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(qū)生產(chǎn)、生活用水所需水源的供應(yīng)大動(dòng)脈，包括黃浦江一期、二期引水系統(tǒng)和長(zhǎng)江一期、二期、三期引水系統(tǒng)以及青草沙引水系統(tǒng)的管道部分。原水管道的安全運(yùn)營是上海市人民生活的重要保障，本文針對(duì)原水管道在冬季容易發(fā)生漏水破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析。

張志磊［1］從各方面分析了計(jì)算管道組爆管率，進(jìn)而計(jì)算聯(lián)合爆管率，確定存在隱患的管道;駱升［2］從城市供水管網(wǎng)爆管預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供水管網(wǎng)安全運(yùn)行系統(tǒng)、爆管快速反應(yīng)搶修系統(tǒng)三個(gè)方面進(jìn)行深入分析。分析了爆管的主要原因是材質(zhì)較差、管道陳舊、道路改擴(kuò)建對(duì)供水管道的擾動(dòng)、路面動(dòng)荷載影響、管道接口和銹蝕等問題。

1 上海原水管線爆管現(xiàn)狀描述

經(jīng)過對(duì)2008年以來原水管道爆管現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了以下較為常見的現(xiàn)象:1)管道上方有違章堆土;2)爆管現(xiàn)象絕大多數(shù)發(fā)生在冬季;3)管線破壞點(diǎn)的位置大多位于焊縫處。結(jié)合原水管線自身特點(diǎn)，本文擬從以下三個(gè)方面對(duì)原水爆管現(xiàn)象進(jìn)行原因分析:違章堆土;溫度應(yīng)力;焊縫質(zhì)量。

管道發(fā)生破裂，一般是由于主拉應(yīng)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(zhì)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(qiáng)度σb=375 MPa左右，管道所受到的內(nèi)壓p=0.2 MPa。根據(jù)上海軟土地層情況，選擇常用土體資料作為計(jì)算的地質(zhì)資料。其中:①填土;②粉質(zhì)粘土;③夾砂質(zhì)粉土;④淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;⑤淤泥質(zhì)粘土。土的重度統(tǒng)一取為γ=18 kN/m3。

2 針對(duì)爆管的原因分析

2.1 違章堆土對(duì)管道的影響

1)堆土引起管道變形分析:為了計(jì)算堆載作用下管道變形情況，首先利用有限元方法計(jì)算管道的變形。將管道簡(jiǎn)化為截面為圓管的梁?jiǎn)卧?，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(dāng)堆載高度h=3 m，位于管道的上方，堆載長(zhǎng)度40 m。有限元模型取管道長(zhǎng)度100 m，40 m長(zhǎng)的堆載位于有限元模型中間。采用ANSYS有限元程序計(jì)算，管道和土體的參數(shù)與上面相同。

根據(jù)管道堆載的ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果，得到不同堆載高度下有限元計(jì)算的管道相對(duì)位移和轉(zhuǎn)角，管道沿荷載中心對(duì)稱。

以上單獨(dú)分析堆土對(duì)管道的影響，并未考慮管道內(nèi)壓的影響，由于原水管線通常處于通水狀態(tài)破壞，原水管線運(yùn)營水壓通常為0.2 MPa，下面重點(diǎn)考慮在0.2 MPa作用下管道的受力情況。

2)在堆土和管道內(nèi)壓共同作用下的管道內(nèi)力分析:根據(jù)上述管道的彎曲變形結(jié)果，建立管道的應(yīng)力有限元模型?？紤]管道變形的對(duì)稱性，取一側(cè)管道長(zhǎng)度20 m，管道的兩端為位移約束。管道受到內(nèi)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(cè)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(nèi)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(nèi)壓共同作用下的管道受力值

2.2 溫度應(yīng)力對(duì)管道的影響

如果考慮到由于溫度降低導(dǎo)致管道溫度拉應(yīng)力:

其中，E為管道的彈性模量;α為管道材料的熱膨脹系數(shù);ΔT為溫度增量。

表2 堆載與溫度應(yīng)力的綜合考慮

通過上述計(jì)算可以看到，在堆載、內(nèi)壓和溫度應(yīng)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(jīng)達(dá)到屈服強(qiáng)度，但不會(huì)爆管(見表2)。根據(jù)爆管現(xiàn)象的總結(jié)，漏水點(diǎn)通常處于焊縫位置處，因此焊縫質(zhì)量也是需要考慮的重要因素。

2.3 焊縫質(zhì)量對(duì)管道的影響

在原水管網(wǎng)中，鋼管占據(jù)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(zhì)量的影響，鋼管的焊接很難完全達(dá)到要求，而后續(xù)檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量的也經(jīng)常采用抽樣檢查的方式，焊縫質(zhì)量難以保證沒有缺陷，破壞通常從焊接有缺陷的薄弱環(huán)節(jié)開始。因此，焊縫質(zhì)量對(duì)管道的安全有著重要影響。

下面重點(diǎn)考慮對(duì)接焊縫錯(cuò)邊量對(duì)管道受力的影響。

在管子對(duì)接焊縫的對(duì)口錯(cuò)邊量b引起的最大軸向應(yīng)力增加量公式為:

其中，σz為管道軸向應(yīng)力;S為管壁最小厚度。

可知，錯(cuò)邊量和管道的厚度比值在0.1時(shí)，原水管道軸向應(yīng)力將增加30%;比值為0.3時(shí)，原水管道的應(yīng)力將增加到90%。

由上述計(jì)算可知，如果在堆高2 m和溫度下降20℃，管子對(duì)口錯(cuò)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(yīng)力為381.2 MPa，已經(jīng)超過母材的強(qiáng)度極限。堆載1 m高時(shí)，最大管道的軸向拉應(yīng)力為348.5 MPa。

3 結(jié)語

本文結(jié)合原水管道的基本情況，考慮了在堆土荷載、溫度應(yīng)力以及內(nèi)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(yīng)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(jīng)接近屈服狀態(tài)，但并不至于發(fā)生爆管破壞，由于原水管道之間焊接而成，焊縫的質(zhì)量好壞成為了爆管的一個(gè)重要因素。

根據(jù)以上分析，本文給出以下建議:

1)管道施工階段嚴(yán)格檢查焊接質(zhì)量，采用新型檢測(cè)手段，檢驗(yàn)焊縫的質(zhì)量。2)加強(qiáng)對(duì)管線上方的管理，定期巡視，發(fā)現(xiàn)違規(guī)堆土立即上報(bào)，同時(shí)加強(qiáng)管道周圍居民的法律意識(shí)，積極參與到原水保護(hù)的工作中來。

［1］張志磊.供水管網(wǎng)爆管原因分析與預(yù)測(cè)研究［J］.供水技術(shù)，2014，8(5):13-17.

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

［3］楊啟明.壓力容器與管道安全評(píng)價(jià)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.