装配式建筑结构中管道套管防渗漏堵方案的研究方法与流程

本发明涉及管道套管防渗漏堵领域，更具体地说，涉及装配式建筑结构中管道套管防渗漏堵方案的研究方法。

背景技术：

伴随着城镇的高速发展，建筑物管道已经成为了城市基础建设设施中不可或缺的一部分，建筑管道大量铺设于建筑结构的每个角落，相应的配套套管也成为了基建设施中不可忽略的组成部件。

在建筑结构中，为了避免外界对管道的损坏，常采用在套管内铺设管道的方法来保护管道，套管内主管道排除了第三方和外界作用力的破坏，但由于套管的存在屏蔽了阴极保护电流，增加了主管道的外部腐蚀概率，由于套管环境的特殊性，管道存在一定的外腐蚀隐患，建筑结构中管道穿越楼板通常采用钢制套管保证管道的有效安全，国内外已发布了多本有关套管的规范与标准，详细规定了管道套管的设计、安装、施工等要求，诸多学者对套管的强度计算方法、阴极保护措施和完整性评价等问题亦进行了大量研究，并取得了丰硕成果。根据住建部门相关统计资料，相关地区已建超过2年的钢筋混凝土结构有80％左右在管道套管部位存在渗漏问题，由于管道套管部位密封不严，使得生活用水渗出，相应的周边阀门、管线等设备长期浸泡在潮湿环境中，产生了严重的腐蚀，进而导致阀门失灵、管线寿命缩短、周边结构受损，严重影响建筑功能使用，由于管道本体腐蚀和应力的作用破裂而产生泄漏，甚至污染地下水和周围环境，此外，穿越楼板部位的管道泄漏处理难度较大，费用较高，进而造成巨大的经济损失。

为此，提出装配式建筑结构中管道套管防渗漏堵方案的研究方法。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供装配式建筑结构中管道套管防渗漏堵方案的研究方法，它通过采用封闭弹性波纹管补偿式套管技术，能够防止管道连接部位外壁的腐蚀，降低管道内介质的泄漏率与维修成本，并且采用柔性封堵通过预留管道膨胀裕量，能够防止主管道与套管之间发生相对位移，从而保证封堵端的完整性，同时利用数值模拟分析套管内管道阴极保护的各影响因素和保护状态，能够在一定程度上弥补了理论计算和经验估计的不足，减少了实际测量带来的繁重的测量工作和昂贵的测量费用。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

装配式建筑结构中管道套管防渗漏堵方案的研究方法，包括以下步骤：

s1：选取合适的管道套管渗漏防治方案，采用封闭弹性补偿式套管，在管道上套装套管，在套管的端头与管道之间由波纹管弹性元件封闭联接，在套管上固定止水板，埋置于楼板中与管道成为一体，波纹管外表面采用与管道相同等级的防腐处理，从而使管道与套管之间形成一个密闭的空腔；

s2：根据现场的具体情况，选择任一种形式的套管，对于新建项目，封闭弹性补偿式管道套管安装前需要根据管道外径、材质、长度以及楼板厚度和材质，选择套管的规格形式和连接方式；对于维修项目，利用原来的套管，在两端连接上波纹管补偿元件；

s3：设计对套管端进行密封的封堵方案，根据生产经验，工程中常用两类套管端部封堵方案，结合管道约束规律，对套管内主管道在操作工况下的应力和位移水平进行分析，综合评判两种封堵方式的适应性，并以此推荐合适的管道套管端封堵方案；

s4：选取合适的套管封堵方案，采用柔性封堵套用作管道穿越时套管端口密封的方法，使端部密封套的材料特性能够适应管道输送温度和施工期间的环境温度，并使得端部密封套材料与输送管(或防腐材料)的粘合能够长期稳定，同时在保证端部密封套强度的前提下(遵照相关技术规格要求)，采用褶皱式安装法为管道运行中的伸缩提供伸缩裕量，若要求设置排气管，则采用具有双开口的柔性封堵套；

s5：数值模拟套管对金属管道阴极保护电位的影响：

第一步、建立模型，包括数学模型和边界条件与物理模型和模型求解，先对模型进行简化，再确定边界条件，最后按照相关步骤对所建立的模型进行管道阴极保护电位的计算和结果分析；

