無壓化學建材排水管道閉氣試驗技術研究

沈 浩,牟晉銘

(1.上海市排水管理處,上海市200001；2.上海市政交通設計研究院有限公司,上海市200030)

無壓化學建材排水管道閉氣試驗技術研究

沈 浩1,牟晉銘2

(1.上海市排水管理處,上海市200001；2.上海市政交通設計研究院有限公司,上海市200030)

為提高無壓化學建材排水管道嚴密性檢驗效率,通過研究我國現狀閉水試驗和閉氣試驗優缺點,參照美國材料與試驗協會相應標準及大量試驗數據論證,提出適合我國的閉氣試驗標準：規定測試壓力為30 000 Pa、允許滲漏率為0.4572×10-3(m3/min/m2),并給出壓降值為7 000 Pa時不同管徑的最小閉氣時間。

化學建材排水管道；嚴密性檢驗；閉水試驗；閉氣試驗

0 引言

隨著中國城鎮化進程的快速發展,市政排水管道設施日益完善,截止2010年底,全國城鎮排水管道長度達47.8萬km,且每年以約9%的速度在逐年增長。隨著《城鎮排水與污水處理條例》的出臺,國家對城鎮排水設施的管理運營水平提出了更高的要求,而加強排水管道的嚴密性檢驗對有效地控制管道工程建設質量,減少排水管道滲漏周邊土壤和水環境的污染有極為重要的作用。

1 我國塑料排水管道嚴密性檢驗發展過程

上世紀80年代,在我國建設部先后發布的《市政工程質量檢驗評定暫行標準(排水管渠工程)》(CJJ3-81)和《市政排水管渠工程質量檢驗評定標準》(CJJ3-90)中,規定陶土管和混凝土管的嚴密性檢驗方法為閉水試驗,當時塑料管材尚未在國內市政排水設施中推廣,至1998年發布《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB50268-97),均未對塑料管材嚴密性檢驗內容進行說明［1］。

隨著國家城鎮基礎設施的快速發展,化學建材排水管道被廣泛用于市政排水管道,國家工程建設標準化協會于2001年發布《埋地硬聚氯乙烯排水管道工程技術規程》(CECS 122:2001),該規程適用于公稱直徑為DN110～DN630的硬聚氯乙烯排水管,規定其密閉性檢驗方法為閉水試驗。至2009年,在住建部發布的《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB50268-2008)中,將無壓管道嚴密性檢驗分為閉水試驗和閉氣試驗,并首次將化學建材管閉水試驗要求列入國家標準［2］。

我國排水管道嚴密性檢驗以閉水試驗為主,而閉氣試驗不受現場條件制約,能便捷、快速地檢測排水管道的嚴密性能,縮短施工周期,降低施工對城市交通的影響,閉氣試驗逐步用于混凝土排水管嚴密性檢驗［3］。但國內針對化學建材管閉氣試驗的研究較少,隨著化學建材排水管道的大規模應用,繁瑣的閉水試驗嚴重限制了管道嚴密性檢驗效率,化學建材排水管道閉氣試驗技術標準亟待研究。

2 無壓管道嚴密性檢驗技術分析

排水管道嚴密性檢驗方法分為：閉水試驗和閉氣試驗。根據我國現行的《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB50268-2008),閉水試驗和閉氣試驗具體要求如下。

2.1 閉水試驗

根據國標GB50268-2008,無壓管道閉水試驗要求［2］如下：

(1)試驗管段浸泡時間不應少于24 h。

(2)試驗水頭：試驗段上游設計水頭不超過管頂內壁時,試驗水頭應以上游管頂內壁加2 m計；試驗段上游設計水頭超過管頂內壁時,試驗水頭應以上游設計水頭加2 m計。計算出的試驗水頭小于10 m,但已超過上游檢查井井口時,試驗水頭以上游檢查井井口高度為準。

(3)觀測時間：滲水量觀測時間不得小于30 min。

(4)允許滲水量：應按下式計算：

2.2 閉氣試驗

根據國標GB50268-2008,混凝土類無壓管道閉氣試驗要求［2］如下：

(1)穩壓要求：向管道內壓力至3 000 Pa,氣體穩定后停止充氣,且從3 000 Pa降至2 000 Pa歷時不應小于5 min。

(2)試驗壓力：氣體壓力達到2 000 Pa時開始計時,滿足該管徑下規定的閉氣時間,計時結束并記錄此時管內氣體壓力P,如P≥1 500 Pa,則管道閉氣試驗合格。

