城市給水管網爆管成因分析及預防措施

廖宗蓉

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

引言

隨著城市不斷發展壯大，城市給水管道的數量也在不斷增加，城市給水管網系統作為城市公用設施的一部分，對于保障城市的經濟穩定發展有著舉足輕重的地位.但由于施工不良，管路老化、水壓異常等因素的影響,造成大量漏水損失甚至爆管，管網局部水質降低，有壓水流大量涌入民居、廠房、倉庫、地下工程等，導致財產經濟損失，甚至危害人身安全.給水管道爆管事故帶來的危害是極其嚴重的，因此，研究和分析爆管的形成原因和預防措施，對預防和減少突發性爆管，改善給水管網系統安全運行，降低成本，節約能耗藥耗，減少水質污染，具有重要的社會、經濟和環保意義.

1 爆管的類型

爆管（Breaks）暗含了給水管道的結構性故障，它會導致管道的碎裂或者完全斷裂，爆管會產生實質性的壓力損失，導致破裂點流量的急劇變化.爆管的類型可分為：環向破裂、縱向破裂、承口破裂和罐壁穿孔[1].

2 爆管的成因分析

導致城市供水管網爆管的原因很多，不同地區、不同管材的管網爆管會有不同的主要誘導因素，即使同一處爆管，也有可能是幾方面共同作用的結果.

2.1 腐蝕成因

腐蝕是影響管道系統可靠性及使用壽命的關鍵因素.管道腐蝕是弱化系統完整性的一個主要因素，并且導致給水管道的其他問題，包括破裂、輸送能力的減弱以及水質變差，95%的鋼管漏水是腐蝕穿孔.

對于城市給水管網，由于歷史原因，上世紀五、六十年代使用的給水管材的管道內壁沒有加襯，外壁沒有防護，金屬及其合金的腐蝕主要是化學或電化學作用引起的破壞，有時伴隨機械、物理或生物作用.對于非金屬材料來說，破壞一般由于直接的化學或物理作用，如氧化、溶解、溶脹等，常見的有混凝土的腐蝕、石料及玻璃等磨損和磨蝕的現象；對于有機物質的材料，主要的破壞性是由細菌、霉菌或昆蟲的生命活動引起的；塑料、油漆、橡膠類材料由于紫外線導致聚合物的老化，熱能導致材料分解的破壞等現象[1][2].腐蝕主要表現在以下幾方面：

2.1.1 外部土壤腐蝕

土壤中含有水分和能進行離子導電的鹽類，使土壤具有電解質溶液的特征，因而金屬在土壤中將發生電化學腐蝕.同時，土壤中由于細菌作用而引起腐蝕，即微生物腐蝕.外部的腐蝕和侵蝕性的土壤，可以弱化金屬和混凝土管道，是導致管道破裂的因素之一.

2.1.2 內部腐蝕

內部腐蝕既可由于石墨化而弱化管道，也可由于其產生的管道結節而減弱管道的水力輸送能力而導致爆管.腐蝕及管道結節的程度取決于水的PH值、電導率、溶解氧、腐蝕抑制劑的使用以及水中沉淀趨勢（如碳酸鈣）.管道結垢是一個相當復雜的過程，管道結垢從成分上可分為鹽類垢（碳酸鈣、硫酸鈣等）、腐蝕垢及泥沙等沉積垢.溫度越高，碳酸鈣、硫酸鈣的溶解度越低，沉淀析出物越多，越容易形成鹽類垢；溫度的變化，金屬的電化學腐蝕也會發生變化，細菌繁殖率也會變化，從而影響腐蝕垢的生成速率；管道中溶解氧的含量高，也會產生嚴重的腐蝕垢；PH值越大，碳酸鈣越容易結晶，污垢越容易生成，PH值越小，腐蝕越大，也會產生腐蝕垢.

2.1.3 雜散電流腐蝕

由于工業和民用用電排入或漏泄至大地，土壤（水）中的雜散電流可導致管道上的腐蝕穿孔.土壤（水）中的雜散電流，表現為直流電流、交流電流和大地電流3種狀態.其中直流雜散電流的干擾源，主要有用于直流電解的設備、電焊機、直流輸電線等，以直流電氣化鐵路為代表；交流雜散電流主要來源交流電氣鐵路、輸配電線路及其系統，通過阻性、感性、容性耦合，對鄰近的埋地管線或金屬體造成干擾，使管道產生流進、流出的交流雜散電流而導致腐蝕；大地電流主要是由地球電磁場的變化感應.雜散電流產生的孔通常是小圓形的，與土壤腐蝕引起的大面積空洞形成鮮明的對比.

