張琳瑯

(武漢華夏理工學院智能制造學院，湖北武漢 430070)

隨著我國城市化進程的加快和海綿城市建設的實施，地下管網(wǎng)建設已經(jīng)成為城市基礎建設的核心內(nèi)容之一，被譽為城市的地下生命線，地下管網(wǎng)將越來越發(fā)達，對管道連接的要求也越來越高。目前我國城市輸水管網(wǎng)建設中，管材主要有預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)等，預應力鋼筒混凝土管抗?jié)B能力較好，但是管道自重較大，很難運輸;球墨鑄鐵管具有良好的耐壓、抗氧化和腐蝕性，但是造價高，經(jīng)濟性較差［1］。21世紀以來，隨著國內(nèi)鋼鐵冶金技術的發(fā)展，鋼管產(chǎn)品性能大幅提高，輸水鋼管具有強韌性高、抗變形能力強、焊接性能好、現(xiàn)場施工方便、維修快捷等特點，在城市埋地給排水管網(wǎng)建設和大型引水工程中得到廣泛應用［2］。本文針對輸水鋼管接口，從剛性連接和柔性連接兩方面介紹輸水鋼管的主要連接方式及其應用情況，并對輸水鋼管連接技術的發(fā)展趨勢進行展望。

1 輸水鋼管剛性連接方式及應用

剛性連接是指接頭之間不存在伸縮和轉動，連貫性好，管體剛度高，主要有焊接、法蘭、螺紋和粘結等幾種連接方式。

1.1 焊接連接

焊接是鋼管最基本連接方式之一，其利用金屬分子在高溫下相互滲透并結合為一體的原理，實現(xiàn)焊件間的物理連接，包括鋼管連接焊接和鋼板節(jié)點焊接連接。目前應用最廣泛的焊接鋼管產(chǎn)品為螺旋縫雙面埋弧焊接鋼管，利用熱軋鋼卷經(jīng)螺旋加工成型后，采用自動埋弧焊工藝焊接而成。

焊接連接具有安裝簡單、接口接觸緊密、強度高等優(yōu)點，但是勞動強度大，對操作者和環(huán)境要求較高，焊縫修復困難，雖然采用焊接機器人可以提高焊件質(zhì)量和生產(chǎn)效率，但是隨著管網(wǎng)管徑越來越大，地質(zhì)條件復雜，埋地鋼管在溝槽中對焊接施工的難度大大增加，容易出現(xiàn)焊接缺陷，導致焊縫開裂、滲漏等問題［3］。

焊接連接適合于大直徑鋼管的連接，對于50 mm以上直徑的鋼管，一般采用對接;對于50 mm以下直徑的鋼管，一般采用套接。近年來，焊接鋼管在輸水工程領域的應用越來越多，主要項目見表 1［4］。

1.2 法蘭連接

法蘭連接是一種廣泛應用的鋼管連接方式，通過鋼管端部的兩個法蘭彼此相連，然后用螺栓固定，見圖1。法蘭連接有多種類型，常見的有塔接接頭法蘭、套領法蘭、焊接法蘭、螺紋法蘭等。法蘭連接的主要優(yōu)點是易于制造安裝、操作簡單、強度高，但缺點是容易腐蝕，密封性不好，維護成本較高，主要用于地面管道連接、但不能承受一定軸向位移和相對角位移的管道接口。

表1 焊接鋼管在輸水工程領域的應用實例

圖1 法蘭連接結構示意圖

20世紀70年代以來，國外率先開展法蘭連接研究，其研究成果已在煉油、輸水管道和化學工程領域得到應用。例如，在深海管道的法蘭連接技術中，美國的Sonsub公司、挪威的Acergy公司和瑞士的Allseas公司都有相關的技術和產(chǎn)品［5］。相比之下，中國對法蘭連接技術的研究相對滯后，主要用于管道容器連接和電源組件連接，而且對于大直徑管道而言，法蘭連接成本較高，這也限制了其在城市輸水領域的應用。

1.3 螺紋連接

螺紋連接顧名思義是指在鋼管兩端連接處，分別加工成螺口和螺紋，旋轉連接在一起。

由于需要加工螺紋，一般應用于小口徑(直徑在6 mm～150 mm)的自來水、煤氣等管道，管道一般采用鍍鋅鋼管，如果使用焊接接頭，鍍鋅層容易脫落，而且螺紋接頭的抗壓強度不如焊接接頭［6］。

為了提高螺紋接頭的強度，通常將厭氧粘合劑施加到連接螺紋上，抗壓強度可以增加到約30 MPa［7］。螺紋接頭的另一個缺點是螺紋的加工和安裝成本高，費時費力，這也是大型輸水工程中很少采用螺紋接口的原因。

1.4 粘結連接

粘結連接是指在鋼管兩端涂上專用的粘連劑，通過粘連劑的化學作用，將鋼管連接在一起的一種方式。因為要采用粘結，為了盡可能增加接觸面積，粘結接頭都采用套接，可進一步分為外套筒式和內(nèi)套筒式。

