新疆準東開發區供水工程設計關鍵技術及應用

摘要：供水管道穿越有較強腐蝕性的荒漠地區，且具有地形起伏高差大，用水戶多，用水時間不均勻的特點，結合多年設計經驗，對供水工程中的水錘防護、陰極保護和管道檢測作了技術分析和探討，提出利用調壓塔和犧牲陽極的陰極保護系統進行管道保護，確保供水工程安全運行和最大限度延長管道使用壽命。

關鍵詞：供水管道 水錘防護 陰極保護 管道監測

0 引言

新疆準東經濟技術開發區是西部大開發戰略的重要能源基地，核心是煤電煤化工產業園，具有重要的戰略地位，該區域供水工程必須確保安全、穩定和可靠。

1 供水系統總體方案

新疆準東長距離供水工程近期建設規模為8700萬m3/年，遠期建設規模為4300萬m3/年。取水水源為準東五彩灣園區5000萬m3水庫，沿途共設二級提升泵站，二級泵站設置于K6+240，末端至湖北宜化企業接水點，起終點間地形高差約為160m。

本工程設計管道為雙管供水，近期沿規劃吉彩路敷設一條DN1400的PCCP管道，總長17.8km。遠期增加一條管道，與近期管道并聯敷設，中間設連通管。一、二級泵站近期均設三臺水泵機組，一級泵站水泵揚程96m，二級泵站水泵揚程118m。

2 供水管道陰極保護設計與測試

2.1 陰極保護方案

為了最大限度地減小供水工程所用PCCP管道中鋼筒和預應力鋼筋的腐蝕破壞，延長PCCP管道的使用壽命，設計采用犧牲陽極的極陰極保護系統對PCCP管道進行保護，具體方案如下：采用棒狀鋅陽極對PCCP管道的鋼制構件進行保護，采用帶狀鋅陽極對PCCP管保護。

2.2 陰極保護要求

平行PCCP管道埋設一條帶狀鋅陽極對PCCP管道內的鋼筒和預應力鋼筋進行保護，鋅帶以30m為一個標準單元，相鄰兩鋅帶交互布置在管道兩側，兩端通過電纜與對應的管子進行電連接；對于有鋼制構件的位置，如排氣閥井、放空閥井、連通設施、分水口和彎頭處，PCCP管與鋼構件可以不用采取電纜連接。

2.3 電連續性要求

根據NACE RP 0100標準要求，應對PCCP管中預應力鋼筋和鋼筒進行電連續性連接，本工程所用PCCP管在制作中采用了鋼絲下壓接兩條鋼帶，并將鋼帶在PCCP管端與鋼筒焊接，保證預應力鋼筋和鋼筒之間陰極保護電流的電連續性；同時為保證PCCP管之間的電連續性，應對每節PCCP管進行電連續性跨接，本工程所用PCCP管的制作中已將兩端的連接鋼片安裝完畢。

在PCCP管道保護段，應將所有的PCCP管進行電連續性跨接；但與PCCP管相鄰的鋼構件管不進行電連續性跨接。

電連接的要求：每節PCCP管鋼帶與鋼筋兩端電阻小于0.03歐姆，兩節PCCP管連接電阻小于0.001歐姆。

2.4 電絕緣

為防止雜散電流的干擾和PCCP管道保護電流的流失，在保護管道的首末端、分支處以及與外部管道的連接處安裝絕緣設施進行電絕緣。

本工程采用在管道兩端涂敷環氧樹脂絕緣材料實現。

2.5 陰極保護準則

根據NACE RP 0100-2004標準，在PCCP管道陰極保護系統正式投入運行后，管道的極化電位差不應小于100mV；最低負電位不應負于-1000mV（CSE，去IR降）。

鋼構件最小保護電位取-750mV（CSE），極化電位差不應小于100mV。

本工程陰極保護系統的設計壽命為25年。

2.6 陰極保護測試及分析

2012年8月1日-2日，業主委托測試公司用數字萬用表和Cu-CuSO4參比電極等對通用保護電位、自然電位等進行測試，測試項目說明如下：

2.6.1 自然電位

管道埋地后，由于土壤腐蝕的原因，會在金屬表面形成一個腐蝕電位，此電位反映了自然狀態下管道的腐蝕情況，叫自然電位，為后續極化電位的測試提供參考基準。簡單的說，自然電位就是管道無陰極保護時的電位，用來衡量此處管道的腐蝕狀況。

2.6.2 管道通電保護電位

管道自然電位測試完成后，立即對管道施加陽極電流進行極化，直到管道的電位穩定在合理的范圍后，方可認為極化完成，此時得到的電位值就叫管道通電保護電位。簡單的說，通電電位是管道在和陽極連接狀態下的電位，此電位含有l降的測量誤差，僅作參考。

2.6.3 探頭通電電位和探頭斷電電位

斷電電位作為管道保護極化水平的判別標準，在測試中是極為重要。此處采用探頭斷電法得到探頭通電電位和探頭斷電電位，首先探頭與管道連接，讀值為探頭通電電位，然后探頭與管道斷開，讀值為探頭斷電電位，要求測試人員在斷電后的0.5s內測得準確的斷電電位數值。

