十里河水庫工程高壓長距離供水管道設計要點分析

王自新,馮夢雪,陸 偉

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 工程概況

云南省十里河水庫工程位于云南省玉溪市新平縣，工程建設任務是為城鄉供水和農業灌溉，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等。主體工程由樞紐、供水、灌溉三大部分組成，其中供水工程自十里河水庫取水，水庫建成后正常蓄水位為1 947 m，供水管線沿山體走勢淺埋敷設，穿越元江倒虹吸段最低處管道中心高程為475 m。供水干管設計流量為0.308 m3/s，管徑為D600 mm。受水點有兩處：左分干管終點為2 019 m高程的新化鄉瓦白果水庫；右左分干管終點為1 552 m高程的新平縣城團結水庫。

2 設計要點分析

本工程供水線路大部分為高壓管道，經調研，國內單級靜水頭最大的水電站工程有：云南滇中供水工程雙管倒虹吸管鋼管管徑為D4 170 mm，最大靜水頭為 209 m；四川蘇八姑水電站鋼管管徑為1 000 mm，最大靜水頭為 1 175 m；云南南極洛河水電站鋼管管徑為1 200 mm，最大靜水頭為1 092 m；桂林天湖電站鋼管管徑為1 000 mm，最大靜水頭為1 072 m。國內單級設計壓力最大的輸水工程有：云南元陽縣南沙河灌溉管道工程，灌溉鋼管管徑為1.4 m，最大設計壓力為4.7 MPa；云南玉溪三湖補水應急工程，加壓泵站鋼管管徑為1.2 m，最大設計壓力為 4.2 MPa；云南滇中供水工程，倒虹吸鋼管管徑為4.17 m，最大設計壓力為2.09 MPa；貴州盤縣朱昌河水庫工程，供水鋼管管徑為1.2 m，最大設計壓力為4 MPa。在國內已建的引調水工程中，單級輸水設計壓力均未超過6 MPa[1]。

石油天然氣行業的壓力管道主要用于長距離輸送石油、天然氣，通常采用淺埋柔性敷設方式。與輸水管道相比，油氣管道具有管徑小，壓力高、運量大、密閉性好等特點。如：中俄原油管道二線工程，管道全長為942 km，管徑為813 mm，最大設計壓力為11.5 MPa；西氣東輸一線工程，主干線管道全長約4 000 km，管徑為1 016 mm，最大設計壓力為11.5 MPa；西氣東輸二線工程，主干線管道全長為4 895 km，管徑為1 219 mm，最大設計壓力為12 MPa；川氣東送工程，管道全長為2 206 km，管徑為1 016 mm，最大設計壓力為10 MPa。

管道設計首先是先確定好管道所要承受的最大壓力，對于長距離輸水管道，常規設計是采用先減壓、再加壓提水方案，以降低高壓管段的施工難度和運行風險[2-5]。本工程管線具備全重力流條件，若采用全重力流輸水方案，最大靜水頭達1 472 m，HD值達883.2 m2，輸水壓力為國內外最高。全重力流方案主要存在以下幾個技術難題：① 供水方式選擇和管線布置問題；② 高壓鋼管材質和制作成型工藝選擇問題；③ 管道閥門選型，特別是高壓進氣排氣閥、爆管關斷閥的選擇問題；④ 高壓鋼管在線監測問題。因此，在安全可靠、經濟合理的前提下對供水方式和和管線布置進行全重力流方案和常規減壓方案比選是本工程首要解決的技術難題。

3 供水方式比選

從充分利用天然地形高差以及后期運行管理方便的角度出發，供水方式宜首選全重力流供水方式，本工程考慮水錘后的管道最大設計壓力為16 MPa，高壓鋼管設計、制造、安裝難度大，運行風險高。全重力流供水方式在滿足能自流到團結水庫的前提下，進一步比選在首部1 775 m高程處增設減壓池和減壓閥方案，可將管道最大設計壓力有效減小2 MPa。

