摘要：分析了PVC-U管道爆裂的常見原因，指出了在PVC-U管道設計、施工、操作和運輸中應采取的對策。

隨著我國國民經濟的高速發(fā)展，以及國家有關部門對化學建材的大力推廣，塑料管材在許多領域得到廣泛應用，由于PVC-U管材質輕，耐腐蝕，價格低、安裝方便快捷、使用壽命長、流體阻力小等優(yōu)點，其優(yōu)點日益被人們所認識。因而近年來在供水、排水、農田、水利灌溉等領域得到了廣泛應用。但在使用過程中，由于許多使用單位和個人對PVC-U管材性能了解不夠，運輸、施工安裝不規(guī)范，造成即使產品質量合格的管材，也時常出現(xiàn)一些PVC-U管道爆裂的事故。不但造成管道損壞無法供水，搶修等方面的經濟損失，同時也使人們對PVC-U管道的可靠性產生了疑問，從而影響了PVC-U管材的推廣。因而弄清楚PVC-U管道爆裂的原因，采取適當預防措施，具有重要現(xiàn)實意義。文本只對質量合乎國家標準的PVC-U管材在使用試壓過程中發(fā)生爆裂的原因進行分析，并提出相應對策。

1、  PVC-U管材的性能及使用溫度

與金屬管相比，盡管PVC-U管材具有耐腐蝕、質量輕，安裝方便等優(yōu)點，但其機械性能溫度變化又有其特殊規(guī)律，具體表現(xiàn)在：

 1.1彈性模量：

      PVC-U管材的彈性模量一般為3.2×103Mpa，僅為鑄鐵管3﹪左右，且其數(shù)量值溫度的變化較大，表1列出了不同溫度下的彈性模量：

由上表可以看出，在20-50℃范圍內，Z幾乎是恒定的，50℃開始有明細下降。

1.2彎曲強度：                   

PVC-U材的彎曲強度比鋼鐵等金屬小的多，且隨溫度升高下降較多。表2 列出了不同溫度下的彎曲強度。

1.3沖擊強度：

PVC-U管材的沖擊強度熱穩(wěn)定性差（隨溫度降低而劇烈降低，且橫向及縱向的沖擊強度也不一致）。在20℃時的沖擊強度比在-20℃相差5倍，特別在切口、裂口處，沖擊強度隨溫度變化的曲線。

表3沖擊強度與溫度關系

1.4拉伸強度：

溫度不同，PVC-U管材拉伸強度值變化較大。表4列出了不同溫度下的PVC-U管材的拉伸程度。

表4 聚氯乙烯管材在各種溫度下的拉伸強度

由于PVC-U管材的彈性模量、彎曲和拉伸強度值隨溫度的升高而降低，沖擊強度隨溫度的升高而升高，為了保證PVC-U管材的機械性能，輸送水時，一般規(guī)定使用溫度為0～45℃。

2、 嚴格按要求運輸、搬運或儲存管材、管件

PVC-U管材的彈性模量，硬度比鋼鐵，砂礫等小的多。當PVC-U管材與鋼鐵，砂礫等較硬的物體接觸時，會造成PVC-U管材的磨損。因此，當PVC-U管材在鐵皮箱內與金屬，砂礫等直接接觸，車輛劇烈震蕩與野蠻裝卸時，都會使管材表面產生劃痕，甚至裂紋。

此外，PVC-U管材的沖擊強度較低，特別是溫度較低（0℃以下），不恰當?shù)难b卸、運輸易使管材產生裂縫、劃痕、裂紋，在管材劃痕、裂縫處，管材在使用時產生應力集中，而使管材爆裂（裂縫產生的應力集中取決于裂縫的銳度，銳度越大，應力集中越大，圓形裂縫使應力集中三倍）。

