馬傳波

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

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輸水工程管道打壓試驗充水量確定及升壓泵選擇

馬傳波

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

摘要：充水量計算是選擇升壓泵的關(guān)鍵。文章著重介紹管道打壓試驗時，管道變形體積增量的計算和水體積被壓縮量的計算，得出充水量計算方法，并結(jié)合工程實(shí)例，提出升壓水泵的選取原則，為管道打壓試驗時，充水量的確定及升壓泵的選擇提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輸水工程；管道；打壓試驗；充水量；升壓泵

針對我國水資源分布不均，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展受到限制的現(xiàn)狀，國家對水利事業(yè)的投入不斷加大，水利行業(yè)蓬勃發(fā)展，全國各地涌現(xiàn)出一大批輸水工程。作為常用的輸水介質(zhì)，管道在輸水工程中的運(yùn)用越來越廣泛。管道材料層出不窮，管道口徑越來越大，工作壓力也越來越高。保證輸水管道的安全運(yùn)行，保障社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，是我們水利行業(yè)從業(yè)者所必須認(rèn)真考慮的。

管道打壓試驗是管道安裝完成后，對管道安全性測試的必要手段，是管道工程日后運(yùn)行的一次預(yù)演。而充水量的計算及水泵的選擇又是順利完成打壓試驗的重中之重。進(jìn)行輸水工程管道打壓試驗時，管道在壓力作用下體積發(fā)生膨脹，而管道中的水體在壓力的作用下，體積被壓縮，管道膨脹增大的體積與水體被壓縮的體積之和，即為打壓試驗時需要的充水量。

1 管道變形體積增量計算

管線工程在打壓過程中，由于管道受到內(nèi)水壓力，管壁必然產(chǎn)生變形。沒有固定端約束的管道存在環(huán)向和軸向兩個方向的變形。假設(shè)管道的試驗壓力為P，管道折算壁厚為δ，管道的初始長度為L，管道的初始直徑為D。管道材料的彈性模量為Ec，管道截面積為A，計算環(huán)向和軸向變形的體積增量。

1.1 管道環(huán)向變形體積增量計算

在內(nèi)水壓力作用下，管道環(huán)向發(fā)生膨脹，假設(shè)環(huán)向單位長度的伸長量為△L′，那么則有下列等式：

管道環(huán)向總伸長量△L：

膨脹后管道直徑d：

膨脹后單位長度體積增加量△V1：

將式（2）代入式（3）：

1.2 管道軸向變形體積增量計算

在內(nèi)水壓力作用下，如果管端封閉，在內(nèi)壓的作用下，管道將沿軸向升長，單位長度軸向伸長變形△L，那么則有下列等式：

管道伸長后單位長度體積增加量△V2：

（不考慮因環(huán)向膨脹引起的面積變化）

比較式（4）和（5）可知，自由管道在內(nèi)壓的作用下變形時，環(huán)向變形所產(chǎn)生的體積增量至少為管道軸向變形體積增量的4倍，即管道環(huán)向變形是管道體積增大的主要原因。且在實(shí)際打壓過程中，管端均有或多或少的約束，且有回填土摩擦力的存在，管道不可能自由伸長，即管道實(shí)際伸長量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自由管道伸長量，故由于管道伸長而引起體積的變量可忽略不計。

另外，打壓試驗時回填土對管道的變形也有束縛，但一般管道（PCCP，鋼管等）的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于回填土的彈性模量，故在管道受內(nèi)壓膨脹過程中，回填土對管道膨脹影響極小，基本可以不考慮回填土對管道膨脹的影響。

再仔細(xì)分析式（4）可以發(fā)現(xiàn)，該等式由加號兩側(cè)部分組成，且后側(cè)部分為前側(cè)部分的高階小量，因此在實(shí)際計算時，后側(cè)部分可忽略不計。即管道膨脹體積增量為：