采用分級減壓方案時，應以最大化利用地形高差進行分段分級，合理控制重力流最大設計壓力。本次設計參考國內外長距離供水工程的設計壓力，分別按單級最大設計壓力8 MPa、6 MPa比選兩個分級減壓方案，每個減壓方案在沿途設多個減壓池和減壓閥減壓，穿越元江后在合適位置設一級或多級加壓泵站提水到受水點，將最后一級減壓池—元江以及元江—一級加壓泵站間的管段作為重力流最大壓力控制段。

3.1 全重力流方案1(無減壓池)

從十里河水庫至團結水庫采用全重力流供水方式，在K42+250處設1個分水池分出左右分干管，分水池水位為1 667.35 m。左分干管在分水池后設1個加壓泵站，加壓輸水至瓦白果水庫。該方案即使采取延長關閥時間和智能控制等措施減小水錘壓力后，管道設計壓力仍高達16 MPa，且高壓段長度約20 km，如此高壓力在國、內外長距離供水管線工程甚至在石油天然氣行業均無先例，管道的設計、制造、安裝難度和運行風險極大。管線縱剖面如圖1所示。

3.2 全重力流方案2(有減壓池)

在方案1的基礎上，在十里河水庫下游K4+810位置設1個減壓池，減壓池水面高程為1 775.0 m，減壓池至團結水庫間的管段滿足全重力流供水條件。該方案考慮水錘壓力后，管道設計壓力達14 MPa，較方案1減少了2 MPa，高壓段仍長達20 km。和方案1相比，該方案管道的設計、制造、安裝難度和運行風險有所降低，但高壓管道的一系列技術難題依然存在。管線縱剖面如圖2所示。

圖1 全重力流方案1管線縱剖面示意

圖2 全重力流方案2管線縱剖面示意

3.3 減壓方案1(5級減壓、1級加壓)

為控制管道最大設計壓力不超過8 MPa，在十里河水庫下游依次設5級減壓池，單級減壓池高差控制在170 m以內，最后1級減壓池水面高程為1 200 m。最后1級減壓池至元江東側1 150 m高程間的管段滿足重力流供水條件。在1 150 m高程處設有1個加壓泵站，分別加壓輸水至瓦白果水庫和團結水庫，泵站最大靜揚程為869 m。減壓方案與全重力流方案1、方案2相比，該方案管道的設計、制造、安裝難度降低較多，運行相對安全，但運行管理較復雜。管線縱剖面如圖3所示。

3.4 減壓方案2(6級減壓、3級加壓)

為控制管道最大設計壓力不超過6 MPa，在十里河水庫下游設6級減壓池，單級減壓池高差控制在170 m以內，最后1級減壓池水面高程為950 m。最后1級減壓池至元江東側825 m高程間的管段滿足重力流供水條件。在825 m高程、1 270 m高程和1 650 m高程處各設有1個加壓泵站，逐級加壓輸水至瓦白果水庫和團結水庫，泵站最大靜揚程445 m。和減壓方案1相比，該方案管道的的設計壓力減少了2 MPa，管道的設計、制造、安裝難度最小，運行更安全，但運行管理較復雜、運行費高。管線縱剖面如圖4所示。

圖3 減壓方案1管線縱剖面示意

圖4 減壓方案2管線縱剖面示意

3.5 供水方式選定

全重力流和分級減壓供水方式各方案對比分析見表1。

對表1中4個方案的技術、經濟、可靠性等進行對比分析可以看出，全重力流方案較減壓方案來說，雖然工程投資較高，但運行費低，運行管理方便。全重力流方案2較方案1來說，管道設計壓力減小了2 MPa，工程投資和運行風險均有所降低，對工程無任何不利影響，因此供水方式最終選擇方案2，即設有1個減壓池的全重力流供水方式，管道按最大設計壓力14 MPa進行設計、閥按最大公稱壓力16 MPa進行選型和布置[6]。