因此，在運輸、搬運、施工過程中，一定要文明操作，按照操作要求操作，避免推、扔、拖，不得劇烈撞擊，不能與尖硬物品碰撞，堆放高度不應超過1.5米。

3、 管溝開挖應符合標準，回填土保證質量

3.1管溝開挖應符合標準

為了保證一定的施工空間、使管材和管件連接按操作進行，保證回填土時能按要求操作夯實，避免管道及接口承受彎曲應力而破裂，必須做到：（1）管溝必須平直開槽的底寬不宜小于外徑加0.4m，且總寬度不得小于0.6m。（2）嚴格控制槽底深度，既不能過深也不能過淺。過深時必須用砂礫回填密實到規(guī)定深度，地況上質堅硬的地方及遇到障礙的地方，例如挖溝碰到石頭等時，施工者為降低施工難度，或將溝挖成彎曲的，且彎徑較小，或不能保證溝底深度，這樣易造成管道在敷設后呈彎曲狀，使管材管件及接頭插口受彎曲應力，送水升壓時極易引起接頭漏水或管材、管件破裂。

3.2避免管溝沉降

當土壤含水量高，地基不密實，接頭處漏水時，管溝地基下沉，導致管道下沉，引起管道彎曲和接頭處受拉，產生額外應力，輕者使接頭漏水（漏水導致地基進一步下沉），重者使管材和管件爆破。

所以，一定要確保管道溝處于未擾動的原狀土上，或開槽后經回填密實的地層上。對特殊地層（含水量高或松軟）出的管溝，必要時進行施工設計。一般情況下，要參照《給排水管道工程施工驗收規(guī)范》執(zhí)行，切不可認為管道地基無關緊要而忽視之。

3.3回填土按規(guī)定進行

《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程設計、施工及驗收規(guī)程CECS17-18：98》（以下簡稱規(guī)程、規(guī)定），回填土時必須首先在管下90°支撐角范圍內用砂粒料回填密實，然后用砂土或符合要求的原土回填管道兩側，每次回填0.1m～0.15m，搗實后再回填一層，直至回填至管頂0.1m～0.15m處，試壓前管頂上回填土高度不宜少于0.5m，且以上操作必須從兩側同時回填。

如果不按規(guī)程進行，胡亂將土一次性填入管溝中，既不在支撐角內填砂粒或填符合規(guī)定的原土，也不予以分層夯實，其后果一是無法保證地基平實，造成管道局部彎曲，如果管道上有硬物，在管道送水或運行中，因流速變化或氣體存在而使管道產生震動，硬物（如砂礫等）會與管子發(fā)生撞擊，使管子破裂或逐漸磨穿。二是無法保證管道兩側土填密實，產生震動或有熱膨脹時，就發(fā)生側移，造成管道彎曲，接頭受力，導致管材或管件因承受大應力而破裂。因此，對管道回填土工作，應予以高度重視，嚴格按規(guī)程等要求進行，防止管道側移，還應注意管溝兩側外負荷的不均勻（車輛、堆置物等）而引起不均勻地基變化，必要時予以適當處理。

值得注意的是，試壓工作一定要在回填土高度至少達到0.5m以后進行（接頭處0.5m左右可不填，以便觀察有無泄漏），以免試壓過程中管道擺動和側移，造成管道破裂。

4、 正確支撐和固定管道

按規(guī)程規(guī)定，管道在水平或垂直轉彎處，三通、四通端頭處和關閉的閥門處應根據管道內壓力計算軸向推力，并設置止推墩，管道上設置的閥門、消火栓，排氣閥等附件，其重量不得由管道支撐，必須設置混凝土磚砌等鋼性支墩，支墩應有足夠的體積和穩(wěn)定性，使用錨固裝置將其上的附配件固定，當附配件可產生軸向推力時，應設置止推墩。

設置止推墩的目的是為了將管道上述部位產生的不平衡推力抵消掉，否則這種推力就可能破壞管件和接頭，引起管道破裂，對附配件予以支撐，一是為了避免管道承受附配件重量所產生的額外應力，二是為了在附配件發(fā)生震動時以及開啟閥門，安裝拆卸配件時，避免將震動和扭矩轉遞到管道上，而使管道破裂。

現(xiàn)以二個工程為例，介紹止墩的重要性圖1為噴灌工程中常見的設計方式，圖中數(shù)量多的立管，是為了連接噴灌機軟管接頭。

一般設計鋼管為0.9m-1.1m，立管、鋼管、法蘭、再加水的重量，可達到25kg左右，如不加支撐固定，在管道通水時，由于立管里存在空氣，導致管道劇烈震動，如果立管震動則產生很大力矩，極易使立管下部的三通根部破裂，此類事故已多次發(fā)生。

