農村安全飲水工程配水管道充水及水壓試驗方案探討

楊麗娜

(烏魯木齊鑫盛開源工程項目管理有限公司，新疆 伊犁 835000)

1 工程背景

特克斯縣農村安全飲水管網提升改造工程位于新疆伊犁哈薩克自治州特克斯縣境內，配水管網全長15.5 km，檢查井37座，排水井4座，水表井87座。喀拉尕什特村配水管網全長18.1 km，檢查井34座，排氣井4座，排水井3座，管道跨路34處；庫木托別村11 km主管網改造，13.5 km入戶管網改造，建設配套檢查井、閥門井。

待農村安全飲水管網提升改造工程配水管道安裝完成至管道運行前，必須通過管道打壓試驗進行安全性測試，也是對管道實際運行過程的一次模擬。充水量的確定和升壓水泵的選型是打壓試驗順利進行的重要環(huán)節(jié)，在升壓試驗過程中，配水管道在壓力的影響下出現一定程度的膨脹，管道內水體因受到壓力的作用體積被壓縮。配水管道水壓試驗所需充水量就是水體壓縮后的體積和管道膨脹所增大體積之和。

為節(jié)省升壓試驗時間，本飲水管網提升改造工程采用兩階段管道試驗方案，即在充水的初期，在管道尚未充滿時，采用大流量水泵快速充水；待管道充滿后升壓的過程中，改用流量較小的升壓泵升壓處理。考慮到打壓過程中，空氣比水更容易壓縮，如果配水管道內存在未排除的空氣，則空氣被快速壓縮后需要補充比計算值更多的水才能達到壓力設定值，這樣，會增大配水管道被損壞的可能性。

2 試驗準備

2.1 試壓區(qū)段劃分

根據管壁厚度、供水壓力等級及閥室場站的地理位置和距離遠近進行試壓區(qū)段劃分。本試驗根據試壓單元進行閥室間距的確定，若閥室間距比規(guī)范[1]所規(guī)定的試壓距離最大值(35 km)和高差(30 m)大，則應進行試壓區(qū)段的劃分。

在配水管道各閥門井下游增設試壓墩，試壓墩共設置5處，以試壓墩為節(jié)點將配水管網水壓試驗管道劃分為6段，試驗過程按照單根管道進行。從上游至下游將各試驗管段分別標號為1#～6#管段。將封堵板設置在試壓墩下游，和配水管道內壁焊連，并在其上下游端增設連通性鋼管和閥門等壓力調控裝置。將試壓墩位置的封堵板按照所對應的配水管道閥門井進行標號，分別為1#～5#，設置簡圖見圖1。

圖1 充水試驗區(qū)段劃分示意圖

2.2 管道試壓準備工作

在開始該飲水工程配水管道升壓試驗前，應進行管道、升壓設備、各管段閥門及壓力表等有關儀器設備等的全面檢查，無誤后方可開始試驗。在試驗過程中壓力表的標定刻度應為試驗壓力的2.0～2.5倍，精度為1.5級，壓力試驗儀應按設計要求分別安裝在試壓管段兩端，且校驗合格，誤差應控制在±1℃以內。按照各管段設計試驗壓力在管道組裝、焊接、下溝、回填完成后分別進行閥門的單獨試壓，在試壓過程中采用橢圓形封頭封堵試壓管段，并對全部焊縫采用超聲波和X射線探傷。配水管道試壓的環(huán)境溫度應不低于5℃。

3 管段變形體積增量的確定

對配水管網施壓的過程中，管段受到內水壓力變化的影響，管段壁會發(fā)生變形。對于缺乏固定端約束的配水管段其管壁還會發(fā)生環(huán)向和軸向兩種形式的變形。

3.1 管段環(huán)向變形體積增量

在管道內水壓力的影響下，管段會發(fā)生環(huán)向膨脹，且管段所發(fā)生的環(huán)向單位伸長量可表示如下：

(1)

