聚乙烯（HDPE）管道在鹽湖工況中的應用技術研究

尹偉華

(四川森普管材股份有限公司，四川 德陽 610014)

1 項目工程情況

1.1 項目工程概況

該項目中的礦區位于柴達木盆地中部的一里坪鹽湖，鹽灘面積360 km2，湖面海拔2 683 m，屬于干鹽湖類型，是以富鋰為特色并伴生硼、鉀、鎂、溴、碘的鹽湖自然資源。

該項目為開采鹽湖鋰礦鋰硼鉀資源配套建設的淡水輸送管線工程。由于礦區附近無淡水水源，需要的淡水需從距離用水地約120 km外的那陵郭勒河沖洪積扇的前緣水源地取水。

從水源地到礦區線路基本沿鹽湖、戈壁、沙漠及沼澤地，沒有公路直通場地，交通極不便利。項目線路穿越區域多為無人區，人類活動極少。

1.2 項目工程地理環境

礦區氣候特點為干旱、多風沙少雨，蒸發強烈，冬長夏短，晝夜溫差較大，屬典型的高原內陸盆地干旱氣侯。據鄰近地區察爾汗氣象站 1971～1989 年及 1991、1995、1996 年的資料統計，年平均氣壓 735 mbar，年平均氣溫 5.4 ℃，最高氣溫在七月，月平均氣溫 19.1 ℃，極端最高溫度 34.8 ℃。一月溫度最低，月平均氣溫-10 ℃。年蒸發量平均為 3 560.1 mm，降水量為 21.90 mm。多年平均最大凍土深度1.80 m。

沿線地貌類型有湖積平原、鹽湖邊緣丘陵、戈壁、沙漠、沼澤地等，湖積平原地形稍有起伏，相對高差約 1.00 m；丘陵地貌相對地形起伏較大，相對高差最大約30.00 m。

1.3 項目工程區域地層

據相關區域資料及現場調查，線路場區覆蓋層主要由第四系上更新統湖積成因的粉土、粉質黏土、鹽類沉積層；中更新統湖積成因的砂礫、粉土、粉質黏土、鹽類沉積層等；下更新統湖積成因的泥巖、粉砂巖、鹽巖等組成，層厚大于 100 m。下伏基巖有上第三系：粉砂巖、泥巖及膏鹽巖等。

1.4 項目工程路線地質的腐蝕性評價

項目沿線在 K3+848～K4+348 m，地下水埋深約 1.20 m，K12+278～K55+650 m，地下水埋深約0.20～2.00 m，K112+250～K117+701 m，地下水埋深約 4.00～5.00 m，其余地段未見地下水。

通過對地下水取樣分析，項目線路段地下水對混凝土結構具微腐蝕性；長期浸水時對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性，干濕交替時對鋼筋混凝土結構中鋼筋具強腐蝕性；沿線地下水對鋼結構具有中等腐蝕性。

2 淡水管線輸送用管道材料選擇

常用于市政的給水管材有鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、PVC-U給水管、涂塑鋼管、聚乙烯（HDPE）管、鋼骨架塑料復合管(含超高分子聚乙烯復合管)、玻璃鋼管等。

由于鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管均為承插橡膠圈接口，且鹽湖地區對混凝土、鋼筋（鑄鐵）具有較強腐蝕性，不適合用于沙漠、沼澤或具有鹽脹縮性和溶陷性的鹽湖地區。

涂塑鋼管是在普通螺旋焊鋼管的基礎上經過管內涂塑制成的一種新型管材，雖管材材料費有一定優勢，但受地質條件的影響較大，以及接口焊縫防腐處理是管道中的薄弱點，后期維護費用高。

常用的幾種非金屬管材的主要性能見表1。

表1 幾種非金屬管材的主要性能

玻璃鋼管、PVC-U 給水管接口方式均為承插橡膠圈接口，敷設在沼澤、沙漠、鹽脹縮性和溶陷性的地區，管道基礎沉降不均，易發生滲漏，長距離使用維修量會較大。

HDPE 管、鋼骨架塑料復合管等 PE 類管材，接口采用電熱熔連接，無滲漏，施工方便，耐腐蝕，適用工作溫度范圍較大，比較適合在鹽湖地區使用(目前有在青海、新疆等鹽湖供水工程中有成功應用案例)。