表1 全重力流和分級減壓供水方式對比分析

4 高壓鋼管設計制造比選

壓力鋼管設計應在滿足強度、剛度、穩定性計算的前提下，結合制造、安裝條件，選用合適管材。本工程高壓鋼管選用600 MPa級高強鋼，最大壁厚為24 mm，管徑與壁厚的比值為25，大大超出設計規范要求徑厚比不小于57限值的規定，已達到國內鋼管的制作加工極限，且厚壁鋼管現場焊接質量問題難以保證，因此需對高壓鋼管的管材、制作成型工藝、力學性能等進行一系列分析研究，同時借助相關的科學試驗研究作為技術支撐。

4.1 管材比選

1) 水利水電工程管材

水利水電工程中低壓鋼管管材牌號通常選用Q235、Q275碳素結構鋼、Q355、Q390、Q420等低合金結構鋼、Q245R、Q345R等壓力容器用鋼。高壓鋼管為減小管壁厚度，便于制作和現場安裝焊接，常選用高強鋼。常用的高強鋼有Q460、Q500、Q620等高強度結構鋼、Q460CF、Q500CF、Q620CF等低焊接裂紋敏感性高強度鋼、07MnMoVR、WDB620CF、XDB610CF等壓力容器用高強度鋼。近20 a來，低焊接裂紋敏感性高強鋼(CF鋼)在高水頭水電站壓力鋼管、機組蝸殼中獲得廣泛應用，這種類型高強鋼具有良好的強韌性匹配、優良的低溫沖擊韌性和冷成型性、良好的焊接性能。目前國產800 MPa級CF高強鋼已在烏東德水電站、白鶴灘水電站獲得了成功應用。

2) 油氣管道工程管材

石油、天然氣行業管道管材牌號一般選用管線鋼，管線鋼最初是從國外引進，主要用于油氣輸送工程，目前已實現國產量化。管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼，是高技術含量和高附加值的產品，通過添加微量元素，高強度、高沖擊韌性、低的韌脆轉變溫度、良好的焊接性能、優良的抗氫致開裂(HIC)和抗硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)性能。常用的管線鋼牌號有API Spec 5L標準的B、X42、X46、X52、X60、X65、X70、X80，分別對應GB/T 9711標準的L245、L290、L320、L360、L415、L450、L485、L555，鋼級分為PSL1和PSL2兩種。

3) 管材確定

本工程管道輸送介質為水庫原水，中低壓鋼管管材選用Q345R，高壓鋼管管材選用性能較優的X70，首次將高強度管線鋼用于長距離輸水工程[7-9]。設計要求鋼材屈強比控制在0.9以下，焊縫須做焊接工藝評定，每根鋼管均須在廠內做UT、RT探傷檢驗和水壓試驗，水壓試驗壓力不小于鋼材屈服強度的90%。

4.2 鋼管成型工藝比選

水利水電工程大口徑壓力鋼管成型普遍采用直縫卷制工藝，小口徑壓力鋼管成型常用無縫制作工藝；石油天然氣工程鋼管成型常用螺旋縫卷制工藝、高頻焊接工藝、直縫壓制工藝。

1) 無縫鋼管(SMLS)

SMLS管采用熱擠壓工藝或熱軋工藝成型，生產的鋼管外徑一般為33.4～1 200 mm，壁厚不大于200 mm，單節長度可達10 m以上，多用于鍋爐、核電、火電行業以及液壓啟閉機缸體。SMLS管質量相對可靠，生產的管徑一般不大，適應于厚壁小管，無縫鋼管外徑偏差和厚度偏差較大，且406 mm以上直徑的無縫鋼管造價較高。

