纖維增強管在城市給水管道改造中的應用性能研究

林亞南

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

在我國北方各城市，由于冬季溫度較低，存在給水管道內水凍結膨脹，導致給水管道破裂漏水的問題[1- 4]。冬季給水管道的破裂給區域用水尤其是生活區居民生活用水帶來極大的困擾，因此，如何有效增強給水管道工程性能、防止冬季給水管道破裂，對保證人民生活質量和財產安全具有重要意義。

目前，我國關于給水管道工程改造的研究多是從管道空間布置角度開展[5- 7]，而缺乏對管道材料或結構本身的改進，無法有效解決我國寒區冬季給水管破裂問題。宋立民[8]基于現場研究和試驗，指出了地下供給管道腐蝕嚴重的問題，并提出對供水管道進行防腐改造處理的具體措施，有效提升了管道應用的穩定性與安全性。朱君遠等[9]根據室內試驗結果，深入對比了PPR管材、PE管材、銅管和鑄鐵管等多種給水管道的選擇和運用及其優勢，為我國市政工程中給水管道改造提供了一定的指導作用。趙欣等[10]利用聚氨酯材料對管道進行噴涂能夠有效增強給水管道的工程性能，并且聚氨酯材料噴涂技術可以有效應用到給水管道快速修復工作中。

綜上所述，現有關城市給水管道的研究主要集中于給水管道的空間分布設計方面，而較少涉及到改善給水管道工程性能領域。本文在室內制備了一種包含外層-聚丙烯纖維網夾層-內層結構的復合纖維增強給水管道，并基于室內試驗深入研究了增強管道的抗拉能力和抗爆破能力的措施。研究成果為我國給水管道改造工作提供了一定的借鑒作用。

1 試驗研究

1.1 研究背景

目前，我國推廣應用的給水管道主要為單層高聚合物管道，如高密度聚乙烯管道，其耐腐蝕的作用、抗壓強度較好。然而，在我國北方各城市，由于冬季溫度較低，存在給水管道內水凍結膨脹，導致給水管道破裂漏水的問題。針對上述問題，我國北方某城市擬對該市核心區域開展給水管道改造試點工程，以解決城市冬季給水管道破裂及其引發的地方居民區斷水問題。

1.2 試樣制備與試驗

本次試驗所用的纖維增強給水管道為本研究小組委托河北省某管道有限公司制備，管道外徑為50.00mm，聚乙烯內層厚度為2.50mm，外層厚度為1.0mm。此外，在外層和內層中間，夾有網狀分布的纖維強化層，所用材料為聚丙烯纖維，纖維平均直徑5μm，結構示意圖如圖1所示。為研究纖維增強給水管道的抗壓能力，統一截取為長度為1m的管道進行抗壓試驗和爆破試驗，并對內層材料展開抗拉試驗。此外，本次研究同樣設置對照試驗組(普通給水管道：有內外層，但沒有纖維網夾層)，兩種水管的設計承壓均為2.0MPa。

圖1 纖維增強給水管道實物圖和結構示意圖

2 纖維增強管性能研究

2.1 內層性能研究

在輸送介質的持續侵蝕和沖刷下，給水管內層可能存在管道腐蝕失效的風險，為了充分研究內層高密度聚乙烯層的工程性能變化，將管道內層單獨取出進行加工，通過室內試驗研究其性能變化。取5組給水管道內層試件開展抗拉試驗，依據規范GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測定》進行試驗。抗拉試驗的結果見表1，從表1中可以看出，給水管道內層材料的抗拉屈服強度和斷裂點應力平均分別為19.64、33.28MPa，且5組試件之間的相差值很小，這表明給水管內層材料的工程性能較好且材料性能基本一致。此外，材料破壞時的平均斷裂伸長率為741.94%，這表明給水管內層材料具有較好的軸向拉伸變形性能。

表1 給水管道內層拉伸試驗結果

2.2 管道承壓性能研究

由給水管道破裂問題分析可知，管道的承壓能力是決定給水管道性能的主要因素。因此，本次研究采用靜水壓試驗機，對普通給水管道和纖維增強給水管道開展了室內靜水壓試驗，深入研究了不同管道承壓性能隨時間變化關系，試驗結果如圖2所示。由圖2可知，隨著注水時間的不斷增加，普通給水管中的靜水壓力呈逐漸減小的變化趨勢，普通給水管中的最大靜水壓力達到2.04MPa，而最小靜水壓力為1.86MPa，最大值與最小值之間差距達到0.18MPa。相較于普通給水管道，纖維增強管中靜水壓力值的波動則較小，均在4%以內。最大靜水壓力為2.04MPa，最小靜水壓力為1.97MPa，最大值與最小值之間差距僅為0.07MPa。分析認為，在保持加壓設備、環境溫度等實驗條件一致的前提下，纖維增強管的承壓能力更強，在高壓水下未發生明顯破裂，其保壓能力要優于普通水管。

圖2 普通管和增強管靜水壓試驗結果

2.3 爆破試驗強度

為了測試纖維增強給水管和普通給水管承受內壓的極限能力，室內對其開展了爆破試驗，試驗結果見表2。從表2可知，纖維增強給水管爆破壓力平均值為21.8MPa，而普通給水管爆破壓力的平均值僅達到16.9MPa，相較于纖維增強給水管下降了22.48%，下降幅度相對較大。分析認為，由于纖維增強給水管具有三層結構，且在內外層中間夾有具備較好彈性形變能力的聚丙烯纖維網，因此在爆破壓力作用下其能夠承受更大的壓力。

2.4 機理分析

綜上所述，加入纖維層后，給水管道整體的抗壓能力和抗爆破能力均產生了一定幅度的提高。分析認為，纖維強化層材料主要為聚丙烯纖維，主要作用是增強管道的抗壓能力，聚酯纖維為偶數層反向纏繞于內層之上，且纏繞方向要與管道軸向成55°左右的夾角；外層材料主要為聚乙烯，能起到保護纖維強化層及防磨損的作用。從增強管不同結構及其作用可知，纖維強化層起著承擔主要荷載的作用，相比于內層高密度聚乙烯材料而言，聚酯纖維因其具備較高的剛性而斷裂伸長率較低。在外部壓力作用下，失效主要是由于其變形量超出了聚酯纖維的斷裂伸長率，因此纖維的纏繞角度及排布狀態等對于保障給水管道的抗壓和抗拉性能具有十分重要的作用。

表2 給水管爆破試驗結果

3 結論

本次研究依托于北方某城市給水管道改造工程，通過室內及現場試驗研究了纖維增強給水管道的工程性能，主要結論如下。

(1)纖維增強管保壓能力較強，普通給水管中的最大、最小靜水壓力差0.18MPa，而纖維增強管則僅為0.07MPa。

(2)纖維增強給水管爆破壓力平均值為21.8MPa，而普通給水管爆破壓力的平均值僅達到16.9MPa，相較于纖維增強給水管下降了22.48%。

(3)受限于試驗條件，本次研究僅針對纖維增強管展開抗壓試驗與抗爆破試驗，下一步應當增加溫度因素對管道性能的影響研究。