新型分瓣式柔性穿墻防水套管的研制與應用

李保華,王宏偉,馮 琳

(1.遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110166;2.遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

1 概況及工程需求

1.1 防水套管設計與應用現狀

地下給排水管道穿越配水閥井(室)、檢修閥井(室)、流量計井(室)時，為滿足防水需要、適應不均勻沉降和檢修方便，一般在穿越構筑物外墻墻體處采用防水套管。防水套管常規按原建設部建質[2002]236號文批準施行的防水套管標準圖集(圖集號02S404)并根據實際需要，選用剛性防水套管或柔性防水套管。該圖集適用于民用及一般工業建筑、市政給水排水工程構(建)筑物。主要內容包括柔性防水套管、剛性防水套管、剛性防水翼環的做法。圖集對防水套管的特點、選用方法、加工、防腐、安裝等作了詳細介紹。按圖集所給規格，柔性防水套管直徑為DN50～DN1000，剛性防水套管直徑為DN50～DN450。當防水套管的外徑超出圖集范圍，該圖集要求“應注意對防水套管的結構形式、尺寸及縫隙內的填料等進行必要的調整和修正?！眻D1為柔性防水套管基本結構。

圖1 柔性防水套管結構及安裝圖

1.2 工程實際需求

遼寧省某重點輸水工程的防水套管主要用于配水站干線配水閥室、檢修閥井、流量計井、道路穿越檢查井等構筑物，主要直徑規格為DN3200、DN3400、DN3600、DN3800等，超出02S404防水套管標準圖集所給最大規格的3～4倍，工程使用數量500余個，防水套管對應的DN3800及以上直徑的內穿鋼管按SL432- 2008《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》標準制造；對應的DN3600及以下直徑的內穿鋼管按SY/T5037- 2000《低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》標準制造。按工程使用防水需要，應選柔性防水套管，如果參照02S404防水套管標準圖集進行選用，為達到防水效果，制造時應對法蘭套管和法蘭壓蓋進行機械加工，防水套管與內穿管道制造公差需良好配合。安裝時，將防水套管套在內穿管道上，與內穿管道整體安裝，再澆筑井室墻體；或先安裝防水套管，澆筑井室墻體后再安裝內穿管道。由于加工精度要求高，單體用鋼量大，單位重量造價偏高(按2013年詢價，8000～9000元/t)，安裝配合難度大，安裝過程易損傷內穿管道防腐蝕表面。因此，有必要結合本工程需要開發一種結構簡單、安裝方便、用鋼量小、機械加工量少、造價低廉、防水效果良好的防水套管來適合本工程規格大、用量多的需要。

2 新型穿墻防水套管研制

2.1 研制思路

基于工程實際考慮，穿越地下構筑物防水套管須適應以下條件：

(1)直徑≤DN3800內穿直縫鋼管制造周長、圓度允許公差范圍分別為±12mm、30mm，直徑≤DN3600內穿螺旋鋼管制造直徑允許公差范圍為±1.0%，防水套管應有滿足內穿管道制造直徑(周長)和橢圓度允許偏差變化的能力。

(2)柔性變形量應滿足隨內水壓力變化管道周長變化的能力。

(3)大形輸水管道在穿越各種閥門井室時，為保證閥門安裝精度，一般采用先安管道后澆井室墻體的方式，防水套管應能滿足管道安裝后再安裝，以利其與墻體和管道均能良好配合，滿足防水要求。

(4)還應滿足重量輕、結構簡單、制造和安裝方便等條件?；谝陨弦螅O想按兩個半圓制作，采用了如圖2、圖3所示結構形式。

圖2 新型防水套管結構圖

圖3 新型防水套管安裝圖

2.2 結構設計

(1)防水套管主體采用鋼板焊接結構，其中套管采用δ=8鋼板，寬度同所穿墻厚；止水環焊于套管上，采用δ=6鋼板，環高100mm；套管內設置止水膠圈兩道，每道止水膠圈用焊于套管內壁的兩個擋環定位。

(2)兩個擋環間距32mm，擋環截面尺寸8mm×13mm(寬×高)；止水膠圈直徑φ25mm。

(3)套管分瓣壓板通過M8螺栓連接，壓板采用δ=16鋼板，高100mm；壓板間設置45mm厚橡膠墊片。

(4)壓板與防水套管管體設置三角肋，采用δ=8鋼板。

(5)穿墻套管內徑與外徑應結合主管道鋼管外徑的實際值進行調整，其誤差等于主管道鋼管外徑誤差

(6)橡膠墊塊邵氏硬度：A型硬度為35～45；止水橡膠圈邵氏硬度：A型硬度為50～65。

(7)套管安裝完畢后進行0.1MPa打壓試驗，采用氣壓方式，打壓結束后用M8螺栓封堵打壓孔。

(8)防水套管防腐采用環氧煤瀝青防腐涂料。

3 試生產與結構調整(以DN3800防水套管為例)

3.1 試生產裝配

3.1.1 試生產

(1)數控切割出防水套管兩片瓦片鋼板并在卷板機上卷成半圓形，壓板、三角肋、止水翼環及擋環也通過數控切割以保證精度。壓板平均每200mm沖眼，共4個。

(2)按圖4所示，將壓板與瓦片對接后采用熔透焊焊接，之后加裝三角肋固定。下一步將套管兩瓣通過壓板用M8螺栓連接后進行矯圓，矯圓后再進行止水橡膠圈擋環及止水翼環的組對焊接。擋環及止水環分成1/4圓周生產，測量劃線后焊接到指定位置并打磨掉表面的毛刺。

