重力流塑料管道接头质量控制试验

墨西哥国立自治大学 David Becerril García，Jacinto Cortés-Pérez

加拿大女王大学 Ian D. Moore

摘要：由于接头的失效可能会影响管道系统的整体结构或使用，从而减少管道系统的使用寿命，因此重力流埋地管道中接头的性能非常重要。为验证接头是否具有必要的结构性和耐泄漏性，人们制定了相关测试标准用于评估管材接头的连接性能。但这些标准并未明确规定试验方法和试验条件，并且对接头的实际情况也未进行评估。本文讨论了UNE-EN-1277和ASTM D3212标准规定的弹性密封重力流塑料管道接头密封性测试方法和条件。上述标准的选择参考了墨西哥标准NMX-E-205。本文讨论重点是对欧洲和美国两种标准下的测试条件进行比较，探究两种标准的测试程序及方法。此外，将各标准中的试验条件与大型实验室埋地管材的实际观测结果进行比较，并结合分析方法对已连接管道承受荷载时的要求进行了计算。最后，本文提出了用于评估塑料管材接头结构和液压性能的另一种试验方法和设备，当使用该标准规定的试验方法和试验设备进行试验时，试验设备对接头的要求与在内外压力试验下对埋地管材接头的要求一致。

关键词：接头；密封性；塑料管材；重力流；试验方法

1 引言

埋地管道中的接头是保证系统整体性能的关键组成部分，因为连接失效会造成渗透或渗出，这可能会导致埋地管道系统的结构性或使用性受到限制。2005年Vipulanandan和Liu 提出，接头的泄漏会导致土壤侵蚀，这可能会导致沉降或损坏周围的路面和管道整体结构。为了验证接头是否具有必要的结构性和耐泄漏性，人们制定了相关的试验标准用于评估重力流管道接头的性能。这些标准规定的试验方法根据接头和管材的类型而有所不同。此外，这些标准中规定的试验条件尚不清楚，并且对接头的实际适用情况也未进行评估。塑料管材是北美重力流应用中常用的管材之一，通常采用的是塑料波纹管。2012年，Moore等人对美国各地的交通运输部门进行了一项调查，结果表明弹性密封圈承插接头是塑料管道中最常见的连接方式。因为管道和接头的类型影响着整个系统的性能，因此十分重要。

为了了解和确认表面荷载对重力流埋地管道接头的影响，国家高速公路合作研究组织（NCHRP）资助了一项名为“管路接头结构设计”（鉴定为NCHRP 15-38）的研究项目，在此期间检测了北美不同管道中最常见接头的性能。检测发现，发生在热塑性管材接头处剪切力、直径变化和小的角偏差会使安装和施工过程中的要求提高，并受接头的荷载位置、安装位置和埋地深度影响。本研究的其他内容是由Becerril García和Moore在2013年提供的，该项目实施期间收集的数据采用Wang和Moore在2014年提出的梁-弹簧分析方法，采用简化的设计方程，估计柔性管道中各接头具体需求的量级。Wang和Moore还进行了一项参数研究，结果表明，由于静荷载和动载荷存在，接头处预计会有大的剪切力和小的转动。

本文讨论了欧洲标准UNE-EN-1277和美国ASTM D3212规定的试验方法和条件，该标准用于评价测试塑料管材连接用弹性密封圈的具体方法和条件，以及其在非压力重力流中的应用。自墨西哥标准NMX-E-205规定了基于此标准的两种试验方法以来，对所要讨论的标准提供了选择的依据。本文引用了这些标准，并对标准定义的方法和条件进行比较和讨论，对三个标准进行了总结。另外，本文还对比了大型实验室试验埋地管材的实际观测结果，运用上述简化设计方程时所需要的条件。在讨论中还提到了“管道接头水密性试验方法”，该试验方法是NCHRP 20-07任务347项目的一部分。最后，本文提出了用于评估重力流塑料管材接头密封性的另一种试验方法和设备。

2 标准摘要

2.1 欧洲标准UNE-EN-1277

欧洲标准EN 1277的题目为“塑料管道系统 埋地无压力热塑性管道系统 弹性密封圈接头密封性试验方法”。标准定义的四个试验条件是：直线对准、径向变形（椭圆）、轴向偏差（旋转）以及后两者的组合。轴向偏差是指将接头2°、1.5°或1°（根据管材的直径）旋转到制造商规定的角度附近。径向压扁试验包括对接头的承插管两端发生形变，分别为其外径的5%和10%。为了检查接头的密封性，上述四个条件都必须在-30kPa的局部真空和两级内部流体静压（5和55kPa）下进行，且要保证接头不泄漏。试验顺序是首先让接头满足所需的试验条件，然后对接头施加压力。真空和静液压必须分别在23±5℃和19±9℃的温度下进行测试。