2.1.4 兩種金屬的連接

兩種金屬的接觸會由于電離的存在而導致金屬的腐蝕.在配水系統中，腐蝕主要發生在水龍頭或者管箍處，特別在潮濕的土壤中容易發生腐蝕.

2.2 外部荷載成因

過高的外部荷載是水管破裂的最大獨立因素，可以分為3類：①挖掘期間的接觸；②不良安裝或者劣質管材；③表面荷載或者基礎狀況的變化.外部荷載引起的破裂通常是環形斷裂，小型管道更容易發生圓周破裂.

過高的負荷以及其他部門的管道，會破壞管道的基礎；管道的滲漏，會使地下管道周圍土壤流失，形成土壤中的空洞，改變管道的穩定性，造成管道爆裂事故；不能控制的霜凍滲入而引起的負荷，由于凍硬了管道上面的土壤，極大地增加了外部負載，造成管道爆裂事故.

2.3 不良開孔成因

管道開孔會弱化管道，影響其強度，導致其破裂.

2.4 管網運行壓力成因

大多數與壓力相關的破裂主要是由管道內流速劇烈變化所造成的水錘引起，內部壓力引起的破裂通常表現為管道的縱向破裂.如果管網壓力調度措施不當，使得管網運行壓力超出最不利點壓力，管網爆損幾率隨管道壓力的增加而增加.如果管網壓力不能保持相對穩定，必然導致高、低峰水壓波動，引起管網爆損事故發生，尤其是相對老化的管網發生爆管事故頻率更高.

另外，管道材質低劣，耐壓性差是管道爆裂的內在因素.相同條件下管道易裂可能性由大到小排列為：普通鑄鐵管＞石棉水泥管＞球墨鑄鐵管＞鋼筋混凝土管＞鋼管，95%的鋼管由于腐蝕穿孔而漏水，而75%的鑄鐵管漏水發生在管道連接承插接口附近.

3 爆管的預防措施

3.1 給水管材的合理選擇

在20世紀50年代初，給水工程中大量使用的給水管材為抗拉強度為1.4MPa的灰口鑄鐵管.由于灰口鑄鐵管是連續澆鑄，管子硬脆，不耐震，不耐沖擊，抗彎、抗拉強度差.給水管道往往適應不了高壓、重載、震動、沖擊和不均勻沉降等環境條件影響，造成管道破裂，發生爆管事故.通過改進鑄管工藝，合理選材，推廣使用新型管材，如球墨鑄鐵管、PE管等，淘汰灰口鑄鐵管，并采用柔性接口，從源頭上減少供水管網爆管的可能性.

3.2 加強給水管道的防腐

長期埋設在地下的供水管道由于受到土壤腐蝕和電化學腐蝕的作用，造成管壁變薄、強度降低，從而增加發生爆管事故的可能性。此外，管道結垢，造成過水斷面減小，通水能力降低，管道阻力增大，管道超負荷運行而引起爆管。而管齡過長的管道，腐蝕、結垢交互作用，管壁疲勞，更加劇了爆管的危險.

為防止金屬管道化學和電化學腐蝕，可對管道的內部進行加襯處理，外部作涂層處理；對大型金屬管道，可采取陰極保護措施[3]，防止電化學腐蝕；對由于石墨化而弱化管道或管道結節而減弱管道的水力輸送能力，可在水中加入多磷酸鹽，使供水管道內部形成保護膜，可減少腐蝕；對于管道結垢，可根據結垢的性質，采取合適的緩蝕劑和清洗劑除垢，也可采用高壓水噴射除垢、機械除垢和超聲波除垢，保證管道通水能力.

3.3 加強施工質量，避免過高外部荷載

因施工質量造成管道爆裂的現象也屢見不鮮，管道接口是管道施工過程的重要環節之一.目前，管道接口填料存在著過硬、剛性過強的弊病.管道受側向推力作用，承口受拉，插口受壓，而鑄鐵管抗拉強度差，導致承口破裂.另外，水泥砂漿和膨脹水泥砂漿填料都具有膨脹性，一旦膨脹強度超過承口強度時，將導致承口破裂.并且這兩種填料具有抗壓強度高的特點，能夠傳遞側向位移，這也會導致爆管[4].可采取以下措施：

(1)管道附件、爬坡處敷設支墩；

(2)在硬基和軟基交接處安裝萬向伸縮器，消除不均勻沉降造成管道位移而引起管道內部產生的應力.