2) 卷制埋弧焊管

這種鋼管是使用卷板機將單塊鋼板沿軋制方向卷制，自動埋弧焊接，生產的管徑不小于300 mm，單節長度一般為2～3 m。這種鋼管生產設備簡單，生產效率低，管節短環縫多，造價低，但可生產各種大口徑鋼管、異形鋼管，水利水電工程中廣泛采用。目前最大的水平下調式三輥卷板機可生產厚度250 mm(Q235)、寬度4 m的鋼管。板端壓頭可在卷板機上通過模具壓出，也可單獨用壓機壓出。鋼管焊接后一般需要用卷板機回園，必要時管口用錐頭模具整園。

3) 螺旋縫埋弧焊管(SAWH)

SAWH管使用鋼帶螺旋卷制，雙面埋弧焊接，生產的鋼管外徑為273～2 388 mm，壁厚為6.4～25.4 mm，單節長度可達12～18 m，石油天然氣管道上大量應用。SAWH管的生產廠家參差不齊，生產工藝簡單，但流水線生產效率高，尤其適用于薄壁中低壓管道批量化生產。目前長距離輸水工程已逐漸使用SAWH管，但使用壓力一般不超過4 MPa，遠比不上石油天然氣管道的輸送壓力。

4) 高頻電阻焊管(HFW)

（3）設計/開發解決方案:能夠針對復雜的非數值處理問題設計合理的解決方案，并能夠在設計環節中體現創新意識，從而具備計算機軟件工作所需要的基本能力。

HFW管使用鋼帶軋輥成型，高頻電流融熔母材施焊，生產的鋼管外徑一般為219.1～610 mm，壁厚為4～19.1 mm，單節長度可達12～18 m，石油天然氣管道上大量應用。HFW管的生產過程控制嚴格，流水線生產效率高，質量可靠，尤其適應于小直徑厚壁管批量化生產，但管徑需適應鋼帶寬度要求，否則鋼帶廢料較多不經濟。

5) 直縫埋弧焊管(SAWL)

SAWL管是使用壓機將單塊鋼板垂直軋制方向壓制，自動埋弧焊接，生產的鋼管外徑一般為406～1 622 mm，壁厚為8～45 mm(X65)，單節長度可達12～18 m。SAWL在石油天然氣管道上大量應用，水利行業長基本未采用。SAWL管的生產過程控制嚴格，生產效率高，流水線生產效率高，質量可靠，尤其適應于厚壁管批量化生產。SAWL管常用的成型方式有“JCOE” “UOE”兩種。“JCOE”不需模具，成型精度略低，可生產非標尺寸，適用范圍廣。 “UOE”需要使用不同規格模具，成型精度和效率高，適用于標準規格、批量化生產。

6) 鋼管成型工藝確定

經對以上各種鋼管成型工藝分析，本工程D500 mm及以上鋼管采用SAWL管，D300～500 mm鋼管采用HFW或SAWH管，D300 mm以下鋼管采用SMLS管。這幾種鋼管的單節管長為6～12 m，現場安裝環縫數量大大減少，可有效縮短施工工期，降低現場安裝焊接帶來的安全隱患。本工程設計、施工難度最大的當屬穿越元江段鋼管，此處鋼管設計壓力14 MPa，管徑D600 mm，采用X70設計時的管壁厚度為24 mm。該段高壓管道專門采用SAWL工藝按1:1生產出了長度12 m管節，進行了材料力學性能試驗、鐵研試驗、焊接工藝評定、成品管力學性能試驗以及水壓爆破試驗，各項技術指標均滿足要求，證明了輸水工程高壓管道采用SAWL工藝制作是完全可行的。試驗用管如圖5所示。

圖5 試驗用管示意

5 高壓閥選型

管道附件主要包括檢修閥、泄水閥、調流閥、泄壓閥、進氣排氣閥、爆管關斷閥等，本次設計管道沿線上的檢修閥和泄水閥選用高壓球閥，能滿足公稱壓力14 MPa的要求，主閥設有旁通管和旁通閥用于閥前后平壓。調流閥設在管道進入水池或水庫的入口處，公稱壓力不超過2.5 MPa，選用最后一級活塞閥，由水位計精確控制閥門開度從而控制水池或水庫水位。泄壓閥設在活塞閥前，由先導閥控制，泄壓壓力值根據需要現場調節。高壓進氣排氣閥和爆管關斷閥是決定本工程供水安全的關鍵設備[10]，其選型設計是本次研究重點。