(3)閉氣時間要求：具體見表1所列。

表1 鋼筋混凝土無壓管閉氣檢驗規定標準閉氣時間一覽表

2.3 閉氣試驗與閉水試驗對比分析

閉水試驗被長期用于排水管道嚴密性檢驗,但閉水試驗存在需水量大、檢測時間長、絕大多數城市市政道路上施工時不具備現場操作條件,且化學建材排水管道閉水試驗時很難有效地控制管道上浮,不僅費時費力、實際結果也無法滿足城市快速施工驗收的要求。而閉氣試驗不受現場條件制約,能便捷、快速地檢測排水管道的嚴密性能,縮短了管道施工周期,降低施工對城市交通的影響,可以滿足更高頻次的排水管道施工質量檢驗要求,能有效地控制排水管道的施工質量［4］。

據相關學者測算,閉氣試驗成本僅為閉水試驗的9%,而測試效率提高40多倍［1］。隨著國外閉氣設備的發展,排水管道的閉氣試驗更加便捷,已被廣泛用于排水管道工程嚴密性檢驗。

3 無壓化學建材管道閉氣試驗研究

3.1 閉氣試驗設備

我國現有的閉氣試驗多采用封堵板進行封堵,一個尺寸的封板只能適用一種管徑,且設備笨重不易攜帶(詳見圖1),封堵效果欠佳,測試氣壓為2 000 Pa,僅能滿足混凝土排水管閉氣試驗。近幾年,化學建材被廣泛用于我國市政排水管道建設,特別是DN200～DN1200管徑范圍多以塑料管材為主,而2 000 Pa的測試壓力無法滿足化學建材管閉氣試驗要求。參照美國ASTM《使用低壓空氣對塑料自流排水管道安裝驗收方法》F1417-92 (2011)標準［5］,選用氣囊式管塞作為閉氣試驗管道封堵設備。該氣囊管塞可適應多種管徑,封堵效果好,測試氣壓可達到60 000 Pa(詳見圖2)。

圖1 閉氣試驗用封堵板實景

圖2 閉氣試驗用封堵氣囊實景

3.2 閉氣試驗適用范圍

美國材料與試驗協會 (ASTM)《使用低壓空氣檢測的無壓塑料排水管道安裝驗收方法》F1417-92(2011)基于Ramseier經過1 100項研究結果,得出管道閉氣試驗允許泄漏率為0.001 5 cu.ft./min. /sq.ft.(立方英尺/分鐘/平方英尺)［6］,該理論又經過William Chase和Walter Berschauer 1 300組測試數據的反復驗證。經過幾十年的發展,排水管道閉氣試驗技術在美國各大城市得到廣泛應用,極大地提高了排水管道嚴密性檢驗效率。

目前DN200～DN1200管徑范圍的排水管多以化學建材排水管為主,大口徑排水管道優先選用鋼筋混凝土管,且大口徑混凝土管可采用更為簡便的內滲法檢測嚴密性,結合美國ASTM標準中最大管徑為60 in(1 524 mm),因此,本文重點研究化學建材排水管(DN200～DN1200)閉氣試驗技術。其中,化學建材管主要包括硬聚氯乙烯管、高密度聚乙烯管及玻璃鋼夾砂管等。

3.3 閉氣試驗標準

本文參照美國ASTM標準,結合我國排水管道施工情況,閉氣試驗各參數標準如下：

(1)測試壓力：

結合化學建材排水管(DN200～DN1200)埋設深度、管道接口及美國ASTM標準,管道內部測試壓力為30 kPa。具體試驗壓力可結合管材及當地地下水情況適當調整。

(2)空氣漏損率：

以Q表示,1Q值定義為0.4572×10-3(m3/ min/m2)。

(3)測試時間計算：

式中：T——壓力下降7 kPa允許最短時間,s；

D——管道平均內徑,mm；

Kt——系數,不應小于1.0。

3.4 測試方法

無壓塑料排水管閉氣試驗測試方法如下所述。

3.4.1 管塞安裝與測試

將管塞安裝于測試管道兩端,充壓至60 kPa (結合管材情況),檢查井和管道連接處確保無泄漏點。

3.4.2 充壓測試

低壓空氣緩慢沖入試驗管道,充壓至35 kPa,并維持該壓力至少2 min。

3.4.3 測試計時

當壓力降至30 kPa時開始計時,至該管徑下最小閉氣時間停止計時,并記錄下此時氣壓表讀數。

3.4.4 管道嚴密性驗收

如在規定最小閉氣時間內,試驗管道實測壓降值小于規定壓降值,則該管段閉氣試驗合格。如超過規定壓降值則應檢查漏點并修復,修復后重新進行閉氣試驗,直至達到規定標準。

圖3為閉氣試驗測試簡圖。

圖3 閉氣試驗測試簡圖

3.5 最小閉氣時間表

為簡化閉氣試驗計算步驟,本文給出不同管徑常用長度下最小閉氣時間,方便閉氣試驗期間讀取,具體見表2所列。

4 閉氣試驗標準率定

為檢驗該閉氣試驗標準的適用性及實際操作性,選用HDPE管和玻璃鋼夾砂管進行閉氣試驗,圖4為管道閉氣試驗測試現場,圖5為排水管道施工現場閉氣試驗。

選 用 DN300、DN600 HDPE管 和 DN600、DN800玻璃鋼夾砂管四種管道,每個管徑取12 m、18 m和24 m三種長度,閉氣試驗壓力為30 000 Pa左右,閉氣時間均為30 min。如圖6和圖7所示, 30 min閉氣時間內最大壓降為3 100 Pa(DN300, L=24 m),而表 2中規定壓降 7 000 Pa,管徑DN300最小閉氣時間為11 min9 s。試驗管段30 min內,壓降值均小于規定壓降7 000 Pa。因此,所有試驗管段的閉氣試驗均滿足標準要求。