從地質條件分析，本工程前段(水源地開始約 66 km)為沙漠、沼澤、草原；后段(約 51.7 km)地表為鹽殼。

前段管道承壓較低（壓力≤1.0 MPa），選材應在滿足技術要求的條件下，盡量考慮因抗腐蝕、抗沉陷能力強、投資節省、運行安全、管理便捷、施工簡單、便于運輸的管材。后段(鹽殼段)由于承壓（靜壓≤1.6 MPa）較高，應選擇可承壓 1.6 MPa 及以上的管材，以減小事故發生的可能性，避免因管道事故對企業造成經濟損失。

3 聚乙烯（HDPE）管道在鹽湖特殊環境中的應用優勢

3.1 前段(水源地開始約 66 km)為沙漠、沼澤、草原等地質工況的材料選擇。

基于管道前段輸送介質壓力≤1.0 MPa，且需穿越沙漠、沼澤、草原等地質基礎不穩定、施工難度大、維護極不方便等情況，而高密度聚乙烯（HDPE）壓力管道產品的優勢正好體現。

（1）聚乙烯（HDPE）產品具有50年的設計使用壽命。可以同項目礦區的設計使用壽命同步，避免中途更換管道系統。

（2）礦區冬長夏短，晝夜溫差較大，一月份平均氣溫-10 ℃。而聚乙烯（HDPE）產品抗沖擊性能優異，耐低溫性能好，低溫脆化溫度可達-70 ℃。可很好適應礦區自然環境條件。

（3）聚乙烯（HDPE）產品化學穩定性好，耐各種酸、堿、鹽腐蝕。可確保管道系統在全生命周期不受鹽湖特定條件影響。

（4）由于管道線路需穿越沙漠、沼澤、草原等地。聚乙烯（HDPE）產品柔韌，具有蠕變自適應性，對沙漠、沼澤、草原等地質基礎不穩條件有很好的環境適應性，避免因基礎下沉而出現應力集中現象。確保管道在惡劣環境條件下長期穩定運行。

（5）對于沼澤等極不便施工的場景。聚乙烯（HDPE）產品因具有重量輕、搬運方便，可異地熱熔連接再牽引敷設。優于目前常用管道材料的施工。

（6）聚乙烯（HDPE）產品屬熱塑性材料，可采用熱熔連接，接頭質量可達到管道材料本體性能。可實現產品零滲漏，可靠實現產品全生命周期免維護使用。

3.2 后段(約 51.7 km)地表為鹽殼等地質工況的材料選擇

后段地質條件較前段有改善，主要是管道敷設基礎變為堅硬的鹽殼，但環境條件依然嚴苛。另外，處于后半段的管道需承受更大的壓力（壓力≤1.6 MPa）。基于上述情況，以優質低碳鋼絲網為增強相，管道級聚乙烯為基體，在擠出生產線上連續成型的新型雙面防腐壓力管道——鋼骨架塑料復合管（圖1），成為其最好的選擇。鋼骨架塑料復合管具有全塑聚乙烯（HDPE）產品的諸多優點，且產品因鋼絲網骨架的增強，又很好滿足較高輸送壓力的問題。該產品采用具有溫度補償的電熔焊機自動焊接接頭，確保接頭質量穩定可靠。

圖1 鋼骨架塑料復合管

4 優質的施工是項目成功的關鍵

4.1 土方開挖難點及解決方案

工程地點位于柴達木盆地中部的一里坪鹽湖，晝夜溫差大。管道分布的地域較廣。新施工管線與原有地下埋設的管道、電纜、光纜及地上的高壓電桿、導鹵渠、溝槽等交叉很多，很多地段的開挖需要人工開挖。考慮到重車壓過的鹽堤路面很堅硬，為了提高工效確保工期及保護地面設施和地下管線，人工開挖土方部分特配風鎬、空壓機配合人工開挖。在開挖區周圍設置擋水堤、集水坑，做好抽水設施，阻止鹽田鹵水和雨水流入基坑，并制定有效的排除積水措施。

（1）開挖前先挖探坑，查明地下原有管線、電纜、光纜的實際情況和地面高壓電桿、導鹵渠等原有設施的實際情況再采用機械開挖和人工開挖（人工開挖鹽堤較堅硬的區段配空壓機帶風鎬進行）兩種方式進行。同時，機械開挖后堆土不得占用交通。對于原來埋有管道、高壓電桿、光纜、電纜和導鹵渠、溝、槽的交叉處采用人工進行開挖，人工開挖采用空壓機、風鎬方式進行開挖。確保原有設施的安全完好，確保不影響生產，確保不影響交通。

