分参考其他文献资料推荐采用的C值。国外的C值一般比国内小，以新加坡为例，C的取值范围为2.9～3.25，有些地方取2；国内关于C的取值，以2.5～3.5较妥[6]。
   ③ 按CJJ 63—2008第4.1.3条，由于考虑到我国国情及地质条件、施工方式、燃气种类等各种因素，为进一步提高安全性能，其采用的总体设计系数C值见规程条文说明表3数据。由该表可见，CJJ 63—2008对于C的取值相对较高，尤其对于输送气态液化石油气的PE管道，其C的取值高达6.0～9.6。对于在PE管穿越施工中的C值可参考该表，尤其对于输送气态液化石油气的PE管道。
   ④ 工程实践中，还应针对不同的施工条件确定不同的C值。对于施工条件比较恶劣的情况，建议应采用较大的C值。
   ⑤ 确定C值时，还应考虑施工环境温度及施工时长对管材应力的影响。
6 修正公式存在的缺陷及建议
   修正公式虽然引入了σMRS与C两个变量，设计时可以针对不同管材、不同施工或使用条件，计算出不同的PE管道最大允许拖拉力。但是由于PE管材本身还存在蠕变特性，即PE管的安全牵引载荷是与时间有关的，在短时间内作用属安全载荷，对于长时间的拉管施工未必合适。因此，从某种意义上而言，对于较长时间的拉管，PE管道最大允许拖拉力还应该是时间的函数。对于这两者之间的关系相对较为复杂，本文在此无法阐述，有待业内同行进一步予以讨论并完善。正因为我们认识到上述观点，因此笔者建议在依据修正公式计算出PE管道最大拖拉力的同时，还应查阅有关资料，核查时间因素对于拉伸应力值的影响，并取两者的较小值。一般认为，若能在24h内完成回拖任务，则时间因素对于PE管道拉伸应力的影响不大。美国塑料管协会(PPI)资料提供了燃气用HDPE管材在24h施工时间内允许的安全拖拉力(安全牵引载荷)，部分数据见表2，可供参考。
表2 HDPE管材24h安全牵引载荷
管材公称外径/mm
管材SDR值
安全牵引载荷/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
参考文献：
[1] 苏琪.水平定向钻进技术在城镇燃气管道的应用[J].煤气与热力，2011，31(2)：A39-A42.
[2] 尹祥，肖炜.空间曲线的定向钻穿越工程施工经验[J].煤气与热力，2008，28(2)：B58-B60.
[3] 尹东莉，刘丽妍.水平定向钻技术在天然气管道穿越工程的应用[J].煤气与热力，2009，29(12)：A30-A32.
[4] 杨青.燃气管道水平定向钻穿越线路设计[J].煤气与热力，2008，28(1)：B10-B12.
[5] 洪国.燃气用PE管水平定向钻进若干问题探讨[J].煤气与热力，2009，29(6)：A30-A33.
[6] 王可仁，廖复中，郑镜藩.燃气聚乙烯管道工程技术[M].上海：上海科学技术出版社，2009：64.
 
(本文作者：洪国 福州煤气规划设计院有限公司 福建福州 350011)