表2 氣壓下降7 kPa允許的最小閉氣時間一覽表

圖6 HDPE管(DN300)閉氣試驗曲線圖

圖7 HDPE管(DN600)閉氣試驗曲線圖

如圖8和圖9所示,玻璃鋼夾砂管所有試驗管段30 min閉氣時間內最大壓降為800 Pa(DN800, L=18 m),而表 2中規定壓降 7 000 Pa,管徑DN800最小閉氣時間為29 min45 s。試驗管段30 min內,壓降值均小于規定壓降7 000 Pa。因此,規定時間內試驗管道壓降值遠小于規定壓降值,所有試驗管段的嚴密性均能滿足閉氣試驗要求。

圖8 玻璃鋼夾砂管(DN600)閉氣試驗曲線圖

圖9 玻璃鋼夾砂管(DN800)閉氣試驗曲線圖

通過對比圖6～圖9,玻璃鋼夾砂管密閉性能明顯優于HDPE管道,分析原因為HDPE接口處密封效果受橡膠圈安裝影響較大。同時,如圖所示管道氣體漏損率與管徑及管長也有一定聯系,但由于試驗壓力不完全相同,管內實測壓力值無法準確判斷。因此,針對不同管徑、不同長度的玻璃鋼夾砂管氣體漏損率進行試驗,結果如圖10所示,管道氣體漏損率與管徑和管長呈正相關,管徑越大、管道越長氣體漏損量越高,對于大管徑和大管長的試驗管道,必須延長其閉氣時間。

由于排水管道施工現場情況與試驗條件相差較大,為檢驗本文提出的閉氣試驗標準在塑料排水管道施工驗收中的應用情況,增加排水管道施工現場閉氣試驗。試驗管段為開槽施工,管材為DN1200玻璃鋼夾砂管,管道長度為18 m,試驗壓力為31 500 Pa,閉氣時間為55 min。

圖10 玻璃鋼夾砂管閉氣試驗漏損率曲線圖

結果如圖11所示,經55 min閉氣試驗管道壓降為1 200 Pa,氣體漏損率為0.00021cu.ft./min./sq. ft(立方英尺/分鐘/平方英尺),經計算最小閉氣時間為52 min10 s。因此,規定時間內試驗管道壓降值遠小于規定壓降值(7000Pa),該試驗管段的閉氣試驗合格。

圖11 排水管道施工現場閉氣試驗曲線圖

且該管道已進行閉水試驗,符合GB50268中規定的閉水試驗允許滲入量要求,閉氣試驗結果與閉水試驗結果一致。經綜合比較及試驗論證,本文提出的閉氣試驗標準可用于我國無壓化學建材排水管道嚴密性檢驗,且極大的提高了管道嚴密性檢驗效率。

5 結論

(1)閉氣試驗比閉水試驗更適用于化學建材管道嚴密性檢驗。

(2)本文提出適于化學建材排水管道閉氣試驗標準,規定測試壓力為30 000 Pa,允許滲漏率為0.4572×10-3(m3/ min / m2),并給出壓降值為7 000 Pa時不同管徑的最小閉氣時間(見表2)。

(3)經試驗數據論證,該閉氣試驗標準可用于我國無壓化學建材排水管道嚴密性檢驗,但仍需結合當地地下水位等影響因素進行修正。

［1］ 許其昌. 國內外污水管道嚴密性試驗的綜合分析 ［J］. 市政技術， 1990， (4).

［2］ GB 50268-2008，給水排水管道工程施工及驗收規范［S］.

［3］ 王瑞芝.混凝土排水管道工程閉氣檢驗簡介［J］.中國市政工程，1997，(1):32-34.

［4］ 王生光. 無壓管道嚴密性試驗原理分析 ［D］. 杭州：浙江大學，2004.

［5］ ASTM F1417-92 (2011)，《Standard Practice for Installation Acceptance of Plastic Non-pressure Sewer Lines Using Low-Pressure Air》［S］.

［6］ Ramseier R E. Testing new sewer pipe installations［J］. Journal (Water Pollution Control Federation)， 1972: 557-564.

TU532+.61

A

1009-7716(2015)09-0218-05

2015-06-30

沈浩(1981-),男,江蘇鹽城人,工程師,從事市政排水工程管理工作。