(3)對于鑄鐵管道接口，采用剛性、柔性相結合的接口方式，例如采用膨脹水泥和橡膠圈接口，石棉水泥口與青鉛口間用，以提高耐壓及抗彎強度，同時用CCTV的方法驗收，探查管道內部接口等處安裝是否符合規范；

(4)在弱地基、沉降不均勻地區和地震區，鑄鐵管道接口的破壞率較高，應采取柔性接口，可采用滑人式橡膠圈接口、r形橡膠圈接口、柔性機械式接口A型及柔性機械式接口K型等；

(5)管道安裝時嚴格按照規范進行管道基礎和回填土的處理，埋深要夠，覆土要密實，對管道安裝過程中的主要工序及隱蔽工程進行檢查驗收，加強施工的全程質量控制.管道埋深過深或過淺都會容易形成爆管，管道埋設過深時，由于上部荷載加重管道又沒有基礎，致使管道發生局部沉陷而產生爆管；管道埋深過淺時，抗重壓能力較差，受到管道上面土層，路面的靜荷和交通車輛的動負荷作用下，容易造成斷裂.此外，如果管道埋深過淺，在冬天氣溫較低時，由于冰凍的作用，對于使用年限較長的鑄鐵管更容易造成斷裂.

3.4 防止管網運行壓力超高

(1)在管線工程中應設置水錘消除器、沖水箱、調壓塔、空氣缸、緩閉式止回閥等，鋼管每隔一段距離設置管道伸縮節，以防止停泵水錘的產生.

(2)建立給水管網監控和數據采集系統SCADA.可對給水管網一些節點的水壓和流量進行實時監測，并采用無線傳送方式實時將水壓和流量信號傳回控制中心，監測整個給水系統的工作狀況，并設置管網壓力限值報警，從而及時采取措施，降低管網中爆損發生的可能性[5].

(3)建立在地理信息系統(GIS)軟件平臺基礎上的給水管網的圖形與數據庫系統.可以準確描述管網及其組件的空間和屬性信息；高效、生動地定位管道、閥門、水表等管網組件，為實際生產運行提供可靠的依據；為施工人員提供管線及其組件的空間位置，避免人為的開挖破壞，在正確開孔和回填之后，還要修補外部涂層和包裹物；發生事故時快速確定關閉閥門.

(4)建立管網的水力模型，分析管網運行狀態，預測各類操作對供水管網運行狀況的影響，對現有管網的運行狀態做出正確評價,對各水廠的出水流量、出水壓力進行合理調配，以滿足管網的需要。在供水系統發生重大事故時，利用管網水力模型對配水管網運行狀態的模擬，分析事故時管網中存在的供水問題，以便采取合理的調度策略，盡可能減少事故的影響范圍.

(5)調整管網壓力.在供水管網建立測壓點，根據各測壓點的壓力變化合理調度水廠二級泵房，使整個管網壓力保持相對穩定，避免由于高、低峰水壓波動引起管網爆管；通過設置減壓閥分為不同的壓力區，適當降低壓力過高地區的壓力；裝置泄壓水池；管網中設置電子控制閥門進行調節等等，可適當降低配水系統局部供水水壓.

4 結語

城市供水管網由于各種原因引起爆管，帶來的危害是極其嚴重的，預防和減少突發性爆管顯得更為迫切.只有科學制定相應的管網爆損預防措施，利用先進的科技手段和先進的儀器設備檢測管網，科學調度管網水壓，才能及時發現和預防爆管，將爆管消滅在萌芽狀態，確保城市供水動脈暢通，保證給水管網系統安全運行.

[1]李樹平，劉遂慶.城市給水管網系統[M].北京：中國建筑工業出版社,2012.

[2]何芳.供水管網爆管分析方法與預防技術研究[D].上海：同濟大學，2005.

[3]余蓉蓉，蔡志章.地下金屬管道的腐蝕與防護[M].北京：石油工業出版社，2009.

[4]張羽.城市供水管網爆損原因、對策分析和預測模型研究[D].北京：北京工業大學，2007.

[5]王祎，田一梅，單金林,等.供水管網系統爆管預測[J].天津大學學報，2010（9）.