2.6.4 陽極開路電位和管道開路電位

在得到管道極化后真實的斷電電位后，可根據相對應點的自然電位，得到極化電位數值，即陽極開路電位和管道開路電位。管道和陽極通過電纜形成電路連接，這兩個電位僅在說明檢測時檢測地陽極和管道的自然電位，可為今后檢測數據作參考。高純鋅的標準電位為-1100mV。

2.6.5 極化電位差

極化電位差值=探頭斷電電位-自然電位

2.6.6 交流電壓

交流電壓的測試關系到管道的安全問題，確定接地極的位置等，不能小于5m，確保接地裝置不得對管道陰極保護造成不利影響。

結果如表1所示：

測試結果說明：①從自然電位數值大部分大于350mV看出，管道確實存在腐蝕的情況，選擇使用陰極保護的決定是正確和必要的。②把探頭斷電電位和其他各項數值對比陰極保護準則，可以看出，陰極保護起到了比較好的保護效果。③從輸出電流可以算出，陽極平均壽命可以達到25年。

3 水錘防護

本工程為高揚程、長距離、兩級串聯的水泵加壓供水系統，管線中存在明顯的局部凸起點。在事故停泵過渡過程中，極易在這些點處出現水柱分離及其再彌合現象，產生巨大的彌合水錘壓力。設計的水錘防護措施如下：

3.1 調壓塔

本工程為高揚程、長距離、兩級串聯的水泵加壓供水系統，管線中存在明顯的局部凸起點。在事故停泵過渡過程中，極易在這些點處出現水柱分離及其再彌合現象，產生巨大的彌合水錘壓力。經計算，線上樁號3+372、14+700和16+875處安裝單向調壓塔，其中，補水管設置兩條，互為備用。

3.2 排氣閥

對于高揚程多起伏長距離供水管道，工況較復雜，對水錘防護要求較高，應采用具有恒速緩沖功能的排氣閥。恒速緩沖排氣閥是恒速排氣，既能保證管道中氣體及時排出，又使氣體在管道內起到一定氣墊的作用，在排氣結束時又具有緩閉功能，對消減斷流彌合水錘效果明顯。

理論研究和工程實踐表明，在停泵過渡過程中，當空氣通過空氣閥進入管道后，在管道內水倒流升壓的過程中，若排氣速度過快，也可能因空氣閥前后水柱的碰撞而產生大的壓力升高。因此，排氣閥宜選用“快進慢排”式復合排氣閥，將排氣閥作為單向調壓塔的后備水錘防護措施。

3.3 水泵出口防護

水泵出口閥是抽水系統在正常、非正常情況下進行停泵斷流的重要設備，其過流特性對工程的正常運用與事故控制都有很大的影響。

由于凈揚程較高，為防止事故停泵過渡過程中，水泵倒轉轉速超過額定轉速的1.2倍，同時又不致因關閥過快產生巨大的水錘壓力升高，泵出口閥宜采用兩階段關閉。本工程在水泵出口設半球式液控管力閥，當水錘發生時，可解決水泵的反轉轉速和水泵出口壓力升高在允許范圍，主泵出口設檢修閥門可對全站泵組進行檢修，安裝調試方便，管道的水錘計算滿足要求。

4 管道監測

供水管網遠程測控系統主要由調度中心、通信平臺、監測終端、壓力變送器和流量儀表組成。

調度中心放置在一級泵站的中控室，監測整個供水管網測點的壓力、流量、流向；生成每個測點的壓力、流量數據曲線；生成每條管線壓力分布曲線；生成各種工作報表；輔助預測、發現爆管事故；提供輔助決策建議；存儲、查詢、對比歷史數據；遠程維護監測設備；輔助管理管網管道、閥門、變送器、流量計等設備。調度中心的主要配置見表3。

供水管線監測系統間隔3km左右設置一套管網監測系統中繼通信平臺，安裝有光端收發器和交換機，負責收集測控終端采集的監測數控，將數據整理后通過沿線光纖將數據實時上傳。

管網遠程測控終端將根據現場實際情況選擇管道重要地段安裝。遠程測控終端使用太陽能電池板配合蓄電池供電。它的功能特點：采集管網壓力、流量、流向、電池電壓等數據；將采集數據主動上報到調度中心；支持定時上報和監測數據超限上報；現場可存儲、顯示、查詢壓力、流量等數據及工作參數。每套遠程測控終端的主要配置見表4。

5 結論

本工程通過設置復合式進排氣閥、單向調壓塔及緩閉止回閥，有效防止了水錘的發生，工程于2011年10月正式通水，運行情況良好，未發生過爆管等情況，有力保障準東開發區經濟社會可持續發展，可為類似地區工程項目實施提供借鑒。

參考文獻：

[1]金錐，姜乃昌等.停泵水錘及其防護（第二版）M.北京 中國建筑工業出版社，2004.

[2]楊玉思，徐艷艷等.長距離高揚程多起伏輸水管道水錘防護的研究.給水排水，2009，Vol.35 No.4.

[3]楊玉思，徐艷艷等.長距離高揚程多起伏輸水管道水錘防護的研究.給水排水，2009，Vol.35 No.4.

[4]NACE RP 0100-2004 Cathodic protection of prestressed concrete cylinder pipelines.

[5]GB/T 21448-2008 埋地鋼質管道陰極保護技術規范.

[6]GB/T 21246-2007 埋地鋼質管道陰極保護參數測試方法.