第二步、结果与讨论，总结套管、套管两端是否密封、涂层质量、套管内电解质、套管内是否安装牺牲阳极套与管内外管道涂层缺陷点对管道阴保电位的影响；

第三步、结论，管道安装套管后，套管越长对管道阴保电位的影响越大；密封的套管，能够防止土壤、地下水、淤泥等杂质进入套管内导致管道发生腐蚀的情况；涂层质量越好，强制电流法所耗的电能越少，牺牲阳极使用寿命越长；内部电解质的电导率越大，管道的保护电位就越负，因此在套管内充满电解质情况下，需要电解质材料的电导率良好，用以保证套管内管道能得到足够的阴极保护作用；内部安装牺牲阳极有利于实现该特殊段的阴保电位；当套管内外管道涂层缺陷越严重时，管道阴保电位正向偏移越大。

进一步的，所述s1中的波纹管弹性元件，质量可靠、零泄漏、成本低、使用寿命长，能够防止管道连接部位外壁的腐蚀，降低管道内介质的泄漏率。

进一步的，所述s2中的连接方式可以选择焊接、卡接、法兰连接。

进一步的，所述s3中两类套管端部封堵方案分别为基于碎红砖、水泥砂浆与沥青麻丝等绝缘材料的刚性封堵和基于端部密封套的柔性封堵。

进一步的，所述s4中端部密封套周围采用细砂或细土回填，避免回填物中夹带尖锐物体。

进一步的，所述s5中的相关步骤为先对已生成的模型采用自由剖分四面体网格划分，其次设置求解器，使精度达到要求，最后进行后处理，利用软件自带的后处理功能获得后续对比分析所需要的数据和图形。

进一步的，所述求解器为稳态求解器。

进一步的，所述精度要求为小于0.001。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案通过对管道穿越部位的泄漏原因分析和技术方案比选，采用封闭弹性波纹管补偿式套管技术，利用弹性波纹管补偿管道的伸缩量，使管道与套管之间形成一个空间，从而达到管道套管零渗漏和防止腐蚀的目的，能够防止管道连接部位外壁的腐蚀，降低管道内介质的泄漏率，保护了阀门井内的管线和阀门，降低了维修成本，延长了管线和阀门的使用寿命，保护了建筑水环境，并且采用柔性封堵套用作管道穿越时套管端口密封的方法，使端部密封套的材料特性能够适应管道输送温度和施工期间的环境温度，并使得端部密封套材料与输送管(或防腐材料)的粘合能够长期稳定，管道在刚性封堵无法提供足够锚固力的条件下，采用柔性封堵通过预留管道膨胀裕量，能够防止主管道与套管之间发生相对位移，从而保证封堵端的完整性，同时利用数值模拟分析套管内管道阴极保护的各影响因素和保护状态，数值模拟技术在一定程度上弥补了理论计算和经验估计的不足，减少了实际测量带来的繁重的测量工作和昂贵的测量费用，通过数值计算能够得到被保护体构建物表面各个点的保护电位和电流密度。

附图说明

图1为本发明的整体流程示意图；

图2为本发明的电场微元体模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-2，装配式建筑结构中管道套管防渗漏堵方案的研究方法，如图1所示，包括以下步骤：

s1：选取合适的管道套管渗漏防治方案采用封闭弹性补偿式套管，在管道上套装套管，在套管的端头与管道之间由波纹管弹性元件封闭联接，在套管上固定止水板，埋置于楼板中与管道成为一体，波纹管外表面采用与管道相同等级的防腐处理，从而使管道与套管之间形成一个密闭的空腔，起到了防水防腐蚀的作用，波纹管弹性元件，质量可靠、零泄漏、成本低、使用寿命长，能够防止管道连接部位外壁的腐蚀，降低管道内介质的泄漏率，保护了阀门井内的管线和阀门，降低了维修成本，延长了管线和阀门的使用寿命，保护了建筑水环境；