（2）對于永久性工程施工的挖土范圍盡可能小，確保開挖土方不會破壞任何現有建筑或土方開挖以外的建筑。

（3）土方開挖必須與管道敷設密切配合，不出現重復挖、填的現象。并合理安排施工計劃，使土方開挖與管道敷設保持同步，避免溝槽開挖后長時間暴露，影響交通，防止受雨水及地表水的侵蝕。

4.2 管道焊接難點及解決方案

本工程管道管溝很大部分位于鹵水池的鹽堤上。如出現質量問題，將對鹽堤造成巨大的危害，嚴重影響生產和交通，所以PE管道焊接的質量尤為重要。

鹽湖早晚溫差大，風大，極易造成焊縫質量問題，PE管焊接時應根據氣候條件和風力大小對當時溫度實測情況確定焊接參數予以實時調整，因此針對鹽湖氣候特點專門制定了本工程PE管焊接工藝規程和操作方法，確保本工程不出現接頭缺陷而漏水現象。

熱熔對接工藝的關鍵是要在對接過程中（如圖2、圖3）調整好溫度、時間、壓力三參數，要把連接界面材料的性能、應力狀況、幾何形態以及環境條件等因素一起考慮，才能實現可靠的熱熔焊接，要結合項目實際情況和采用材料的特性先進行試驗連接，評價熔接質量，達到標準要求后，再確定各品種規格的焊接工藝參數，最后按確定的工藝參數方法和步驟進行現場安裝施工如圖4。

圖2 熱熔對接過程示意圖

圖3 熱熔對接工藝曲線圖

圖4 焊接工藝流程圖

（1）加熱板溫度。環境溫度20 ℃時用210 ℃± 10 ℃；低于或高于20 ℃時應按工藝要求調整，根據鹽湖地區的氣候狀況，建議焊接溫度范圍為210 ℃ -240 ℃。

（2）吸熱壓力。約為熔融對接壓力的1/10，它的作用主要是確保預熔融部位保持一定壓力，使管材緊貼在加熱板上，提高加熱效果，減少加熱時間。預熱階段的時間與焊口的橫截面積、加熱板溫度、環境溫度有關，應根據施工現場的氣候條件進行調整。

（3）熔融加熱時間。熔融加熱時間（一般稱為加熱系數)=管道壁厚(mm)×(18～25 s），應根據現場氣候條件(溫差、陽光直射與否和風力大小等因素的影響)進行調整。

（4）冷卻時間。冷卻應為自然冷卻，嚴禁用澆水或強力吹風強制冷卻。環境溫度低于5 ℃時就應進行焊縫保溫冷卻。

影響管材連接質量的因素很多，如材料、工藝現場氣候條件，操作工人的技術水平等。焊制過程中易出現的質量問題及解決辦法如表2所示。

表2 熔融對接過程易出現的質量問題及解決辦法

4.3 季節性施工需采取的措施

4.3.1 冬季施工

（1）挖槽時，應減少晾槽時間，堅持隨挖隨清，隨清隨覆蓋的原則，防止溝槽底凍結。同時加強溝槽底排水措施，保證管道基底部位無積水和滲水。

（2）焊接時，加熱板溫度適當升高，增加吸熱時間，冷卻時應采取保溫冷卻。

（3）回填前應將槽底雜物清理干凈，槽底不得有積水，殘冰，回填前須將溝槽底和邊坡處的凍結土清除后才能進行回填。

4.3.2 雨季施工需搭設防雨棚防雨，確保管端及接頭材料不被雨淋。施工管道端頭，開孔處應用塑料布封好，避免雨水泥沙污染。

（3）雨季回填時，要嚴格控制土壤含水量

在該鹽湖的淡水輸送管道工程建設中，根據鹽湖工程特點以及聚乙烯（HDPE）管材特性，創造性的運用新技術、新工藝解決工程過程中所遇到的難點，安全、高效的降低了工程造價，縮短了工期，最后以優質工程質量完成了該項目。為聚乙烯（HDPE）產品在特殊的鹽湖工況環境應用又建立了一典型成功案例。

（1）挖槽時開挖邊坡比常規放緩，坡面根據情況加以覆蓋。棄土堆距槽邊不小于1 m，對于適合回填的棄土要集中堆放，適當修整成型，以利排水。對因故不能及時回填的溝槽，在槽底兩側設寬30 cm，深30 cm的排水溝，并設集水坑，集水坑尺寸不小于1×1 m,深度不小50 cm。

（2）雨天原則上不進行焊口施工，若工期緊，則