试验规定的试验设备必须能够适用上述四种试验条件和压力，在整个试验期间管材保持所需的位置不变，并且必须能够抵抗由水体产生的力与静液压试验相关的试验压力；用于密封样品端部的元件不应在正压力下对接头施加轴向力。标准中包含允许角偏差和直径变形的试验设备，示例见图1。机械或液压元件可以使接头部件产生直径变形，试验中可以使用椭圆形的载荷板。该标准还表明，如果异型壁管的高度在承载区发生预期变形，则应使用改进的载荷板。图1中也指出了接头部件的管材长度，轴向偏差以及试验压力的位置。

图1 UNE-EN-1277的试验仪器示例

2.2 美国标准ASTM D3212

美国标准（ASTM D3212）的题目名为“使用弹性橡胶密封件的排水管道和下水道塑料管道接头的标准规范”。该标准包含压力小于74kPa的重力流接头（用机械顶进）。试样应由一根承口管和一根直管组成（如图2所示），该标准中只指定了插口端的长度。研究表明，试样的端部必须使用溶剂型粘合剂或机械密封装置进行密封。标准规定的三个试验条件是直线对准、最大轴向偏差和剪切试验。标准表明，最大轴向偏差由制造商定义，而剪切试验必须使用图2所示的试验夹具进行，该试验夹具将荷载施加到接头的插口端，直到荷载杆向下移动管道外径5%位置。标准中所述的三个条件均应在-74kPa的部分真空和74kPa的内静液压力下进行试验。试验方法的顺序尚不清楚，因为该标准中表示对试样先施加试验条件后进行压力和真空试验，而在真空试验的说明中，表明首先施加真空然后对接头施加试验条件。该标准规定任何顺序进行真空和压力试验都是可以的。该标准还表示对于内压力试验，应在试验设备中提供外部约束，以防止接头分离。

图2 ASTM D3212的试样和剪切挠度试验

2.3 墨西哥标准NMX-E-205-CNCP-2011

墨西哥标准（NMX-E-205-CNCP-2011）题目为“塑料管材与弹性密封圈的联合密封性试验方法”。标准定义了的三个试验条件：直线对准、竖向变形和轴向偏差。标准定义了两种方法对这些条件进行测试：第一种方法适用于英制系列管道，该方法基于ASTM D3212标准，并进行了一些修改（轴向偏差测试表是由UNE-EN-1277标准定义的，其他不同之处在于真空压力为-60kPa）。第二种方法基于UNE-EN-1277，并进行了一些修改（仅指出了直线对准、轴向偏差和直径变形条件，此外还包括在室温条件下进行试验）。该标准的两种方法都表明，接头的轴向偏差可用三角法间接测量。同时，该标准表明，试验地点的海拔高度将影响试验结果。

3 讨论

UNE-EN-1277和ASTM D3212标准定义了在直线对准和轴向偏差条件下检查接头的试验条件，但两个标准规定的第三个试验条件却不相同。欧洲标准的第三个试验条件是对接头的承插管施加不同的竖向变形百分比，而美国标准的第三个试验条件是接头受椭圆状形变，接头处的剪切力和旋转的控制。欧洲标准的四个条件，其中轴向偏差和直径变形试验的组合是必须的。两个标准都采用真空和静液压来检查接头的密封性，但是美国标准规定的压力值更大。两个标准都讨论了试验试样的端部限制，以避免正内压对接头的影响，但都没有提及真空试验的限制，当轴向压缩发生在接头上时可能会影响接头的性能。两个标准定义了试验设备的特点，并且包括了如何执行一些试验的原理图。然而两个标准都没有规定如何旋转接头，因此这可能会导致不正确的试验操作。在NCHRP Project 20-07任务347中进行HDPE接头试验中，观察到接头分离的发生，分析原因是由于内部压力的增加和管道长度的减小，归咎于直接作用于衬垫上的压力而导致的局部弯曲。这种现象仍在研究中，但是通过穿孔衬套进行试验时，当内部压力作用在衬套的两侧，并未发现该现象的出现。

