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        長距離輸水管道設計中幾個問題的探討

        2016-11-22 03:09:22李治宏米易縣政府投資評審中心四川攀枝花617200
        低碳世界 2016年30期
        關鍵詞:輸水管水錘長距離

        李治宏(米易縣政府投資評審中心,四川攀枝花617200)

        長距離輸水管道設計中幾個問題的探討

        李治宏(米易縣政府投資評審中心,四川攀枝花617200)

        目前,在城市和農(nóng)村的給水系統(tǒng)中,長距離輸水管到系統(tǒng)被廣泛應用,長度可達十幾公里,甚至是幾十公里。在管道鋪設的過程中,可能會經(jīng)過公路、丘陵、河流、鐵路等障礙物,因此輸水管道的設計是否合理,對工程的投資、運行、施工能都會產(chǎn)生很大的影響,因此,輸水管道的設計非常重要。下面我們就來探討一下長距離輸水管道設計中的幾個問題,希望能夠給長距離輸水管到的設計提供實踐價值。

        長距離;輸水管道;管材;管線;設計優(yōu)化

        1 長距離輸水管道管線的選擇

        在城市用水和農(nóng)田灌溉的輸水系統(tǒng)中,輸水管道承擔著輸送水的任務,由于管線長,需要的投資大,這就需要在選擇管線時,實地勘測要細,主要有以下幾點:①總體來說,在選擇管線時,應盡量選擇線路短、造價經(jīng)濟、起伏小、工程量小的線路;②在管線的選擇時,難免會因為管線而對有些建筑進行拆遷,因此,應盡量減少拆遷;③對于管線的選擇,不僅要考慮到眼前利益,還應考慮到長遠利益;④對于管線的走向,其位置應盡量與城市的規(guī)劃要求相一致,盡可能按照現(xiàn)有的道路或規(guī)劃道路敷設;⑤充分利用水位高差,如果條件允許,可以考慮重力流輸水;⑥線路經(jīng)歷的地形越復雜,就會增加施工的難度和成本,因此,應盡量避免穿越山脊、河谷、沼澤泄洪、鐵路等地區(qū)。

        根據(jù)以上這些原則,在在輸水管道的選取上,應先在地形圖上布線,然后再進行實地踏勘。嚴格遵循選線的原則,在設計的過程中,可以設計兩條線路,也可以將這兩條線路細分為若干個線路,但是都應考慮穿越村莊、引橋、機井等地區(qū),在選擇路線后,還應對其進行反復的測量、比較、踏勘,然后確定出最經(jīng)濟、最簡便的方案。

        2 長距離輸水管道管材的選擇

        隨著我國城市化的進程不斷加快,城市中的生活用水和工業(yè)用水需求量都有很大的提高,這就給城市的用水帶來了很大的壓力,長距離輸水工程能夠有效的解決這一問題。目前,我國在輸水管道的新材料和新技術上有了很大的進步。在整個輸水工程中,管道的投資占有很大的比重。

        因此,在管材的選擇上,應進行綜合分析,其內(nèi)容包括許多方面,例如管徑、重要性、工程規(guī)模。工作壓力、管道運輸、資金等,使工程的性價比能達到最優(yōu)。常用的輸水管道有許多,主要有:鋼管、超高分子量聚乙烯管(塑料管)、預應力混凝土管、玻璃鋼管、預應力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管,其中常用的是鋼管和塑料管。

        3 長距離輸水管道在結(jié)構設計中的優(yōu)化

        對于長距離輸水管道,合理的結(jié)構設計不僅關系設計成果的成敗,還直接影響工程的投資,在保證輸水管道的技術上可靠的同時,如何減少工程的投資,使之具有合理的經(jīng)濟性,就是本文探討的重點。下面就是我于2010年設計的米易縣白馬集鎮(zhèn)供水工程分析在管道設計中的優(yōu)化設計。

        該工程經(jīng)實地勘測,線路選定,需跨溝谷,并翻越一山脊,其供水線路縱斷面如下圖所示,經(jīng)供水量計算,日供水量為2000m3(Q=0.023m3/s,設計考慮日變化系數(shù)后取值為Q= 0.028m3/s),取水點在黃草坪,H1高程:1940m,H2為低谷點,高程:1720m,H3為山脊,高程:1820m,H5為水廠出水點,高程:1260m,H4為計算選擇點,高程:1610m,其中L1段(H1~ H3)長12500m,L2段(H2~H5)長13600m,L2-1段長6620m,L2-2段長6980m,其管線總長26.1km,總落差680m。

        圖1

        下面將設計情況進行探討:

        3.1 管材的設計選擇

        對于該輸水工程,管線長,高差大,H1~H2高差220m,H1~H3高差120m,H3~H4高差560m,且應特別注意,H1~H3之間形成倒虹管,如果采用塑料管(PE管),則不能滿足承壓要求,采取減壓池后,經(jīng)管道水力計算,又難以滿足該段過水要求(后面將具體計算說明),經(jīng)技術比較,設計決定全線采用鋼管。

        因此,在管道選材上,除經(jīng)濟要求外,還受限于水力技術要求,對于具體的管道工程,采用什么材質(zhì)的管道,必須進行技術和經(jīng)濟的分析比較。

        3.2 管徑計算選擇

        對于該工程,其經(jīng)濟直徑算計值為D=0.138m,初選鋼管規(guī)格產(chǎn)品為D=0.15m。

        水力校核:按壓力管道水力學達西公式(或經(jīng)驗公式)進行,L1段(H1~H3)形成倒虹管,高差120m,管長12500m,經(jīng)水力學實步擬定計算,管徑D=0.2m時,水力總損失約106m,略小于120m,方可滿足過水要求。L2段落差560m,管長13600m,經(jīng)水力學實步擬定計算,管徑D=0.15m時,水力總損失約509m,略小于560m,可滿足過水要求。