2 水體積被壓縮量計算

由于水的體積壓縮模量與混凝土彈性模量幾乎處在同一量級，即管道的膨脹量與水的被壓縮量處在同一量級，因此在管道打壓試驗時，水的壓縮量也必須考慮。

假設(shè)水的體積模量為Ew，內(nèi)壓為P時，單位長度管道水的壓縮量△V3：

3 充水量計算

打壓試驗的充水量V為管道膨脹增大的體積與水體被壓縮的體積之和，即

4 升壓水泵的選擇

打壓試驗時，由于管道的直徑和所需的試驗壓力各不相同，因此充水量也就不同。如升壓泵采用過大流量的泵，則充水時間短，但管道壓力升高較快，試驗過程不易控制，對管道的安全有影響。反之，采用過小流量的水泵，則試驗時間過于漫長，乃至影響整個工程的工期。所以升壓泵的選擇應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程情況，正確計算管道升壓所需的充水量，選擇合適的參數(shù)的水泵，下面結(jié)合工程實(shí)例，介紹升壓水泵的選取原則。

5 計算實(shí)例

以本工程為例，在實(shí)際打壓試驗時，試驗壓力為1.37MPa，當(dāng)管道壓力超過0.6MPa時，為保證管道的安全性，壓力每升高20m做一次間隔。該打壓段約長1000m，管徑3.4m，管材為 PCCP，鋼筒厚度δ=1.5mm，砂漿厚度δ3=40mm，纏絲面積S1=4452mm2/m，管芯厚度d=255mm，鋼絲直徑d1=7mm，管芯混凝土標(biāo)號C50，管芯混凝土彈性膜量Eh，S2混凝土管單位長度面積，壓力每升高20m，需注入水量計算如下：

鋼筒折算成C50混凝土的厚度δ1：

鋼絲折算成C50混凝土的厚度δ2：

由以上計算結(jié)果可知，鋼筒與鋼絲折算厚度折算厚δ1，δ2度遠(yuǎn)小于管芯厚度δ，因此在計算時鋼筒與鋼絲折算厚度可以忽略不計，管道的折算厚度即為PCCP的管芯厚度。

加壓過程充水量及壓力變化理論值見表1。

表1 升壓過程充水量計算表

由上表可知，在一定的壓力范圍內(nèi)，管道的壓力升高值與補(bǔ)水體積呈線性關(guān)系，即補(bǔ)水流量一定，則壓力上升一定。而水泵在壓力升高后，流量將發(fā)生變化。仔細(xì)分析，由于內(nèi)壓低時管道承受能力較高，此時充水流量大并不十分影響管道的安全。管道升壓過程中的危險階段應(yīng)是管道內(nèi)壓接近試驗壓力的時刻，應(yīng)以此時為控制階段。即水泵的揚(yáng)程及流量的選擇應(yīng)著重考慮管道高內(nèi)壓時的充水速度。

以本工程為例，選泵的原則是管道從120m水頭加壓到137m水頭時管道的充水時間不小于10min，同時考慮水泵盡量在高效率區(qū)運(yùn)行以減小水泵損耗和節(jié)省能量，故選擇一臺額定揚(yáng)程為120m，額定流量為10m3/h左右的離心水泵即可滿足試驗要求。

6 結(jié)語

結(jié)合工程的實(shí)際情況，管道打壓試驗可分為2個步驟來實(shí)施，在充水初期，管道未充滿之前，可以選擇流量較大的水泵，較快速的向管內(nèi)充水。管道充滿需升壓后，再根據(jù)計算，選擇合適的升壓泵充水升壓，這樣能夠充分節(jié)省打壓試驗所需的時間。

值得注意的是，一些工程在打壓試驗過程中存在管道內(nèi)部空氣未排凈的情況。由于空氣比水容易被壓縮，導(dǎo)致在實(shí)際升壓試驗過程中，需要補(bǔ)充進(jìn)去比計算值更多體積的水，才能達(dá)到設(shè)定的壓力值。我們并不能因出現(xiàn)這樣的情況而更選大流量的水泵，因為隨著管道內(nèi)部壓力的不斷升高，空氣能被壓縮的量也逐漸減小，如果水泵流量過大，極有可能損壞管材結(jié)構(gòu)，從而埋下安全隱患。

打壓試驗對管道的運(yùn)行至關(guān)重要，而計算升壓所需充水量，選擇合適的升壓水泵是管道打壓試驗的重點(diǎn)。計算正確、選泵合適，不光能節(jié)省打壓試驗的時間，更能保證管道在打壓試驗中的安全，為工程以后的正常運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

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中圖分類號：TV672+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0065-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.028

收稿日期：2015-03-02

作者簡介：馬傳波（1979年—），男，高級工程師。