基于中美歐標準的HDPE消防管道壓力試驗對比

馮光華，劉雪洋

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

HDPE管道以其耐腐蝕、質量輕、造價低、密封性好、安裝便捷及使用壽命長等特點，日益取代了傳統金屬管道。HDPE水壓試驗常用水壓泵加載，壓力表常設置在閥門附近，水壓試驗見圖1。對于HDPE壓力試驗，國內外的同行做了較多的研究。周敏等[1]利用自制室內足尺大型模型試驗系統,以粗砂為管道開挖溝槽回填料,通過調整模型箱底板的下沉模擬地層沉陷形成過程,研究埋地HDPE雙壁波紋管道的受力變形特性及其上覆回填料土體的沉降分布規律。朱永濤等[2]以南水北調配套工程邢清干渠南宮干線試驗段為依托,分別對4種不同回填方式的管道變形率進行測試,建立管道變形有限元模型。尤佺等[3]通過有限元數值模擬分析并綜合現場試驗數據,提出了基于填土高度的管頂撓度預測公式和基于管頂撓度的最大管周環向應變預測公式,可以方便快捷地預測HDPE管道裝配應變。張震等[4]利用時溫疊加原理將不同溫度下的蠕變試驗曲線移動形成一條光滑的主曲線，準確地確定土工格柵HDPE50的蠕變折減系數。上述的試驗研究，大多參考國內的規范，而對于一帶一路的工程項目，特別是東非的坦桑尼亞項目，常用的美標和英標試驗卻少見報道。

圖1 水壓試驗

1 工程概況

某項目位于東非第二大港——達累斯薩拉姆港，為改擴建水工項目，其新建滾裝泊位堆場消防管線全長1 920 m，包含40座消防井，設計全部采用HDPE管道，其工作壓力為9.5 bar(0.95 MPa)，均采用法蘭連接，見圖2。

圖2 法蘭連接示意圖

壓力試驗初期未考慮到HDPE管道的蠕變特性，采用剛性管道水壓試驗方法，在試驗期間發生明顯壓力下降及爆管現象，爆管現場見圖3，通過對HDPE消防管道水壓試驗失敗的不斷總結，對比分析中國、歐洲和美國3種關于管道蠕變的水壓試驗規范后，最終采用歐洲規范BS EN 805:2000取得了HDPE消防管道水壓試驗的成功。

圖3 加壓爆管

2 中歐美規范介紹

2.1 中國規范GB 50268—2008

GB 50268—2008[5]水壓試驗流程見圖4。

圖4 GB 50268—2008水壓試驗流程

1)試驗管道在不大于工作壓力條件下充分浸泡不少于24 h。將管道內水壓緩緩上升至試驗壓力并穩壓30 min，期間如有壓力下降可注水補壓，但不得高于試驗壓力，檢查管道接口、配件等處無漏水、損壞現象，有漏水、損壞現象時應及時停止試壓，查明原因并采取相應措施后重新試壓。停止注水補壓并穩定30 min，當30 min后壓力下降不超過試驗壓力的70%，則試驗結束；否則重新注水補壓并穩定30 min再進行，直至30 min后壓力下降不超過試驗壓力的70%。

2)迅速將管道泄水降壓，降壓量為試驗壓力的10%～15%，期間應準確計量所泄出的水量ΔV,并按下式計算允許泄出的最大水量ΔVmax：

(1)

式中：1.2為空氣系數；V為試壓管段總容積(L)；ΔP為降壓量(MPa)；en為管材公稱壁厚(m)；Di為管材內徑(m)；EW為水的體積模量(MPa)；EP為HDPE管道彈性模量(MPa)。EP、EW取值見表1。

表1 水的體積模量EW和HDPE管道彈性模量EP取值

3)ΔV≤ΔVmax時，繼續進行試驗；ΔV> ΔVmax時，應停止試壓。排除管內過量空氣再從2)重新開始試驗。

4)每隔30 min記錄一次管道剩余壓力，應記錄30 min；30 min內管道剩余壓力有上升趨勢時，則水壓試驗結果合格見圖4流程①；30 min內剩余壓力無上升趨勢時，則應持續觀察60 min；整個90 min內壓力下降不超過0.02 MPa，則水壓試驗結果合格，見圖4流程②。

上述兩條均不能滿足時，則水壓試驗結果不合格，應查明原因并采取相應措施后再重新組織試壓。

2.2 歐洲規范BS EN 805:2000

歐洲規范BS EN 805:2000[6]試驗流程(圖5)與中國規范GB 50268—2008基本相同，關于具體不同點在下文規范對比及算例中會提及，注意公式計算時的單位換算。

圖5 歐洲規范BS EN 805:2000水壓試驗流程

2.3 美國規范ASTM F2164-18

美標ASTM F2164-18[7]對于管道試驗的規定要點如下(圖6)：

1)緩慢注水排空試驗管道內的空氣，保證試驗段管道與管內液體溫度相同。

2)注水加壓至試驗壓力。檢查管口、配件等處有無漏水、損壞現象。

3)保持試驗壓力穩定4 h，期間有壓力下降，可以注水補壓至試驗壓力。

4)將試驗壓力降低10 psi(69 kPa)，停止注水補壓，觀測1 h。

5)如果1 h內管道無明顯泄露，且壓力下降不超過5%，則水壓試驗結果合格；反之水壓試驗結果不合格，查明原因并采取相應措施后再重新組織試壓。

圖6 美國規范ASTM F2164-18水壓試驗加載

3 中歐美規范對比

3.1 預試驗階段前

3.1.1壓力試驗的確定

對于試驗壓力的確定，中國規范為1.5倍工作壓力且不小于0.8 MPa；美國規范為1.5倍工作壓力；歐洲規范比較1.5倍工作壓力與工作壓力+500 kPa，取兩者之間較小的數值為試驗壓力。