如上所述，大型实验室试验表明，塑料埋地管材接头关键因素是剪切力、转动和径向变形。此外，采用简化设计方程的参数研究表明，在安装不当等情况下，在接头处会产生大的剪切力和小的角偏差。Balkaya等人在2012年提出，当评估接头的性能时，应考虑安装不当的情况，而Buco等人在2006年提出，安装、车床和装载条件一般是不统一的，这就对交叉接头有了相应的要求。因此，在评估接头性能时，这些潜在的要求，特别是接头上的剪切力，应当被着重测试。尽管ASTM标准对接头施加未知量的剪切力，但是UNE-EN-1277标准没有测试接头的剪切力。在NCHRP Project 20-07任务347中进行HDPE接头试验，接头受到剪切力的影响直至发生管道的泄漏，测量发现此时剪切力的大小与Wang和Moore等人在2014年提出的相似接头的剪切力相同。对于NCHRP项目，开发了一种能够对接头施加剪切力、旋转力、以及使试样形成椭圆状形变的力和这些条件组合的实验设备，如图3所示。对于NCHRP项目而言，试验的结果和描述将在目前正在编写的技术文件中呈现出来。

图3 作为NCHRP 20-07项目任务347的一部分开发的具有HDPE管线的接头试验设备

在NCHRP项目15-38进行的试验中，观察到热塑性管材接头的径向形变是由土壤静载荷和动载荷引起的。欧洲和美国标准在试验中都考虑了这个条件，但检查的范围似乎不具备实际意义。欧洲标准分别规定了承插管的5%和10%的径向变形，但这种形变情况只是在浅埋地的接头上施加一个动荷载，并且加上静荷载时才有可能出现。美国标准中规定了仅适用于接头插口端5%的径向形变，这种形变仅在浅埋接头的插口端上方施以动荷载才有可能出现。然而，这些标准规定的直径变化量似乎都是不切实际的，因为在NCHRP项目15-38中所检测的热塑性管材接头的动载荷明显高于工作载荷（见Becerril García和Moore 2013 ）。作为NCHRP 20-07项目 347的一部分，其中一项测试包括将5%的径向形变施加于接头，然后在管道系统受到内部静液压的同时施加剪切力。观察到径向形变降低了接头保持水密性的剪切能力。

如上所述，在简化的接头设计方程参数研究中仅计算小的旋转角度；在NCHRP项目15-38的试验中，在承受动荷载的埋地热塑性管材接头处观察到类似的较小旋转。然而，评估接头旋转的影响很重要，因为不当的安装和施工可能会导致接头旋转。本文讨论的欧洲和美国标准定义了检查接头旋转的测试方法，但没有说明如何旋转接头。通过研究经验可知，接头旋转可通过将试验管材的一端提高或通过旋转管材来实现，这导致沿着试验管材的弯曲，而不仅仅是通过接头的旋转，因为塑料管材通常具有较低的纵向弯曲刚度。如果在升高的端部测量角度（如图1中的UNE-EN-1277所示），或者使用三角法估算（按照墨西哥标准推荐），将对接头施加不当的旋转角度。此外，由于接头可能会发生的径向形变，所以埋地塑料管材中的接头不会保持在直线对准的状态中。因此，接头的密封性不需要进行检查。

尽管标准讨论的接头被用于重力流应用，如涵洞、雨水渠和卫生下水道，但预计在某些情况下内外部压力均有可能发生。例如，如果管道处于满荷载运转或发生堵塞时，将会产生内部压力。外部压力是由地下水引起的，因为重力流管道通常埋在地表附近，所以外部压力可能很低。作者认为，管道堵塞被清除后也可能产生内部真空，但是，这种情况出现的可能性不大。此外，作为NCHRP Project 20-07任务347部分进行的试验表明，使用外部空气压力（即内部真空）来检查接头的泄漏能力可能具有误导性，因为当空气和水都存在的情况下，不同的压力会导致HDPE接头的泄漏。此外，试验还表明，当承受的外部压力大于内部压力时，接头不太可能发生泄漏。此外，真空试验对温度变化和大气压力也很敏感。基于这些观点，当内部真空和外部压力在预期值时，应该使用内部真空来检查接头的密封性。在内部静液压试验方面，作者认为，欧洲标准所规定的压力大小比美国标准规定的更符合要求。

欧洲标准的说明中提到，封闭管道可减少静液压试验的水量。作者认为，应鼓励采用此方法来测试塑料管材接头，因为这种方法可大大减少大直径管道测试所用的水流量。水流量的减少可以降低试验设备的承载能力，测试时间也会相应下降，因为水流量的下降使其填充和排空所需的时间缩短。此外，水的附加重量会使管道和接头变形，但在土壤的作用下，管道在埋没时不会发生变形。FESAragón开发并建立的压力系统原型是由内部管道组成，其端部带有法兰和密封件，该系统的示意图如图4所示。该系统的其他部分将在XII SOMIM会议的文件中说明。这个系统的优点是水的体积少，并且由于施加内部压力作用而产生的轴向力也减小了。最后，管材接头的标准应该考虑塑料管材及其密封件表现出的对时间的依赖性。对于上述NCHRP 20-07项目，对HDPE接头进行了长期的试验，该试验对接头施加剪切位移，代表产生泄漏的短期剪切力的90%。试验施加的剪切位移持续72h，管道受到内部压力，在整个试验期间没有观察到接头发生泄漏。但是，用于评估长期试验对接头密封性影响的试验条件还未确认。

