城市输水钢管连接方式及应用现状概述★

张琳琅

(武汉华夏理工学院智能制造学院，湖北武汉 430070)

随着我国城市化进程的加快和海绵城市建设的实施，地下管网建设已经成为城市基础建设的核心内容之一，被誉为城市的地下生命线，地下管网将越来越发达，对管道连接的要求也越来越高。目前我国城市输水管网建设中，管材主要有预应力钢筒混凝土管(PCCP)、钢管(SP)、球墨铸铁管(DIP)等，预应力钢筒混凝土管抗渗能力较好，但是管道自重较大，很难运输;球墨铸铁管具有良好的耐压、抗氧化和腐蚀性，但是造价高，经济性较差［1］。21世纪以来，随着国内钢铁冶金技术的发展，钢管产品性能大幅提高，输水钢管具有强韧性高、抗变形能力强、焊接性能好、现场施工方便、维修快捷等特点，在城市埋地给排水管网建设和大型引水工程中得到广泛应用［2］。本文针对输水钢管接口，从刚性连接和柔性连接两方面介绍输水钢管的主要连接方式及其应用情况，并对输水钢管连接技术的发展趋势进行展望。

1 输水钢管刚性连接方式及应用

刚性连接是指接头之间不存在伸缩和转动，连贯性好，管体刚度高，主要有焊接、法兰、螺纹和粘结等几种连接方式。

1.1 焊接连接

焊接是钢管最基本连接方式之一，其利用金属分子在高温下相互渗透并结合为一体的原理，实现焊件间的物理连接，包括钢管连接焊接和钢板节点焊接连接。目前应用最广泛的焊接钢管产品为螺旋缝双面埋弧焊接钢管，利用热轧钢卷经螺旋加工成型后，采用自动埋弧焊工艺焊接而成。

焊接连接具有安装简单、接口接触紧密、强度高等优点，但是劳动强度大，对操作者和环境要求较高，焊缝修复困难，虽然采用焊接机器人可以提高焊件质量和生产效率，但是随着管网管径越来越大，地质条件复杂，埋地钢管在沟槽中对焊接施工的难度大大增加，容易出现焊接缺陷，导致焊缝开裂、渗漏等问题［3］。

焊接连接适合于大直径钢管的连接，对于50 mm以上直径的钢管，一般采用对接;对于50 mm以下直径的钢管，一般采用套接。近年来，焊接钢管在输水工程领域的应用越来越多，主要项目见表 1［4］。

1.2 法兰连接

法兰连接是一种广泛应用的钢管连接方式，通过钢管端部的两个法兰彼此相连，然后用螺栓固定，见图1。法兰连接有多种类型，常见的有塔接接头法兰、套领法兰、焊接法兰、螺纹法兰等。法兰连接的主要优点是易于制造安装、操作简单、强度高，但缺点是容易腐蚀，密封性不好，维护成本较高，主要用于地面管道连接、但不能承受一定轴向位移和相对角位移的管道接口。

表1 焊接钢管在输水工程领域的应用实例

图1 法兰连接结构示意图

20世纪70年代以来，国外率先开展法兰连接研究，其研究成果已在炼油、输水管道和化学工程领域得到应用。例如，在深海管道的法兰连接技术中，美国的Sonsub公司、挪威的Acergy公司和瑞士的Allseas公司都有相关的技术和产品［5］。相比之下，中国对法兰连接技术的研究相对滞后，主要用于管道容器连接和电源组件连接，而且对于大直径管道而言，法兰连接成本较高，这也限制了其在城市输水领域的应用。

1.3 螺纹连接

螺纹连接顾名思义是指在钢管两端连接处，分别加工成螺口和螺纹，旋转连接在一起。

由于需要加工螺纹，一般应用于小口径(直径在6 mm～150 mm)的自来水、煤气等管道，管道一般采用镀锌钢管，如果使用焊接接头，镀锌层容易脱落，而且螺纹接头的抗压强度不如焊接接头［6］。

为了提高螺纹接头的强度，通常将厌氧粘合剂施加到连接螺纹上，抗压强度可以增加到约30 MPa［7］。螺纹接头的另一个缺点是螺纹的加工和安装成本高，费时费力，这也是大型输水工程中很少采用螺纹接口的原因。