3.1.2注水浸泡要求

對于消防管道注水浸泡時間，中國規范要求至少24 h；歐洲規范要求至少60 min；美國規范在時間上沒有具體要求，但提出管內外溫度保持一致且保證管內空氣排空。

3.2 預試驗階段

在注水加壓階段，中國規范要求緩慢升壓至試驗壓力；歐洲規范要求快速升壓，且在時間上規定10 min之內升壓至試驗壓力;美國規范對于注水加壓沒有時間上的要求，但要求保證整個壓力試驗時間在8 h之內。

中國規范與歐洲規范基本相同，在預試驗階段均有單獨的合格通過標準，歐洲規范要求更嚴格，主要體現在注水加壓時間短、停壓觀測時間長；美國規范補壓穩定時間長，沒有合格標準，可以理解為預試驗階段與主試驗階段一體化、不分開。

3.3 主試驗階段

主試驗階段前中歐美3種水壓試驗規范對比見表2。

中國規范與歐洲規范都有允許泄出最大水量ΔVmax的計算，均要求降壓泄水量ΔV≤ΔVmax，泄水降壓量與ΔVmax的計算公式完全相同。在滿足ΔV≤ΔVmax后，均要求停壓觀測30 min，中國規范要求每3 min記錄一次，歐洲規范無具體要求。30 min壓力無上升趨勢時，均繼續觀測60 min，中國規范要求壓力下降不超過0.02 MPa，歐洲規范要求壓力下降不超過25 kPa。美國規范的泄水降壓量為固定值10 psi(69 kPa)，同時停壓觀測時間固定為1 h，相反，合格標準非固定，要求不超過試驗壓力5%。

中國規范與歐洲規范基本相同，相比之下中國規范要求更嚴格，體現在最后90 min的壓力下降比歐洲規范少5 kPa；美國規范與其他兩種規范差距較大，流程相對簡單，主要體現在無須公式計算，停壓觀測時間固定。

表2 主試驗階段前中歐美3種水壓試驗規范對比

4 基于歐洲規范BS EN 805:2000的算例

基于歐洲規范算例水壓試驗流程見圖7。

圖7 基于歐洲規范算例水壓試驗流程

試驗當天中午12:00點溫度為30 ℃，兩座消防井之間相距73.9 m，采用的HDPE消防管直徑為0.16 m、壁厚0.01 m，試驗前一天晚上注滿水浸泡，保證時間大于60 min。消防管道工作壓力為950 kPa，根據表2，試驗壓力取1 425 kPa，管道體積為V=1.486 m3=1 486 L。

將管道內水壓緩緩上升至1 425 kPa并通過注水補壓穩定30 min，停止注水補壓并穩定60 min，測得壓力為1 150 kPa。

迅速將管道泄水降壓200 kPa(試驗壓力的14.04%)，此時壓力為950 kPa，期間出水量為0.85 L。

V=1 486 L，ΔP=200 kPa，e=0.01 m，D=0.14 m。根據表1，EW=2.23 GPa;EP=6.1 GPa。由式(1)計算得，ΔVmax=0.979 L，ΔV=0.85 L< 0.979 L(=ΔVmax)。

繼續觀測30 min，此時壓力仍為950 kPa，壓力無上升趨勢，繼續觀察60 min，此時壓力為935 kPa，期間壓力下降15 kPa，小于25 kPa，水壓試驗結果合格，此次消防管道壓力試驗成功。

5 對中國規范GB 50268—2008的修改建議

對于HDPE蠕變塑性管道的壓力試驗，規范GB 50268—2008并沒有完整、系統的章節來介紹，包括試驗壓力、注水浸泡時間等內容歸類于化學建材管，只是在9.2.12節提及并對9.2.10節介紹的大類水壓試驗進行補充。在此提出以下修改建議：

1)將HDPE蠕變塑性管道與化學建材管分開，單獨采用一個章節，完整、系統地介紹整個壓力試驗流程。

2)建議對EP(管道彈性模量)的取值進行完善。主試驗階段中，允許泄出最大水量ΔVmax計算公式中的EP(管道彈性模量)在規范中并沒有提供數據表格，只是提及管道彈性模量與水溫與試壓時間相關，上文中的數據表格取自其他規范并進行了單位換算。

3)建議壓力的單位與歐洲規范一致，由MPa改為kPa，MPa單位較大，使用中多為小數，不太合理。

4)建議試驗壓力的確定與化學建材管區分開，重新進行確定，可與歐洲規范相同。

5)建議不大于工作壓力的注水浸泡時間與化學建材管區分開，規范中化學建材管要求浸泡不小于24 h，這非常不合理，導致整個管道試驗時間過長，可以與歐洲規范對接，改為不小于1 h，或重新進行合理的標定。

6)建議對注水加壓時間提供一個時間范圍。

7)建議對整個試驗流程的時間提供一個要求。

6 結論

1) 對比中國規范與歐洲規范，歐洲規范在預試驗階段要求較高，中國規范在主壓力試驗要求較高；歐洲規范對HDPE管道壓力試驗整個流程的介紹更為完整和系統，中國規范相對而言只是在化學建材管大類上的補充。

2) 對比兩類規范，美國規范流程相對簡單，注水穩壓時間長，僅一次停壓觀測，對短時間內穩壓要求相對較高；中國規范和歐洲規范流程相對復雜，注水穩壓時間短，分兩次停壓觀測，對短時間穩壓要求相對較低。

3) 對于管內空氣的處理，美國規范要求試驗前注水排空管內空氣；中國規范與歐洲規范則是通過公式計算體現，在ΔVmax的計算公式中均有空氣系數，且均為1.2。