破裂的原因是因為使用蝶閥，而閥底面積很小，無法固定，僅設置磚墩予以支撐，此外未加其它措施。因而在關閉蝶閥1后，閥前仍有0.5Mpa的工作壓力，產生約為3.2噸的軸向推力，因而破裂。修復后，操作時因關閉蝶閥2而使PVC法蘭1破裂，原因是關閉蝶閥2后，產生3.2噸的軸向推力，而使法蘭1被拉破。事發(fā)后加大了蝶閥1和2處的支撐難度，同時將2個閥門前后的管道用水泥混泥土固定在支撐墩上，才保證了管道正常運行。

從以上兩例可以看出，由于水壓內力，管道震動等原因，會產生極大的力，如不通過支撐、固定等有效手段避免應力作用在管道或管件上，將使管道破裂，設計和施工時，應予以重點注意，對于大口徑管道的支撐和止推墩，應做好施工設計，不得隨意應付。

值得注意的是，在坡度較大的地方安裝管道時，由于夯實不好或土壤摩擦系數(shù)較小，土壤與管道之間的摩擦力不足以完全消除管道重量產生的沿坡度下滑的分力，將會使坡頂接頭承受拉力，坡底管道承受推力，極易造成接頭破裂，因此應分段對管道予以固定。固實或其他結構，需做好施工設計，對露天安裝在坡度較大地方的管道更需如此。

5、 膨脹接頭適當采用柔性連接

      PVC-U管材的線膨脹系數(shù)是0.07mm/m.℃，比其他管材大。因此要注意因溫差引起的變形，尤其是地表水作水源的灌溉系統(tǒng)，由于季節(jié)，天氣原因，溫差可能很大。對于連接的管材，因為粘接后的承口是剛性的，因此無法脹縮，如不使用膨脹接頭，膨脹所產生的巨大應力將作用在管材本身或管件上。經計算，對75-200mm口徑水管，造成的負溫差使管材受到縱向拉應力相當于管內承受著1.18-3.04Mpa的內水壓力，這巨大的應力，極易引起爆管，正確的做法是設計中加設伸縮節(jié)。伸縮節(jié)的數(shù)目，應按照設計運行中的閉合溫差，用公式△L=0.07L×△t來計算。

             公式中：△L --- 因溫差產生的縱向變形（mm）

                    0.07 --- PVC-U管材膨脹系數(shù)（mm/m.℃）

                     △t --- 敷設于使用中內外介質溫度差（℃）

                      L  --- 管道長度（m）

      一般來說，伸縮節(jié)距離不宜大于150m，伸縮量不宜小于12mm，當活套管的伸縮量小時，應增加伸縮節(jié)的數(shù)目。值得注意的是，與法蘭短管的連接，應采用柔性連接，這是因為較多的PVC-U管件中，PVC-U法蘭因結構原因中易因縱向拉力而破裂的管件。

6、 管道的粘接應按規(guī)程進行

       PVC-U管材膠粘劑，主要成分是PVC的溶劑。其粘接原理是溶劑涂敷在插口的外表面及承插口的內表面以后，將PVC的表面溶脹或腐蝕，借助承插時的擠壓力，將兩個熔化的連接頭壓成一體。膠粘劑極易揮發(fā)，揮發(fā)后使溶解的淺表層重新成為硬質固體，基本不影響粘接的強度，而又使粘接強度達到承壓要求。膠粘劑的用量不宜過多或過少，少了不能保證密封或強度，多了則在承插后管材內壁或外壁流淌，腐蝕管材，使管材壁部分甚至全部腐蝕，送水升壓時很快就會從此處破裂。近幾年來已發(fā)生幾次這樣的事故，而且多發(fā)生在氣溫低時。因為氣溫低時，膠粘劑的揮發(fā)速度明顯減慢，相同量的滲出膠粘劑可造成更深的侵漬深度，明顯降低了該處強度。所以在粘接管道時，應嚴格按照規(guī)范要求進行，膠粘劑的用量以承插到位后，接口邊緣有少許膠粘劑溢出為度，且要針對溢出的膠粘劑用干布擦拭干凈。在承口里涂敷膠粘劑時，要由里向外涂敷，以免膠粘劑流入管材或管件內壁。

