長距離供水管道安全運行控制要點分析
——以福州市某應急供水EPC工程為例

許奎清

(福州城建設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

長距離供水管道在運行時，水泵、管道和閥門常常會受到水錘破壞，導致爆管事故，嚴重影響管線安全。水錘是在壓力管道中因流速劇烈變化，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現象。只要建設中各階段均嚴格對水錘防護措施進行管控，水錘的破壞是可以被控制在安全范圍內。但在實際工程總承包管理時，往往會在一些主要環節和關鍵技術上出現各種各樣的控制缺失，致使原本可以避免的危害卻一再發生。比如，設計時對水力模型分析經驗不足，選擇水錘防護的措施片面，排氣閥選用和布設不合理；施工中質量主控項目不清晰，對管道試壓的工法陌生；運行時不重視初次啟動充水時的排氣，工作人員的錯誤運行操作等等。

基此，本文擬結合福州市某工業園區應急供水EPC工程案例，以給排水專業角度，從工程總承包的設計、施工、運行等重要階段開展系統和科學的分析，總結主要管控環節，歸納管理過程中水錘防護的技術控制要點，為同類項目提供可程管理經驗借鑒。

1 項目概況

案例為福州某工業園區用水提供的應急備用水源，主要建設內容包括約13.5km的管道(DN800鋼管)，以及一座4萬t/d的預制一體化泵站(內設3臺潛水泵：Q=600m3/h，H=43m，P=110kW)。輸送介質為水庫原水采用變頻恒壓方式供水，工作壓力0.5MPa。泵站(A點)底面高程約2.5m，管道沿線最高點(G點)高程29.32m，管道終點高程2.39m，園區末端(I點)進水壓力要求不低于0.2MPa，泵后管道沿線高程情況如圖1所示。

圖1 泵后管道沿線高程圖

2 設計環節技術要點

2.1 水力過渡模型分析

長距離管道的水錘防護，從設計階段就應提前考慮相關措施方案。在管線走向基本確定后，結合管道縱斷面圖，建立沿線高程圖，并根據高程圖分析水力模型特點，找出安全運行風險的控制要點，針對性地提出水錘防護措施。

案例項目總體輸水方式為單級加壓輸水。但因地形、流態、壓力和流速的不同，水力過渡模型又可細分為正常加壓輸水(A-G段)和類似重力流系統的有壓重力輸水(G- I段)。其中，加壓輸水段包含3處“拱背”狀模型(B-C段、D-E段和F-G段)。在拱背處易產生水柱斷流，出現氣穴；另外，當加壓輸水段空管注水時會出現“U型管”模型，其水力流態近似多個U型管串聯組成。同時，有壓重力輸水段中流態受地形和坡度影響變化大，可能出現非滿流狀態，而且重力流的水錘多為關閥水錘，宜通過末端閥門快慢二階段關啟控制或采用大小兩閥門階梯控制，以實現流速的均勻遞減變化。有壓重力輸水段可分為陡坡段(G-H段)和平坦段(H-I段)兩部分，經過G-H段的陡降，能進一步消減壓差和勢能，使平坦段水力過渡過程更安全可控。

2.2 水錘防控方案

水錘的防控需有針對性且系統綜合性。針對性包括水泵、次高點、末端閥門和某段某處的保護措施等；系統性則指水錘防護的設計方案，包括安裝復合式排氣閥、二階段緩閉止回閥、水錘預作用閥、調流調壓閥、單向補水水池和調壓塔等等。因傳統單向水池與調壓塔需在特定管線位置占地，對于征地困難的工程較少采用。

在明確項目水力過渡模型和水錘防控方案后，宜采用計算機動態數學模擬程序，對模型的恒定流態和瞬變流態系統進行模擬分析，對比不同工況和有無拒動狀態，得出最大和最小的水錘壓力值，以及發生的時間規律與位置關系，復核驗算水錘防護措施的效果。最終目標是達到規范標準，將最高水錘限制在工作壓力的1.3倍～1.5倍，并將負壓控制在2m以內，甚至消除[1]。

2.3 復合式排氣閥的設置要求

水錘防護設計方案中，性價比最高的措施是合理選用和設置復合式排氣閥。

復合式排氣閥的功能應含低壓緩慢排氣、低壓快速進氣和高壓微量排氣，其作用在于順暢排出管內氣體，也能防止管中出現負壓，同時在水柱分離后彌合時能緩慢排氣，起到類似緩沖氣囊般的作用，減小水柱斷流后的彌合水錘。這也是緩慢排氣的要求。因此，排氣閥并不是管徑越大越好，得通過空管充水排氣量計算、正常排氣量復核、爆管進氣量復核和泄水時進氣量復核等4個步驟綜合選型。

復合式排氣閥不僅布置在各管段隆起處或下降的拐點處，而且在一般平緩段(坡度≤1‰)也應每0.5km～1.0km設置一個。結合案例，考慮G-H段管線坡度較陡，水力過渡過程復雜，因此在該中間起伏處以及坡后相對平緩的位置，增設進氣排氣閥，以保障順暢排氣。

3 施工環節技術要點

為保障長距離供水管道系統安全調試運行，結合項目特點，識別質量風險主要環節在鋼管的內外防腐、管道的焊接、成品鋼管質量、泵站筒體的滲漏、管道與池體的抗浮、陡坡管道的抗滑移、軟弱基礎地基處理等。

質量驗收的主控項目，最主要是功能性試驗(水壓試驗，也叫試壓)，驗收應100%合格。只有試驗合格，才可投入運行。同時，試驗壓力一般為工作壓力P的2倍，而規范允許水錘是1.5倍工作壓力，比值間留有0.5倍的安全富余壓變。因此，試壓合格的管道，對水錘的危害抵抗力會更強。

