上海市原水管道爆管破壞的原因分析

施 亮

(上海城投原水有限公司，上海 200000)

0 引言

原水管道是上海市區生產、生活用水所需水源的供應大動脈，包括黃浦江一期、二期引水系統和長江一期、二期、三期引水系統以及青草沙引水系統的管道部分。原水管道的安全運營是上海市人民生活的重要保障，本文針對原水管道在冬季容易發生漏水破壞現象進行分析。

張志磊［1］從各方面分析了計算管道組爆管率，進而計算聯合爆管率，確定存在隱患的管道;駱升［2］從城市供水管網爆管預警監測系統、供水管網安全運行系統、爆管快速反應搶修系統三個方面進行深入分析。分析了爆管的主要原因是材質較差、管道陳舊、道路改擴建對供水管道的擾動、路面動荷載影響、管道接口和銹蝕等問題。

1 上海原水管線爆管現狀描述

經過對2008年以來原水管道爆管現場的調研，發現了以下較為常見的現象:1)管道上方有違章堆土;2)爆管現象絕大多數發生在冬季;3)管線破壞點的位置大多位于焊縫處。結合原水管線自身特點，本文擬從以下三個方面對原水爆管現象進行原因分析:違章堆土;溫度應力;焊縫質量。

管道發生破裂，一般是由于主拉應力超過了管材的破壞極限，本文僅考慮原水鋼管的情況，原水管道管材一般使用Q235-B，彈性模量 E=2.1 ×1011Pa，泊松比 μ =0.3，質量密度 ρ=7 850 kg/m3。管道直徑D=2.7 m，管道厚度t=18 mm。抗拉極限強度σb=375 MPa左右，管道所受到的內壓p=0.2 MPa。根據上海軟土地層情況，選擇常用土體資料作為計算的地質資料。其中:①填土;②粉質粘土;③夾砂質粉土;④淤泥質粉質粘土;⑤淤泥質粘土。土的重度統一取為γ=18 kN/m3。

2 針對爆管的原因分析

2.1 違章堆土對管道的影響

1)堆土引起管道變形分析:為了計算堆載作用下管道變形情況，首先利用有限元方法計算管道的變形。將管道簡化為截面為圓管的梁單元，置于上述的土層上，采用兩層之間位移耦合定義，土層與梁之間定義為y向位移，即兩者下沉一致，見圖1。

圖1 管道變形受力圖

考慮管道的直徑D=2.7 m，管壁厚度t=18 mm;當堆載高度h=3 m，位于管道的上方，堆載長度40 m。有限元模型取管道長度100 m，40 m長的堆載位于有限元模型中間。采用ANSYS有限元程序計算，管道和土體的參數與上面相同。

根據管道堆載的ANSYS有限元計算結果，得到不同堆載高度下有限元計算的管道相對位移和轉角，管道沿荷載中心對稱。

以上單獨分析堆土對管道的影響，并未考慮管道內壓的影響，由于原水管線通常處于通水狀態破壞，原水管線運營水壓通常為0.2 MPa，下面重點考慮在0.2 MPa作用下管道的受力情況。

2)在堆土和管道內壓共同作用下的管道內力分析:根據上述管道的彎曲變形結果，建立管道的應力有限元模型。考慮管道變形的對稱性，取一側管道長度20 m，管道的兩端為位移約束。管道受到內壓為0.2 MPa，在管道周圍施加土壓力，上面考慮堆載和土體重力作用，管道的兩側和底部考慮埋管承受的土體重力作用的載荷。管道截面受力見圖2，堆載和內壓共同作用下的管道受力值見表1。

圖2 管道截面受力圖

表1 堆載和內壓共同作用下的管道受力值

2.2 溫度應力對管道的影響

如果考慮到由于溫度降低導致管道溫度拉應力:

其中，E為管道的彈性模量;α為管道材料的熱膨脹系數;ΔT為溫度增量。

表2 堆載與溫度應力的綜合考慮

通過上述計算可以看到，在堆載、內壓和溫度應力的綜合作用下，3 m高堆土在溫度降低20℃情況下，管道已經達到屈服強度，但不會爆管(見表2)。根據爆管現象的總結，漏水點通常處于焊縫位置處，因此焊縫質量也是需要考慮的重要因素。

2.3 焊縫質量對管道的影響

在原水管網中，鋼管占據大部分比重，鋼管一般使用焊接的方法連接在一起，由于施工質量的影響，鋼管的焊接很難完全達到要求，而后續檢驗焊縫質量的也經常采用抽樣檢查的方式，焊縫質量難以保證沒有缺陷，破壞通常從焊接有缺陷的薄弱環節開始。因此，焊縫質量對管道的安全有著重要影響。

下面重點考慮對接焊縫錯邊量對管道受力的影響。

在管子對接焊縫的對口錯邊量b引起的最大軸向應力增加量公式為:

其中，σz為管道軸向應力;S為管壁最小厚度。

可知，錯邊量和管道的厚度比值在0.1時，原水管道軸向應力將增加30%;比值為0.3時，原水管道的應力將增加到90%。

由上述計算可知，如果在堆高2 m和溫度下降20℃，管子對口錯邊量b與管厚比值0.3的情況下，可得最大管道的軸向拉應力為381.2 MPa，已經超過母材的強度極限。堆載1 m高時，最大管道的軸向拉應力為348.5 MPa。

3 結語

本文結合原水管道的基本情況，考慮了在堆土荷載、溫度應力以及內水壓的綜合作用的最不利荷載的情況下，管道的最大軸向拉應力，得到在這些因素的綜合作用下，管道在2 m的違章堆土、20℃溫度變化、0.2 MPa水壓的綜合作用下，管道已經接近屈服狀態，但并不至于發生爆管破壞，由于原水管道之間焊接而成，焊縫的質量好壞成為了爆管的一個重要因素。

根據以上分析，本文給出以下建議:

1)管道施工階段嚴格檢查焊接質量，采用新型檢測手段，檢驗焊縫的質量。2)加強對管線上方的管理，定期巡視，發現違規堆土立即上報，同時加強管道周圍居民的法律意識，積極參與到原水保護的工作中來。

［1］張志磊.供水管網爆管原因分析與預測研究［J］.供水技術，2014，8(5):13-17.

［2］駱 升.城市大口徑給水管道爆管對策措施［D］.杭州:浙江工業大學，2012.

［3］楊啟明.壓力容器與管道安全評價［M］.北京:機械工業出版社，2010.