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PE给水管道磨损性破坏事故分析

2014-05-25 23:15:58 来源:山东文远建材科技股份有限公司点击:

PE给水管、PVC管材因其优良特性而在流体输送系统中得到广泛应用,但在某些部位易发生破漏事故。介绍了PE输送矿砂系统与PVC输水系统短时间内发生多次漏损的案例,分析了其磨损事故的原因。指出流体扰动对管壁的磨损是管道产生破漏的原因,其实质是管道设计的缺陷所致。

关键词:PE给水管;PVC-U管道;耐磨损性能;管道设计


塑料管道是一种耐磨损性非常好的管道

无论是PE给水管还是PVC-U输水管材都有光滑耐磨、摩阻系数小的特点。下表为各种常用材质耐磨损性能的一组实验数据,其方法是采用10%金刚砂(过120目筛网砂砾/水)泥浆,做水喷试验,磨损结果见下表:

70度倾斜角磨损试验(泥浆喷射速度14m/s)


材料

质量损失/mg


体积损失/mm3


材料


质量损失/mg


体积损失/mm3


PE100(HDPE)


20


21



962


123


PE80(HDPE)


22


23


聚丙烯


163


180



1081


138


PVC-U


332


244

从上表得知,HDPE材料的耐磨损性能在常用材料中是最好的,质量损失性能优于常用钢铁材料约50倍,体积损失性能优于钢铁材料约6倍,总体来说,塑料管材的耐磨损性能比常用的钢、铁材质的管材更具优势。尤其是PE给水管,由于其具有优良的耐磨损性能,常常被用于固体输送系统。

两起磨损性破坏事故案例及分析

但在实际使用过程中,有时会遇到管道被磨穿而破漏的事故,造成管道破损的原因仅仅是由管道的耐磨损性能差决定的吗?具有优良耐磨损性能的管材在什么情况下会变得不是很耐磨了?我们先来分析两个事例,可能会从中得到答案。

案例一:某铁矿厂安装了PE给水管道dn400 SDR26和dn315 SDR17管材及少量焊制管件的输送管道系统,并以水为介质输送尾沙。竣工验收后试运行,使用约1个月后,安装于不同地段的45度(dn315)焊制管件前后若干次发生穿透性破漏事故。在如此短的时间内连续发生漏水事故,而且几次的破漏点均为该种管件弯角内侧的同一结构部位,所有破坏点均有由内部向外磨损过的痕迹。为什么?


将PE给水管材作为矿砂输送用管道是非常合理的选择,这一点是毋庸置疑的,但为什么管道会屡屡破漏呢?让我们来观察一下这个破坏的管材,见上图

从上图和事故现场分析,我们可以初步断定:几起管道破损均发生在HDPE焊制45°管件的内侧,是由管壁内侧首先受到输送流体的磨擦而产生质量与体积方面的损失而逐渐破损的。按常理来说,HDPE管道在输送此种流体时管道受到磨损后会在管壁上由内向外整体变薄,直到管材发生破坏为止,这一过程在正常的运行状态下至少要持续几年的时间,也就是说管道的使用寿命至少要有几年的时间,而此次所发生事故均是在运行后很短的时间(1至2个月)内发生的,破损管道部位很明显受到了局部强烈的磨损,而管道的其它部位则受到了轻度的磨损,这种情况发生在耐磨损性非常突出的HDPE管道上是很不正常的,为了彻底澄清事实,我们对磨损破的整个过程具体分析讨论一下:

在高扬程水泵强劲的推动力下,水携带矿砂在管道内高速流动着,当流过45°弯头时,在受到弯头处管壁的制约后,宏观的流动方向发生变化,但在微观上,流体原有稳定的流动状态同时也被打破,携带矿砂的液流在撞击管壁后,部分流体的流向发生偏移,并在转弯的夹角处产生回旋运动;另一方面,在惯性作用下,流体仍有沿原方向流动的趋势,在紊乱扰动的流体及管壁的制约等多重因素的影响下,流体在转弯的内夹角处形成一个低压区。由于流体具有由高压向低压方向流动的特性,流体不断向这个低压区流动,由于流体惯性力的作用,流体以低压区中心点的切线方向做圆周运动,这样就会形成一个以低压区为中心的高速旋转的涡流,涡流夹带矿砂在高速旋转运动的同时,对其附近的管壁进行持续的磨损,持续作用的结果便就造成了该处的管壁先于其它部位变薄直至破坏的后果。