4 建议

基于前面的讨论，建议在以下三种条件下对重力流塑料管材中接头进行检查：

（1）轴向角偏差和剪切力；

（2）径向变形和剪切力；

（3）轴向偏差与接头的直径偏差和剪切力。

在不当安装的案例中，旋转角度应为制造商规定的最大值（或UNE-EN-1277中指定的最大值）加上由Wang和Moore在2014年制定的设计方案中计算得出的角度。垂直直径减少外径的5%应直接施加在吊环上垫圈上。剪应力的大小应通过Wang和Moore制定的用于不当安装案例的方程来计算。对于第三种测试方法，只应将角偏差的一半和直径变形的一半应用于接头上。上述三种测试方法均应在50kPa的内部静液压下进行检测，试验时间持续10min，要求没有泄漏的迹象发生。如果测试需要，测试也可以在-50kPa的真空下进行，在不超过5kPa的压力损失下持续10min；各个试验应该首先进行真空测试。在所有试验方法中，管道应先加压，然后在10min内稳定系统，然后在接头上施加荷载。试样必须由承插管组成，每个管子的长度为900 mm或一个内径长度，以较大者为准。在测试内衬波纹管材时，管道的内衬管应被穿孔（如果适用，则波纹被密封），以避免由于内部压力而引起的接头分离。

试验所采用的试验设备应能够独立地在接头应用试验条件下并以受控的方式组合（如用于NCHRP Project 20-07任务347）。因此，试验设备应该能够测量施加到接头的荷载，轴向偏差和直径的变化。同时，实验设备也应该能够在不改变的情况下维持试验期间的试验条件。作者还建议对于这些测试的任何设备均能够在更长的时间内承受荷载，以备将来长期试验使用。在内部（真空，如果适用）压力测试中，应使用轴向约束来确保在接头上不产生轴向力。推荐使用类似于图4所示的压力系统，该压力系统可以减少水的体积（和重量），试验时间及由于施加压力而引起的轴向力。对接头施加力的载荷板不应产生波纹状的局部变形，而应该产生椭圆状形变。本文提出的试验方法旨在检查塑料接头的密封性，但也可用于评估其结构性。

图4 检查接头密封性的压力系统

5 结论

在参照了UNE-EN-1277和ASTM D3212标准后，对使用大型实验室获得的数据和基于简化设计方程的参数研究进行了检验，得出以下结论：

（1）目前欧洲和美国标准中的评估方法和条件，用于检查重力流塑料接头的密封性是明显不同的，并且与大型实验室测试中观察到的需求或用设计方程计算的需求不一致。

（2）测试重力流塑性接头的性能时，其应该在轴向偏差、直径变形、剪切力以及这些测试条件的组合测试条件下进行测试。

（3）为了检查密封性，接头应在内部静液压下进行试验；只有在涉及显著的外部水压或内部真空的应用时才能检查真空测试。

（4）用于检查接头密封性的试验装置应能够独立地将接头的试验条件应用于接头，或以可控方式组合。

（5）测试设备必须确保在内部（和真空（如果适用））测试期间，在接头上不产生轴向力。

（6）应鼓励减少试验用水量，这样可以减少测试时间、水流量、测试设备的承载能力，并且还可以减少由于内部或外部压力而产生的轴向力。

（7）当检查波纹形状时，应制备用于评估接头密封性的试样，以使内部压力因长度收缩而不影响接头。

6 致谢

感谢墨西哥国立自治大学和加拿大女王大学的FESAragón。本文提及的部分测试由国家公路合作研究组织（NCHRP）通过美国国家科学院交通研究委员会资助，感谢达拉罕加纳国家行动方案对FESAragón博士后研究员与“程序计划”项目提供的资助。感谢PAPIME项目PE 102214对于本文的准备以及发表提供的帮助。本文提出的调查结果，结论或建议并不一定反映上述机构的意见。最后感谢Angel Romero对于本文发表提供的帮助。

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（翻译：山东胜邦塑胶有限公司 闫培刚；

校对：浙江伟星新型建材股份有限公司 张伟娇）