1.4 粘结连接

粘结连接是指在钢管两端涂上专用的粘连剂，通过粘连剂的化学作用，将钢管连接在一起的一种方式。因为要采用粘结，为了尽可能增加接触面积，粘结接头都采用套接，可进一步分为外套筒式和内套筒式。

粘结连接方便，施工简单，但是接头强度受粘结剂质量影响较大，使用寿命不长，目前很少用于输水管道，主要采用粘结剂来修补管道和堵漏［7］。瑞士、德国和美国生产了一种比较适合金属连接的粘结剂，可以用于管道连接，但是价格昂贵，经济性差，粘结管道技术还需要进一步研究和开发。

2 输水钢管柔性连接方式及应用

刚性接头不能承受弯曲，难以抵抗轴向应力容易断裂，因此越来越多的工程中使用柔性接头代替刚性接头。

柔性连接中应用最广泛最成熟的是承插式柔性接口，是指将输水钢管的一端加工成承口、另一端加工成插口，并设计特殊的内部结构，放置柔性橡胶密封圈，见图2，图3。橡胶密封圈是由一个或多个部件组成的套圈或垫圈，防止液体泄漏和异物侵入，通过插口与承口配合，达到连接和密封的效果。承插式柔性接口可以使钢管从一个长径比大、易断裂的细长件转变为不容易折断的链状构件，能显著减缓地质应力使管道断裂的问题。

图2 两种典型的承插式柔性接口结构

图3 输水钢管承插式柔性接口实物图

输水钢管承插式柔性连接具有安装快捷、方便施工、密封可靠、抗震性好、消除地基不均匀沉降，加工成本和施工费用低等特点。2000年以来，国内开始采用柔性接头来扩展和成型钢管，成功应用于广西省贵港市广州大观路和广东省新会市的DN1 200 mm～DN1 600 mm给排水工程;2005年年初上海长江引水三期DN2 400 mm也铺设了900 m套筒式输水钢管［8］。承插式柔性接口在埋设管道尤其是大直径输水管道中的应用越来越广泛，已成为埋设输水钢管建设的最优选择。

3 钢管连接新技术及发展趋势

随着材料技术的飞速发展，新工艺新技术得到了广泛应用，也引领了输水钢管连接技术的发展。

3.1 先进复合焊接技术

在地质条件稳定，管道应力不高的环境下，焊接连接仍有用武之地。目前先进的焊接技术比如激光—电弧复合焊接技术，整合了电弧焊接间隙适应性强，激光焊接速度快、能量密度高的优点，包括激光—TIG焊接、激光—MIG/MAG焊接、激光—等离子焊接等方面，主要应用在石油天然气管道和输水管道焊接中，尤其是在中厚板管道焊接方面具有明显优势［9］。

3.2 3D 打印技术

3D打印技术的快速发展，为承插口的加工成型提供了新的技术发展方向，通过3D打印制造的承插口结构，比传统的辊压成型和扩胀成型精度更高、工艺适应性更强，同时可以根据不同的地质环境，定制不同的承插口结构，灵活性更高。

3.3 形状记忆合金接头技术

形状记忆合金接头，连接原理是利用两种不同合金的形状记忆效应，在低温液氮中，使承口管内径略大于插口管的外径，组装好后回到室温，通过相变其内径恢复到略小于插口管外径，从而形成牢固且紧密的永久接头，一般适应8 mm～40 mm直径的管道连接。记忆合金的价格相对较高，仍然很难在工程中得到应用。

3.4 输水钢管连接技术发展趋势

随着社会的发展以及工业化对管网建设的要求不断提高，输水钢管连接技术获得了良好的发展契机，从刚性接口到柔性接口、从接口结构到用料都在更新换代。如今科技前沿的纳米技术和3D打印技术在输水管道材料领域的开发创新和应用为我们提供了从原子、分子的微观程度去提高输水钢管连接技术的途径。未来无论是焊接技术的创新或者新型材料的发展，管道连接技术会向着更经济、更便捷、更实用的方向飞速发展。

4 结语

目前城市管网工程领域中，输水钢管具有强韧性高、抗变形能力强、施工维修快捷等特点，得到广泛应用，其中输水钢管承插式柔性接口在管道尤其是大直径输水管道中独具优势，成为埋设输水钢管建设的最优选择。工艺和技术的进步，都会给管道连接带来发展，利用原有管材在接口上做文章，提高管材的利用效益和工作效率，使我们尽快在输水管材及运用技术领域占据一席之地。