5.1 高壓自動進氣排氣閥

根據規范《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》CECS193:2005[11]規定，本工程進氣排氣閥采用防水錘型，口徑取輸水管道直徑的1/6，即DN100 mm。據了解國內已建工程高壓進氣排氣閥使用壓力達到10 MPa的僅有北京冬奧會工程、中天合創鄂爾多斯煤碳深加工工程等極少數，生產過高壓進氣排氣閥的廠家極少，比較知名的廠商有：以色列ARI閥門公司、以色列BERMAD閥門公司、湖北大禹閥門公司、武漢閥門水處理公司等，這些廠家分別生產過5～10 MPa的高壓進氣排氣閥。

本工程高壓自動進氣排氣閥最大公稱壓力確定采用10 MPa，閥按管道最大靜壓不超過8 MPa進行布置[12-13]。對高壓進氣排氣閥專門進行了1:1產品研發，進行了耐壓、高壓密封、低壓密封、排氣量、補氣量、負壓開啟等型式試驗和性能檢測，發出了結構合理、安全可靠、性能穩定的產品。

5.2 高壓手動進氣排氣閥

本工程有20 km以上管線設計壓力大于10 MPa，對如此高壓力的進氣排氣閥因無閥可選，本次設計借鑒石油輸送管道設計理念。石油輸送管道沿途不設排氣閥，首次排氣采用壓力水通球方法完成，正常運行時不再考慮管內氣體的影響。

本工程對設計壓力10 MPa以上的高壓管段選用高壓手動球閥作為進氣排氣閥，運行期間球閥關閉，依靠管線沿途設置的自動進氣排氣閥實現排氣和補氣；檢修時人工手動打開球閥進行排氣和補氣。高壓手動球閥操作起來較為不便，需要多名運維人員現場協同操作，需制定和執行嚴格的操作規程。考慮到管道檢修機率較低，壓力高，本次設計在高壓管段上選用高壓手動進氣排氣閥。

為減小運行期管道內部氣體的不利影響，設計上通過加大管道取水口處水深，在沿途設置足夠的防水錘型進氣排氣閥等多種措施，減小氣體吸入量、水中溶解氣體和未排盡氣體在管道內可能形成的斷塞流和彌合水錘，確保管道結構安全和運行安全。

5.3 爆管關斷閥

本工程由于輸水壓力高、管線長，10 MPa以上自動進氣排氣閥設置受限，一旦爆管，產生的高壓水流將對周邊村莊、建筑物和人身安全造成很大破壞。為防止爆管造成的事故擴大，在穿越元江倒虹吸高壓管段的下平段兩側和前后坡段各設置1套D600-PN40爆管關斷閥，主閥選用球閥，事故時通過重錘或蓄能罐快速關閉。為避免關閥時在閥后形成真空，在閥后配套設置大口徑真空補氣閥，通過大量補氣減小管內負壓。

爆管時由于管道破口處壓力陡降，將引起管內流速迅速加大，此時爆管關斷閥若關閥太快，將對上游管道造成巨大水錘沖擊，極易引發二次爆管事故，因此，爆管關斷閥需經過水力過渡過程計算，確定關閥時間和關閥過程曲線，目前正在進行相關研究。

6 結語

云南省十里河水庫工程雖然供水規模不大，但其管道設計壓力已遠遠突破國內外長距離輸水壓力規模，高壓管道設計經過大量調研、專家咨詢和一系列科學試驗研究，同時借鑒了油氣管道行業成功設計經驗，目前已逐步解決了高壓管道設計的關鍵技術難題，力爭在行業內取得技術創新和科技推廣。