s2：根据现场的具体情况，选择任一种形式的套管，对于新建项目，封闭弹性补偿式管道套管安装前需要根据管道外径、材质、长度以及楼板厚度和材质，选择套管的规格形式和连接方式；对于维修项目，可以利用原来的套管，在两端连接上波纹管补偿元件；为节约材料和成本，在水压较低的情况下，可以采用在套管接触水一侧安装波纹管补偿元件，进行一侧封闭；在材料的选择方面，对于可焊接金属管道，为了便于连接，选择使用金属材料的封闭弹性补偿式管道穿墙套管；对于非金属管道，既可以选择金属材料的封闭弹性补偿式管道套管，也可以采用非金属的；连接方式可以选择焊接、卡接、法兰连接；选择卡接和法兰连接方式会增加静密封点，但不影响套管的密封效果；外置补偿式焊接套管结构安装简单，适合大多数金属管道的穿墙部位的防渗漏；外置补偿式法兰连接套管适合用于管道与补偿元件材质不同的情况，通过法兰、螺栓及垫片使管道与补偿元件连接；内置补偿式焊接套管结构适合对建筑物、构筑物内部结构空间要求简洁美观的情况，适合大多数金属管道部位的防渗漏，为了便于安装，可采用套管与可调阶梯套管自由连接的方式，自由调节套管的长度；内置补偿式法兰连接套管适合对建筑物、构筑物内部结构空间要求简洁美观的情况，适合管道与补偿元件材质不同情况的管道部位的防渗漏，以上几种结构形式可以根据所处环境的具体情况进行选择，或采取其他的组合形式；按照相关规范安装，即可满足套管的安装精度要求；对于易腐蚀的材料，需要对靠近地下水侧套管采取与管道同级别的防腐蚀处理或采用沥青防腐；

在管道上应用该技术的关键环节在于管道伸缩量的计算和波纹管补偿元件的选择；首先，根据公式计算出管道的热胀冷缩变化量，公式如下：

δx＝0.012×(t1-t2)×l

式中：

t1为热媒温度，℃；

t2为管道安装时的温度，℃；

l为管道计算长度，m；

0.012为钢铁的线膨胀系数，mm/(m·℃)；

由于管道在温度变化引起伸缩的过程中受到楼板阻力的作用，考虑摩擦系数，经过计算和实际经验，循环水、新鲜水(消防水)、污水类管道的伸缩量小于25mm，埋地供热管道的伸缩量小于50mm；然后，根据管道的热胀冷缩变化量和管线外径选择波纹管补偿元件，由于波纹管尺寸规格已按内径标准系列化，所以根据标准选取即可；最后，根据楼板材料和厚度确定套管直管段长度；

对于装配式钢结构楼板孔，取消套管的直管段和止水板，弹性补偿元件直接焊接在钢制井井壁，外表面易腐蚀的部位采取与管道同等级的防腐处理；对于混凝土结构楼板孔，按照规范要求的施工方法和顺序安装套管的直管段和止水板，弹性补偿元件焊接在管道和套管直管段，外表面易腐蚀的部位采取与管道同等级的防腐处理；在安装过程中，根据管道的伸缩量和波纹管的补偿量确定波纹管的预压缩量；由于水压远远小于钢制波纹管的耐压强度，因此，水对弹性补偿式管道套管的压力可以忽略不计；

s3：设计对套管端进行密封的封堵方案，根据生产经验，工程中常用两类套管端部封堵方案，基于碎红砖、水泥砂浆与沥青麻丝等绝缘材料的刚性封堵和基于端部密封套的柔性封堵，结合管道约束规律，对套管内主管道在操作工况下的应力和位移水平进行分析，综合评判两种封堵方式的适应性，并以此推荐合适的管道套管端封堵方案；管道在运行状态下，由于温度、压力等对管道系统作用，管道将产生应力和应变，因此，套管封堵端封堵的稳定性还受到操作条件下管道活动的制约(主要考虑管道形变对封堵端的影响)，管道完全约束的方式大致分两种，一种为楼板的刚性约束；一种为楼板的自然锚固，工程中大部分长直管道可视为处于完全锚固约束状态，出入地附近和线路弯头附近的部分管道处于半锚固半约束状态，完全锚固状态下，管道由于温差、压力等产生的形变被楼板构件等提供的摩擦力约束，故管道呈现高轴向应力、无弯曲应力、无形变的状态；半锚固半活动状态下，管道由于温差、压力等产生的形变只能被楼板提供的摩擦力部分约束，故管道呈现低轴向应力、高弯曲应力、大形变的状态，一般情况下，管道非锚固段长度均大于2.4m，对于穿越楼板的管道，为了调整穿越角度，满足规范要求，一般会在穿越段两端设置相关构造措施；同时，套管内无提供约束，自然锚固段也会中断；故按照上述分析，穿越段管道几乎全部处于半锚固半活动状态，根据分析管道活动段规律，可定性认为穿越段管道在套管中处于可活动状态，对于刚性封堵，若能够提供足够的锚固力，可将套管内管道完全约束；否则，套管内管道将发生热位移，必然导致主管道密封端相对运动，破坏刚性密封的完整性；一般采用asmeb31.8中推荐的应力模型核算不同工况下的轴向应力，该轴向应力主要包括内压、温差和弯矩引起的轴向分力，按照asmeb31.8规定，对两端完全约束直管段，其轴向应力计算方法为：