式中：ΔL′為管段所發(fā)生的環(huán)向單位伸長量，m；P為配水管段管內壓力，MPa；D為管道直徑初始值，mm；L′為管段長度初始值，mm；Ec為管道彈性模量；δ為管段壁厚，取1.5 mm。

該農村安全飲水工程配水管道在充水實驗中環(huán)向伸長量總量按下式計算：

(2)

式中：ΔL為配水管道環(huán)向伸長量總量，mm；其余參數同前。

飲水工程配水管道充水膨脹后管道直徑d及單位管段體積增量ΔV1分別計算如下：

(3)

(4)

將式(3)代入式(4)可得：

(5)

3.2 管段軸向變形體積增量

飲水工程配水管網若管端封閉，則管道在內水壓力的影響下將沿軸向伸長變形，單位管段軸向伸長變形量ΔL按下式確定：

(6)

式中：f為材料比例系數；A為配水管道截面積，m2；其余參數同前。

則不考慮管段環(huán)向膨脹變形所引起體積變化的情況下，配水管段伸長變形后單位長度內體積增量ΔV2為：

(7)

比較式(5)和式(7)不難發(fā)現，在飲水工程配水管道充水試驗過程中，因內水壓力的影響而導致管段發(fā)生變形的，環(huán)向變形所導致的體積增大量是軸向變形所引起體積增大量的至少4倍，因此，內水壓力所導致的環(huán)向變形是飲水工程配水管道變形及體積增大的主要原因。本工程而配水管網充水施壓的過程中，已對管端施加約束，管道伸長量實際值比管道自由伸長量值小，可忽略不計。

農村安全飲水工程配水管網充水試驗施壓時回填土也會制約和束縛管道變形過程，但是鋼管、PCCP管等管道彈性模量比回填土彈性模量大，所以配水管道在內水壓力的作用下，回填土對管道膨脹變形的影響很小，幾乎可以不考慮[2]。

再次分析式(5)可以看出，等號右端包括兩部分，且第二部分是第一部分的高階小量，所以對于本農村安全飲水工程配水管網充水試驗而言，第二部分可忽略不計，則配水管道因內水壓力膨脹變形后體積的增量可簡化表示為：

(8)

若本工程配水管段管內壓力設計值分別取0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa，管徑為3.4 m，管道彈性模量為1.27，將相關參數取值代入式(8)便可計算出配水管道因內水壓力膨脹變形后體積的增量。

4 充水量的確定

配水管網膨脹量和水體受壓縮量處于相同量級，所以水體壓縮模量和混凝土彈性模量量級幾乎相同，為此，在進行本飲水工程配水管網充水試驗的過程中必須考慮到水體壓縮模量的因素。單位管段內水體壓縮量按下式確定：

(9)

式中：ΔV3為單位管段內水體壓縮量；Ew為水體積模量，取2.06×1011；V為試驗過程中的充水量，m3。

根據理論分析，充水試驗過程中管道內充水量為管道膨脹后體積的增大量和水體受壓體積之和，表示如下：

V=V2+V3

(10)

式中：V2為管道膨脹后體積的增大量，m3；V3為水體受壓體積，m3。

特克斯縣農村安全飲水管網提升改造工程充水施壓試驗過程中試壓壓力設計值最大為1.4 MPa，且當管段內壓力大于0.6 MPa時，出于管道安全方面的考慮，以管段內壓力每升高20 m為間隔。工程施壓管段長1 km，管徑為3.4 m，使用PCCP管材，管段壁厚1.5 mm，砂漿厚40 mm，管芯厚255 mm，鋼絲直徑7.0 mm，管芯混凝土標號C50，管芯混凝土彈性模量，則配水管段內試驗壓力每升高20 m的注水量應按以下步驟確定。

將鋼筒折算為C50混凝土的厚度δ1，公式為：

(11)