圖4 壓板與瓦片連接圖

3.1.2 裝配安裝

與傳統防水套管相比，分瓣式防水套管需要將防水套管套在內穿管道上，再進行整體安裝，否則，內穿管道將很難穿過止水橡膠圈并且防腐層也極易損傷。

安裝過程利用簡易鋼支墩，將防水套管一瓣放置于支墩上，在內穿管道外壁測量劃線標出止水橡膠圈放置位置，然后將止水橡膠圈套到劃線標示部位，之后將管道緩緩放置在防水套管上，確保橡膠圈進入擋環槽內。調整完畢后將另一瓣防水套管放置于管道上。上下瓣防水套管對接完畢后，安裝壓板處高強螺栓，緊固完畢后進行打壓試驗，如圖5所示。

圖5 防水套管安裝支墩及裝配示意圖

3.2 問題及解決方法

至此，上述試生產安裝過程中已暴露了一些問題：

(1)φ25mm止水橡膠圈與擋環槽之間吻合度欠佳。壓板處螺栓緊固量小，無法將防水套管兩瓣緊密連接。

此問題是由于止水橡膠圈尺寸選擇與擋環槽的尺寸不匹配造成。止水橡膠圈具有良好的彈性和壓縮比率，應對其尺寸進行優化調整。

首先，計算套管擋環空間。見表1，根據計算結果，要使止水橡膠圈順利安裝進入擋環槽內并填滿鋼管與套管內空間，止水橡膠圈外徑應小于32mm，體積應大于640mm3，據此得出橡膠圈外徑區間29～31mm，并根據安裝時聚異戊二烯止水橡膠圈的壓縮表現擬采用φ30mm止水橡膠圈。此時，止水橡膠圈與擋環槽形象見圖6所示。

表1 防水套管止水擋環槽內空間計算

圖6 止水橡膠圈與擋環槽示意圖

(2)壓板處螺栓緊固量小，無法將防水套管兩瓣緊密連接。

此問題可通過2方面解決，一是提高螺栓強度，由原先的M8螺栓改為M25φ20mm的高強螺栓；另一方面，將原設計的108mm×4mm5×800mm橡膠墊塊改為5片108mm×10mm×800mm橡膠墊板，橡膠墊板上螺栓孔為φ20mm，分片后可通過增減墊片個數以適應不同管徑需求。

3.3 試驗

上述問題解決后，進行水壓試驗。通過防水套管上預留的密封試驗孔進行注水，試驗壓力為0.1MPa，隨著壓力提升，套管分瓣連接擋環處橡膠墊板與止水橡膠圈出現輕微滲水，其他部位正常。

研究發現，此處滲水是由于分瓣連接處橡膠墊板對應橡膠圈無擋環造成，此處依靠橡膠墊板與止水橡膠圈的擠壓防水，一旦擠壓力不足便容易滲水，如圖7所示。

圖8 分瓣式柔性防水套管結構參數選

圖7 止水橡膠圈與橡膠墊板示意圖

解決方法：一是通過繼續緊固高強螺栓，增加擠壓力，降低滲水；二是通過在橡膠墊板與止水橡膠圈之間及每層橡膠墊板中間涂雙組份聚硫密封膏，隔斷滲水路徑；三是將擋環的長度增加1cm，減小無擋環段距離。

由于試驗管擋環不宜再做調整，僅通過前2種方法進行調整，完畢后再次進行打壓試驗。試驗壓力下再無滲水。切記，工地正常安裝打壓時要采用氣壓，不得采用水壓。

4 新型分瓣式柔性防水套管最終型式

綜上，新型分瓣式柔性防水套管最終型式得以確定，如圖8所示。該圖中僅列入DN3200～DN3800三種管徑的尺寸，如內穿管道直徑調整，僅需據此調整防水套管相關直徑即可，其余如止水橡膠圈、擋環槽、壓板及橡膠墊板等寬度、厚度不需要再調整。

4.1 結構特點

(1)生產工藝簡單，安裝方便快捷，適合各種管徑管道。

(2)分瓣式裝配結構，可以在管道安裝后再行防水套管安裝。

(3)防水套管外帶止水環，內有雙膠圈止水，有效防止內外滲漏水。

(4)膠圈直徑填充擋圈內腔后，套管內側與內穿管道間由于有膠圈作為柔性墊層，可以適應不均勻沉降和軸向變形。

(5)防水套管上套管和擋圈需與內穿管道配合尺寸按內穿管道周長(或直徑)負偏差進行控制，并用防水套管壓板間的分層橡膠墊板進行內穿管道制造正偏差調節，可進行密封性能檢查，并利用壓板螺栓緊固進行密封性能調整。

(6)不需要按圖集02S404柔性防水套管的法蘭套管和法蘭壓蓋等雙法蘭結構，降低用鋼量、機械加工量和裝配量。

4.2 應用效果

本工程各配水站干線檢修閥室、干線沿線檢修閥井、流量計井、穿越道路檢查井等各部位，均采用了由鋼管采購標制造的分瓣式柔性防水套管，由于可以在內穿管道安裝后裝配，并進行密封性能檢查調整，自2014年開始安裝，至今已經基本安裝完畢，井室外側皆已回填完畢，安裝后分瓣式柔性防水套管沒有發生穿墻滲漏水，表明此種柔性防水套管結構合理、防水可靠，且按合同造價噸單價較帶法蘭結構的02S404柔性防水套管詢價平均低1500～2000元，并節省鋼材約240t，結構簡單，制造安裝方便，達到了預期研制目標。經推算，采用新型分瓣式柔性防水套管，為本工程節省投資357萬元，直接效益和間接效益顯著。