試壓分為預試驗和主試驗兩階段，判定依據分為允許壓力降值或允許滲水量值，可二選一，常用壓力降值判定。

結合案例，工作壓力P為0.5MPa時，試驗壓力為1MPa(規范要求P+0.5，且不小于0.9)，鋼管的允許壓力降值為0，DN800焊接接口鋼管允許滲水量為1.35 L/min·km。[2]

具體工序如下：

①試壓準備：試壓安裝示意圖如圖2所示。管道試壓分段進行，每段不宜超過1km。注水時，從下游緩慢注入，在管段的高點設排氣閥。鋼管在焊接接口完成后1h后進行試壓。選用彈簧壓力計，量程試驗壓力1.3～1.5倍，精度高于1.5級。不得用閘閥做蓋板(或堵板)，注水完成后，鋼管浸泡24h以上。

圖2 管道試壓安裝示意圖

②試壓過程：首先預試驗，將水壓緩慢升至試驗壓力，并穩壓30min，若期間壓力下降則注水補壓。該階段主要目的是檢查接口和配件等處有無損壞與漏水。若無損壞與漏水，即可進入主試驗階段。

主試驗階段，在試驗壓力下穩壓15min(期間不得注水補壓)，當15min后無壓力下降，則將壓力降至工作壓力，并恒壓30min檢查有無漏水現象。若無則表面試壓合格；若采用滲水量判斷，則在試驗壓力下補水恒壓2h以上，通過補水量換算與允許滲水量對比，小于允許值則試壓合格。

4 運行環節技術要點

4.1 初次充水啟動的操作

初次充水啟動是保證管道系統安全穩定運行的重要環節，而其關鍵在排氣順暢。若充水速度過慢，除了致使通水時間太長，也不利于管道排氣，會導致管內積氣，成為系統運行時的安全隱患；若充水速度太快，快于排氣速度時，會導致管道氣體堵塞，引起水壓波動，影響過水能力。同時，初次充水啟動時，水力過渡過程復雜且多變，不可預見的影響因素多，因此應編制初次充水啟動操作規程，并請有經驗的運行人員進行現場指導[3]。一般初次充水速度控制在0.3～0.5m/s，效果最好，太低的流速無法排凈管道內的氣體。結合案例，按DN800管徑換算后流量約540～900 m3/h之間，初次充水流量選取600m3/h，即一臺潛水泵工頻充水運行。充水操作前，檢查全部排氣閥是否靈敏有效，保證能正常使用。在充水過程，調度人員沿線(上游向下游)跟蹤充水狀態，通過排氣閥的啟停，判斷水流位置和排氣狀況。同時，可以開啟全部泄水閥輔助判斷水流位置，以助于順暢排氣和清洗管內雜質，在泄水閥出水20s后關閉。管道滿水的判斷，可通過末端排氣閥終止排氣，且末端壓力表持續穩定升壓并超過0.2MPa。

4.2 正常運行過程中操作

長距離供水管道日常安全穩定的運行，關鍵在控制管內流速與排氣，避免急劇快速的變化而導致水錘破壞。正常運行中，技術管控要點，主要在于閥門開關和水泵啟停過程的操作控制。

①閥門開關操作：閥門操作時，主要在于避免開閥水錘和關閥水錘，注意控制啟閉的速度，做到緩開緩閉。開閥和關閥操作應按規定程序進行，避免速度過快而產生水擊。水泵出水電動蝶閥的關閉操作宜執行快慢兩階段關閉規律，第一階段快關至65°～75°，第二階段可5～7倍于快關時間，緩慢關閉至全關。

②停泵過程操作：每臺水泵停機時，均應按照先關閥門、后停泵的操作順序，注意在閥門關閉后停泵間隔不得太長。如案例中水泵功率為110kW，其關閥后停泵間隔不得大于3min。對于有降頻分檔停泵操作的(即通過變頻控制，逐檔調低水泵流量，直至關停)，要注意關閉時間控制。

③啟泵過程操作：水泵啟動分為初次通水啟動、正常啟動和事故停泵再啟動3種情況。時常產生含氣的斷流水錘，其主要原因是管道中存在積氣，啟泵時充水速度大于排氣速度，出現斷流水柱彌合撞擊。啟泵時，按照先關閥、后啟動水泵順序操作，關閥情況下水泵(功率≤110kW)持續運行時間不得大于3min。同時，特別注意突發的事故停機后再次啟泵的操作，因為突然停泵過程產生的壓力波，往往會使管道中產生大量氣體。因此，要控制再次啟動時的充水速度，并檢查沿線排氣閥的排氣狀態，確保管道內氣體排凈后，再逐步增加至正常流量，才能保證安全運行。

結合案例，初次充水排氣是在單泵工頻下進行，因此，事故停泵后先啟動一臺水泵排氣，完成后再陸續啟動其他水泵，進行工況運行。在啟泵操作中，不僅僅針對整個機組事故停泵后重啟時需進行排氣，在每次機組啟動前，均得按此流程進行排氣操作。

5 結語

為保障長距離供水管道安全運行，通過對福州市某工業園區應急供水EPC工程案例的總結與歸納，闡釋了水錘防護技術控制要點：

(1)設計階段應結合管道全線高程圖分析水力過渡模型，根據水力模型有針對地提出水錘防控方案，并梳理復合式排氣的選用和設置要求。

(2)施工及質量驗收時，應識別項目主控項目，對管道試壓前準備和試壓過程的工法進行了重點整理歸納。

(3)運行階段應結合實際調試經驗，應充分重視初次充水啟動操作過程。