式中：Eh為芯混凝土彈性模量，取3.45×1010；其余參數同前。

經計算，本引水工程配水管段鋼筒折算為C50混凝土后厚度為0.000896 m。

將鋼絲折算為C50混凝土的厚度δ2，公式為：

(12)

式中：S1為纏絲單位長度面積，取4452 mm2/m；S2為混凝土管單位長度面積，根據混凝土管直徑計算，mm2/m；其余參數同前。

經計算，鋼絲折算為C50混凝土的厚度0.000298 m。

由上述計算結果看出，鋼筒和鋼絲折算厚度非常小，其與本工程配水管段壁厚δ相比，可忽略不計，即配水管段的折算厚度就是PCCP管的壁厚。

根據式(7)和式(10)所得出的配水管網試驗充水量和壓力變化計算結果匯總情況見表1。

表1 配水管網試驗充水量和壓力變化取值結果

根據表1的結果，在既定的試驗壓力范圍內，隨著配水管段內壓力值的增大，充水量呈增加趨勢，當壓力升高后，水泵流量隨之改變，且當管段內充水壓力處于較低水平時，管道承壓能力較高，充水量對管道安全運行的影響并不十分明顯。但當管道內充水壓力升高至接近試驗壓力時，管道升壓過程的危險程度將持續(xù)增加，這是強控制的重要階段，應根據管道內充水壓力升高的充水速度確定水泵揚程和流量。

5 升壓水泵的選型

如果所使用升壓泵流量過大，則充水時間和管道壓力升高時間縮短，試驗過程控制難度增大，不利于管道安全。相反，若所使用的升壓泵流量過小，則會延長充水時間和升壓時間，影響試驗效率和工期。故應根據工程實際、相關規(guī)范和類似工程經驗，進行管道升壓充水量的合理確定，并據此進行水泵選擇，盡可能保證水泵在高效率狀態(tài)運行[3]，以降低能耗，提升試驗效率。通過表1的分析結果可以看出，在既定的壓力范圍內，管道壓力升降值和補水體積之間存在線性關系，而當水泵升壓后，流量則發(fā)生較為明顯的變化。當內壓較低時管道的承受能力較高，此種情況下的充水流量對管道安全并無較大影響，而管道升壓過程中管道內壓接近試驗壓力的時刻對管道安全影響較大，為此，應選擇該階段為控制階段。可見，水泵揚程及流量選擇時必須重點考慮管道內內壓較高時的充水速度。

水泵揚程按照下式確定：

(13)

式中：H為水泵揚程，m；p2為泵出口處水流壓力，Pa；p1為泵進口處水流壓力，Pa；ρ為水流密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；v2為泵出口處水流流速，m/s；v1為泵進口處水流流速，m/s；z2為出口高度，m；z1為進口高度，m。

對于本工程而言，配水管道內內壓較高的時段即為從120 m水頭加壓至135 m水頭的時段，將工程配水管道具體試驗數據代入上式，可得出離心水泵的額定揚程為120 m。

配水管道充水試驗所選水泵的額定流量按下式確定：

(14)

式中：Q為水泵額定流量，m3/h；P為軸功率，kW；η為泵效，%；H為揚程，m。

將試驗過程中設計泵效率、軸功率等數據代入式(14)可知，應當選擇額定流量10 m3/h的離心水泵，既能達到設定壓力值，又能在實際升壓試驗中按照流量計算結果補充更多體積的水。

6 結論

按照本文所提出的飲水工程配水管道充水試驗方案，能有效解決新疆伊犁哈薩克自治州特克斯縣農村安全飲水管網提升改造工程配水管網施工結束后管道的施工質量及安全性的檢測問題。按照本試驗方案，充水試驗管段分段處的封堵板僅承受上下游的充水壓力差，能有效降低封堵板所承受的試驗荷載，并使封堵板結構設計大大簡化。此外，該充水試驗方案安全可靠、操作簡單，能有效控制試驗時間，可以為類似農村供飲水工程管道水壓試驗提供借鑒參考。