粘結連接方便，施工簡單，但是接頭強度受粘結劑質(zhì)量影響較大，使用壽命不長，目前很少用于輸水管道，主要采用粘結劑來修補管道和堵漏［7］。瑞士、德國和美國生產(chǎn)了一種比較適合金屬連接的粘結劑，可以用于管道連接，但是價格昂貴，經(jīng)濟性差，粘結管道技術還需要進一步研究和開發(fā)。

2 輸水鋼管柔性連接方式及應用

剛性接頭不能承受彎曲，難以抵抗軸向應力容易斷裂，因此越來越多的工程中使用柔性接頭代替剛性接頭。

柔性連接中應用最廣泛最成熟的是承插式柔性接口，是指將輸水鋼管的一端加工成承口、另一端加工成插口，并設計特殊的內(nèi)部結構，放置柔性橡膠密封圈，見圖2，圖3。橡膠密封圈是由一個或多個部件組成的套圈或墊圈，防止液體泄漏和異物侵入，通過插口與承口配合，達到連接和密封的效果。承插式柔性接口可以使鋼管從一個長徑比大、易斷裂的細長件轉變?yōu)椴蝗菀渍蹟嗟逆湢顦嫾?，能顯著減緩地質(zhì)應力使管道斷裂的問題。

圖2 兩種典型的承插式柔性接口結構

圖3 輸水鋼管承插式柔性接口實物圖

輸水鋼管承插式柔性連接具有安裝快捷、方便施工、密封可靠、抗震性好、消除地基不均勻沉降，加工成本和施工費用低等特點。2000年以來，國內(nèi)開始采用柔性接頭來擴展和成型鋼管，成功應用于廣西省貴港市廣州大觀路和廣東省新會市的DN1 200 mm～DN1 600 mm給排水工程;2005年年初上海長江引水三期DN2 400 mm也鋪設了900 m套筒式輸水鋼管［8］。承插式柔性接口在埋設管道尤其是大直徑輸水管道中的應用越來越廣泛，已成為埋設輸水鋼管建設的最優(yōu)選擇。

3 鋼管連接新技術及發(fā)展趨勢

隨著材料技術的飛速發(fā)展，新工藝新技術得到了廣泛應用，也引領了輸水鋼管連接技術的發(fā)展。

3.1 先進復合焊接技術

在地質(zhì)條件穩(wěn)定，管道應力不高的環(huán)境下，焊接連接仍有用武之地。目前先進的焊接技術比如激光—電弧復合焊接技術，整合了電弧焊接間隙適應性強，激光焊接速度快、能量密度高的優(yōu)點，包括激光—TIG焊接、激光—MIG/MAG焊接、激光—等離子焊接等方面，主要應用在石油天然氣管道和輸水管道焊接中，尤其是在中厚板管道焊接方面具有明顯優(yōu)勢［9］。

3.2 3D 打印技術

3D打印技術的快速發(fā)展，為承插口的加工成型提供了新的技術發(fā)展方向，通過3D打印制造的承插口結構，比傳統(tǒng)的輥壓成型和擴脹成型精度更高、工藝適應性更強，同時可以根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境，定制不同的承插口結構，靈活性更高。

3.3 形狀記憶合金接頭技術

形狀記憶合金接頭，連接原理是利用兩種不同合金的形狀記憶效應，在低溫液氮中，使承口管內(nèi)徑略大于插口管的外徑，組裝好后回到室溫，通過相變其內(nèi)徑恢復到略小于插口管外徑，從而形成牢固且緊密的永久接頭，一般適應8 mm～40 mm直徑的管道連接。記憶合金的價格相對較高，仍然很難在工程中得到應用。

3.4 輸水鋼管連接技術發(fā)展趨勢

隨著社會的發(fā)展以及工業(yè)化對管網(wǎng)建設的要求不斷提高，輸水鋼管連接技術獲得了良好的發(fā)展契機，從剛性接口到柔性接口、從接口結構到用料都在更新?lián)Q代。如今科技前沿的納米技術和3D打印技術在輸水管道材料領域的開發(fā)創(chuàng)新和應用為我們提供了從原子、分子的微觀程度去提高輸水鋼管連接技術的途徑。未來無論是焊接技術的創(chuàng)新或者新型材料的發(fā)展，管道連接技術會向著更經(jīng)濟、更便捷、更實用的方向飛速發(fā)展。

4 結語

目前城市管網(wǎng)工程領域中，輸水鋼管具有強韌性高、抗變形能力強、施工維修快捷等特點，得到廣泛應用，其中輸水鋼管承插式柔性接口在管道尤其是大直徑輸水管道中獨具優(yōu)勢，成為埋設輸水鋼管建設的最優(yōu)選擇。工藝和技術的進步，都會給管道連接帶來發(fā)展，利用原有管材在接口上做文章，提高管材的利用效益和工作效率，使我們盡快在輸水管材及運用技術領域占據(jù)一席之地。