式中：

μ—泊松系数；

t—管道壁厚，mm；

p—管道内压力，mpa；

d—管道外径，mm；

α—管道热膨胀系数，1/℃；

t1—管道安装、碰口温度，℃；

t2—管道极限运行温度，℃；

e—钢管弹性模量，mpa；

同时，考虑管端推力附加作用后，管道轴向总推力可表示为：

式中：

f—推力，n；

aip—管道内截面积，m2；

apipe—管壁横截面积，m2；

为证实所推公式的准确性，利用caesarii对上述公式计算结果进行复核对比如表；由此可见，根据应力基本规律推导的锚固推力计算公式与软件模拟值非常接近，其误差主要是由于迭代、管系关系等因素造成的，软件计算更为严谨；

通常，管道设置锚固墩后，可为提供管道足够锚固力，减少管道活动，防止应力集中；这种力由锚固墩与楼板摩擦产生，以克服管道热膨胀等传递给锚固法兰的推力；对于刚性封堵端而言，套管内壁、主管道外壁均无凸起，套管只能依靠相互摩擦力提供约束；因此，若摩擦力f大于管道轴向推力f，则表示管道能够被锚固，如下：

f＝f

若采用柔性封堵，则可在操作条件下允许管道发生一定程度轴向移动，故应保证极端位移工况下，密封套允许伸缩量应大于管道自由伸缩量；根据经典虎克定律，在一定温差下，管道的伸缩量为：

δl＝α·(t1-t2)·l

式中：

δl—管道伸缩长度，m；

l—管道原始长度，m；

实际上，管道的伸缩量小于相应的计算结果，这是由于管道受到约束，无法完全自由活动，故以计算结果作为最大允许位移是保守、可靠的；因此，采用的柔性封堵材料，应依据管道最大位移量预留伸长裕量(一般通过套管与主管段过渡处的褶皱实现)，以避免主管道膨胀时拉裂封堵套，保证管道密封效果；

s4：选取合适的套管封堵方案，采用柔性封堵套用作管道穿越时套管端口密封的方法，使端部密封套的材料特性能够适应管道输送温度和施工期间的环境温度，并使得端部密封套材料与输送管(或防腐材料)的粘合能够长期稳定，同时在保证端部密封套强度的前提下(遵照相关技术规格要求)，采用褶皱式安装法为管道运行中的伸缩提供伸缩裕量，当管道在刚性封堵无法提供足够锚固力的条件下，能够防止主管道与套管之间发生相对位移，从而保证封堵端的完整性，进而彻底避免由于运行工况导致的封堵失效，在端部密封套周围采用细砂或细土回填，避免回填物中夹带尖锐物体刺穿密封套，若要求设置排气管，则采用具有双开口的柔性封堵套，尽量减少现场切割；

s5：数值模拟套管对金属管道阴极保护电位的影响：

第一步、建立模型，包括数学模型和边界条件与物理模型和模型求解，先对数学模型进行简化，管道所处的周围楼板介质均匀一致，阴极保护系统处于稳态，阴极保护电流遵守欧姆定律，楼板混凝土介质服从电中性原理，在楼板介质中的微元体模型如图2所示；

根据经典电场理论，楼板周边介质遵循欧姆定律，见式；

式中：

qc为电场中某一边界流过的电荷量，c；

σ为电导率，s/m；

a为边界区域的面积，m2；

φ为电场中某一点的电势，v；

x为单位长度，m；

t为时间，s；

当所考察微元体内部不包含源点和汇点时，由微元体左侧流入的电荷量和从右侧流出的电荷量相同；推导可得楼板电解质区域内电位分布满足如下方程

即

该方程即为表征阴极保护电位分布的控制方程；

再确定边界条件，阳极表面给出固定的阳极开路电位，管道表面以及套管内外表面给出涂层所需保护电流密度；地面绝缘以及套管两端是否密封，若密封，电流无法流入，反之，则电流流入；对楼板下表面以及管道平行方向的楼板表面，设置无限尺寸；其余边界条件的电流为零，零电流边界条件可定义为：▽φi＝0；基于金属材料管道的腐蚀与防护要求，对管道采用涂层法和阴极保护，根据标准中保护电流防腐蚀层的选取原则，选定好、中、差涂层的管道保护电流密度分别为0.01ma/m2、0.05ma/m2、0.1ma/m2；模拟方案是对多个试验工况进行改变，以寻求其对管道电位的影响；