按上述的原因分析,为了解决问题,我们采取的对策是减小弯头处的转角,以缓解该部位在流体输送过程中所受到的局部冲击与磨擦。具体办法是将所有45°弯头处的弯角均改为两个22.5°弯头,这样就起到了降低水阻,缓解磨擦的目的。通过实际应用的验证,这一方法是完全可行的。所以,在进行固体输送管道设计时,尤其是当我们选用HDPE管材作为固体输送管道时,应尽量减小弯头处的转角,甚至完全可以利用HDPE材料特有的柔韧性,在其许可的弯曲半径内依照地势进行弯曲敷设,这样将减少甚至跟本不用弯头就能完成管道的敷设,既节省了材料费用又减少了流体对管道的磨损,延长了管道的使用寿命。

案例二:某市φ400*1.0MPaPVC-U管线用于输送饮用水。安装完毕并验收合格后开始通水使用,但在正常使用一年多后,该段管路有两至三个φ400*160的异径四通复合管件处先后发生漏水事故。同“案例一”相比,同样也是事故在短时间内连续发生,几次破漏发生部位都相同,破坏点均有由外部向内磨损过的痕迹,这是为什么?

管道破损部位情况为:插口脱出80mm左右,破损点在φ160插口端离管口50-70mm的管壁上,其周围有明显由外部向内磨损的痕迹,局部管壁穿透性破漏,破损孔洞形状不规则,部分破坏处甚至引管道爆裂破碎。

基于以上现象,我们可以做出如下的分析:初期,管材安装到位密封良好,所以未曾出现漏水现象,但随着时间推移及管内水压波动冲击等多重因素的影响,四通管件与支管(φ160mm管材)的连接部位逐渐脱出,当插口脱出承口橡胶圈的有效密封时,就会造成接口密封失效而大面积漏水。插口之所以脱出有两种可能:一种为插口安装不到位,未能达到密封效果。但这种可能性基本可以排除,因为管线安装竣工验收时水压升到12公斤都保压良好,而且之后的一年多时间都能安全运行,没出现过漏水现象;第二种可能性是支管末端(阀门井内阀门预留口处)未能做牢固的支撑。在长期使用过程中,水压对支管末端长期持续的推力作用使支管逐渐位移,当支管位移距离超过φ160管材承口的有效密封深度时,就会使橡胶圈失去密封作用而出现接口处漏水的现象。由于水压的作用,漏出的水以高速射流出,水流急速冲击周围的回填土壤(以泥沙为主),由于回填土的限制,漏出的水无法及时排走,只能在漏水点附近回旋扰动,很快将土壤冲出一个个孔洞,水流沿孔洞携带周围的泥沙在漏水点附近以涡流状高速旋转,不断冲击磨擦管材外壁,使管壁受损变薄,直到管壁磨穿,若此时通水压力很高,甚至可能引发管材的局部爆裂。

事实上,支管末端即阀门井内所做的支撑很不牢固,仅用素砖加木板支顶,故可以断定引发此次漏水事故的主要原因是支管支墩不牢固造成。针对这一设计上的缺陷,对整体管线类似的地点都做了支墩加固处理,问题也得到了根本的解决。

四、综合分析

上面所举的两个案例有其不同之处:管道采用的材质不同,一个所用管道材料为HDPE,一个所用材料为PVC-U,破漏引发起始部位不同,一个是由管道内壁开始磨损而引发破坏,一个则是由管道外壁开始被磨损,但它们又有很大的相似之处,那就是,管材的破坏原因都是由于管道本体被磨损而引发的,归根到底是由于流体的扰动产生了涡流而造成对管道的磨损。我们这里要分析的关键点是,到底是什么因素促成了对管道危害极大的涡流?上面的分析的已经非常清楚,我们必然会得出这样一个结论,那就是管道设计方面的缺陷造成了涡流的产生,进而促成了事故的发生。

所以,在管道设计中,除了要选择适宜材质的管道外,更应根据管道本身特性及所输送介质对管道的要求等特殊条件,制定出有针对性、切实可行的设计方案。上述两个案例中所用管道的内在质量可以肯定的说是丝毫没有问题的,问题就出在了管道系统的流体设计上。对于固体输送的管道系统来说,这一点尤为重要。

结束语

成功的流体输送管道系统,除了要求管道本身质量能达到使用要求外,更重要的一点,也是人们最容易忽略的一个重要因素,那就是管道系统合理的管道设计。只有高质量的PE给水管加上优秀的管道设计,才有优质高效的流体输送系统。