7、 水錘和氣錘

              不按設計和操作引起的水錘和氣錘造成的爆管，在爆管事故中占有相當大的比例，而其設計不當，造成的又占絕大部分，尤其在農村和偏遠地區(qū)，由于以前很少使用塑料管道，缺乏設計經驗，發(fā)生事故的機率更高，因此弄清楚水錘和氣錘的原因，對避免水錘和氣錘具有很大的作用。

           水錘和氣錘發(fā)生的根本原因是因為水和氣體都是可壓縮的，直接原因是管道中水流狀改變，導致管道中水壓發(fā)生劇烈波動。

當上水時，從泵口流出的水以很高的流速V1，在管道中流動，在流至管堵處，水流突然變?yōu)?span>V0=0，水流的動能變?yōu)閴毫?，使水或氣體（如果管道中有未排掉的氣體）流至管堵處的壓力高于其前的壓力時，水或氣就猛然膨脹，迫使該處的水回流，從而造成內壓力猛升，繼而下降，水再次前流，達到一定壓力時又回流，如此反復沖擊，導致水壓起伏巨變，這就叫做開泵水錘。

當關閉泵出口閥或突然停泵（不關出口閥就停泵或斷電）時，水泵出口流速突然變小中斷，前面水流在慣性作用下繼續(xù)向前流動，導致其后部形成一定真空度或充氣（系統(tǒng)能進氣的話）的空間，造成水流分離，流向前方的水流將動能或勢能（水流動力）轉變?yōu)閴毫?，由于其勢能或壓力高于斷流處勢能或壓力，水流回擊，使壓力上升，繼而下降，反復沖擊。流速變大，所產生的水錘或氣錘造成的沖擊波也越大，氣體的壓縮系數(shù)較水大得多，所以氣錘的沖擊波較水錘造成的沖擊波大得多，這叫做閉泵水錘。

這樣，由于主干管上閥門的啟閉，也會產生水錘和氣錘。水錘或氣錘又分為直接水錘或氣錘，和間接水錘或氣錘。直接水錘或氣錘是指水流突變的時間小于水錘或氣錘波的傳播周期（水錘或氣錘反復沖擊一閃的時間），大于傳播周期時為間接水錘，直接水錘的破壞力瞬間可達到正常工作水壓的幾倍甚至幾十倍。

特別指出的是，在產生水錘或氣錘時，同時會造成流體分離，形成真空，將管道抽癟，當水流再一波沖擊時，又在壓力下鼓起，加速管道破裂。綜上所述，當開泵或停泵，閥門前部均會產生水錘，如管道系統(tǒng)中存有空氣，則會產生氣錘。操作上為降低水錘氣錘，使用時應注意：（1）開泵時應先關閉泵的出口閥再合上電閘，待壓力穩(wěn)定后再緩慢將閥門開啟，避免不關泵出口，合上電閘直接開泵。（2）停泵時，應先緩慢關閉出口閥后拉下電閘，避免不關泵出口閥直接停泵。（3）主干管上的閥門，尤其在單線管上的閥門開啟、關閉時，都必須緩慢進行，使水流的變化緩慢一些，不致造成直接水錘或氣錘。（4）在使用過程中應注意安裝排氣閥，將系統(tǒng)中的空氣排掉，以免產生氣錘。特別注意測量地形時，應在至高點處一定要安裝排氣閥，否則，即使別處安裝了排氣閥，也無法將高點處的氣體排出。（5）對地形和使用條件復雜處，設計時要考慮安裝水錘消除器等。

綜上所述可能產生爆管的原因，有時幾種原因單獨發(fā)生還不足以使管道破裂，但兩種原因疊加在一起，則可能使管道在薄弱處破裂。如前圖1所示的噴灌工程管道，多種管件增加給管道附加應力，水錘（或氣錘）會產生額外內壓。實際計算的附加應力包括在內，可能都不至于使管道破裂，但其共同作用則可能使管道破裂，如再不加固定或保護措施即使水錘力量不大，但足以是立管劇烈震動，這時可能導致管道破裂。因此，在管道的設計、搬運、施工、安裝使用中，應嚴格遵守標準及規(guī)程，消除爆管原因。這對PVC-U管材、管件推廣，使用具有重要意義。