物理模型和模型求解，取长度为2000m的管道，管径为610mm，在管道长度方向的中间位置设置牺牲阳极，牺牲阳极为圆柱体，长5m，直径0.2m；在距离牺牲阳极左右各300m处，分别设置20m长和10m长的套管，套管管径813mm，壁厚10mm；套管内的镯式牺牲阳极为主半径0.31m、小半径0.05m的圆环；楼板区域为长方体，尺寸为2200m(长)×50m(宽)×20m(高)；分别建立套管、管道、阳极以及两端密封模型，而后建立楼板环境；管道和牺牲阳极的埋深都为2m，且牺牲阳极距离管道中心距离为3m；其中牺牲阳极材料选用锌阳极，开路电位为-1.05v；土壤电阻率取20ω·m；

最后对所建立的模型进行管道阴极保护电位的计算和结果分析，步骤如下：先进行网格剖分，对已生成的模型采用自由剖分四面体网格划分，管道与套管以及阳极边界网格划分为极端细化，其他楼板求解域划分为特别细化，降低求解成本；其次设置求解器，采用稳态求解器进行求解，设置精度要求为小于0.001，如果达不到精度要求，重新设置求解器配制参数，增加迭代次数，反复修改，直到求解结果的精度达到最终要求，再进行后处理，利用软件自带的后处理功能获得后续对比分析所需要的数据和图形；

第二步、结果与讨论，总结套管对管道阴保电位的影响，套管两端是否密封对管道阴保电位的影响，涂层质量对管道阴保电位的影响，涂层质量包括套管表面涂层质量与管道外表面涂层质量，套管内电解质对管道阴保电位的影响，套管内是否安装牺牲阳极对管道阴保电位的影响，套管内外管道涂层缺陷点对管道阴保电位的影响；

第三步、结论，由于套管对阴保电流有屏蔽作用，致使阴保电流无法顺利流入管道，且套管越长，屏蔽作用越明显，因此管道安装套管后，套管段的阴保电位会受到套管的影响，且套管越长影响越大；密封的套管，能够防止土壤、地下水、淤泥等杂质进入套管内导致管道发生腐蚀的情况；涂层质量越好，阴保电位就越负，管道所需的阴保电流就越少，强制电流法则所耗的电能越少，牺牲阳极则使用寿命就越长；内部电解质的电导率越大，管道的保护电位就越负，因此在套管内充满电解质情况下，需要电解质材料的电导率良好，用以保证套管内管道能得到足够的阴极保护作用；套管内管道由于阴保电流被屏蔽，因此内部安装牺牲阳极有利于实现该特殊段的阴保电位，达到阴保的效果，而且在安装牺牲阳极的同时，保证套管密封性良好，能够有效的的延长套管内牺牲阳极使用寿命；当套管内外管道涂层缺陷越严重时，管道阴保电位正向偏移越大，管内缺陷点不仅危害大而且难检测，因此在工程上对套管内管道涂层需要采取加强级保护，尽量避免产生缺陷点。

本技术方案，通过对管道穿越部位的泄漏原因分析和技术方案比选，采用封闭弹性波纹管补偿式套管技术，利用弹性波纹管补偿管道的伸缩量，使管道与套管之间形成一个空间，从而达到管道套管零渗漏和防止腐蚀的目的，能够防止管道连接部位外壁的腐蚀，降低管道内介质的泄漏率，保护了阀门井内的管线和阀门，降低了维修成本，延长了管线和阀门的使用寿命，保护了建筑水环境，并且采用柔性封堵套用作管道穿越时套管端口密封的方法，使端部密封套的材料特性能够适应管道输送温度和施工期间的环境温度，并使得端部密封套材料与输送管(或防腐材料)的粘合能够长期稳定，管道在刚性封堵无法提供足够锚固力的条件下，采用柔性封堵通过预留管道膨胀裕量，能够防止主管道与套管之间发生相对位移，从而保证封堵端的完整性，同时利用数值模拟分析套管内管道阴极保护的各影响因素和保护状态，数值模拟技术在一定程度上弥补了理论计算和经验估计的不足，减少了实际测量带来的繁重的测量工作和昂贵的测量费用，通过数值计算能够得到被保护体构建物表面各个点的保护电位和电流密度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。