        因此,在管徑選擇時,應根據(jù)具體的管線布置和通過地形情況分段計算,經(jīng)濟直徑只能作初步擬定參考,必須進行水力校核。

        3.3 管壁厚度結(jié)構計算

        (1)結(jié)構穩(wěn)定計算:鋼壁的最小厚度應滿足結(jié)構穩(wěn)定要求δ≥(1/130)Do。

        (2)剛度要求δ≥Do/400+4,且不小于6mm。

        (3)承壓計算:管壁承水壓力厚度按箍拉力公式:δ≥γHD/ 2φ[σ]進行實步擬定。

        式中:φ:焊縫系數(shù),取0.9;H:水頭,按提高30%計算;D:管徑;[σ]:鋼材允許應力,按規(guī)范降低20%取。鋼材采用鎮(zhèn)靜鋼,鋼種采用A3鋼,管壁厚度的設計取值根據(jù)規(guī)范,考慮銹蝕、磨蝕及鋼管厚度誤差,管壁厚度設計取值應比計算值增加2mm,并取整。其實步擬定計算,成果如表1。

        表1

        從表1中可以看出,如果該管道在不開斷情況下,末端的靜水壓(末端設閘閥)很高,其管壁厚大,而結(jié)構穩(wěn)定和鋼長度要求則小,這就會增加成本??紤]本工程供水量小,管線長,設計減壓池方量不大,投資小,因此設計采用減壓池,開斷管路,分段接續(xù)供水,減小管壁厚度,降低鋼材用量,大量節(jié)省投資,達到技術經(jīng)濟的合理性。其開斷點為H3點和H4點,在這兩處分別設置減壓池,則本工程分為三段接續(xù)供水,L1段采用φ200,σ=6mm鋼管,L2-1段和L2-2均采用φ150,σ=6mm鋼管,經(jīng)水力計算和結(jié)構計算,均滿足要求。

        特別說明的是在低水壓,大流量輸水時,情況可能相反,出現(xiàn)結(jié)構穩(wěn)定、鋼度要求起對管壁厚度的控制作用,本人在設計其它工程時,就出現(xiàn)大流量,低水頭(管徑達1.4m,水頭17m,)這時結(jié)構穩(wěn)定的管壁厚度是10.8mm,鋼度要求是7.5mm,承壓加銹蝕、磨蝕要求只須4mm,這時就如果按最大的10.8(取12mm壁厚)就明顯不經(jīng)濟了。為此,根據(jù)相關結(jié)構規(guī)范要求,考慮設計加外壁加勁環(huán),增加附近管壁的鋼度,從而提高臨界外壓力。加勁環(huán)按殼體理論公式:KP=進行cr實步擬定計算,最后設計取值為管壁厚度8mm,間隔2.5m設一加勁環(huán)方案。在此本文不再具體分析。

        因此,在管壁結(jié)構設計時,應根據(jù)結(jié)構控制的要求,多方案進行綜合考慮,如何減小管壁厚度,從而滿足結(jié)構要求,達到經(jīng)濟的合理性,這是一個非常重要的環(huán)節(jié)。

        3.4 放空閥的設置

        對于有起伏的管道,放空閥在設計中,如果水質(zhì)不太好,出現(xiàn)泥砂,就容易在低谷段形成淤積,造成管道過水能力下降,嚴重時無法通水,因此,在低伏段的低點設置放空閥對于今后的運行檢修非常重要。

        4 長距離輸水管道氣閥設置和閘閥后鎮(zhèn)墩的設置

        4.1 氣閥的設置

        在設置氣閥時,應根據(jù)管線地形條件和管道的壓力來計算,如果管道是為泵站加壓輸水,就應考慮三種情況:①計算輸水管路是否會出現(xiàn)負壓,如果考慮到這種情況,采取適當?shù)陌踩雷o措施,就能夠避免管道出現(xiàn)高負壓時拉斷水柱的情況,從而導致水柱彌合時出現(xiàn)高正壓水錘;②為了確定管線各段管的工作壓力,這就需要在事故停泵水錘時,計算管路輸水系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大壓力升高情況;③為了保障水泵機組的安全,在事故停泵時,就應計算水泵機組的運轉(zhuǎn)情況。如果管道為重力流輸水,在計算管道的壓力時,就應考慮閘閥的開啟、關閉和正常工作情況時,產(chǎn)生的水錘壓力和靜、動水壓力。

        4.2 閘閥后鎮(zhèn)墩的設置

        在輸水管線中,如果采用玻璃鋼管或預應力混凝土管,都應在管與管之間采用柔性接口。如果不重視閥、管的連接處的閥后鎮(zhèn)墩設置,就會導致閥門關閉時產(chǎn)生水錘壓力,從而導致閥門產(chǎn)生位移,造成接口松動而發(fā)生漏水事故。例如,在某段打壓試驗中,由于沒有重視閥、管連接處的閥后鎮(zhèn)墩設置,而致使輸水管線都為柔性接口,但是在閥后卻沒有設置鎮(zhèn)墩,最終造成漏水事故。因此,如果長距離輸水管道為重力流輸水時,就應將鎮(zhèn)墩設置在閘閥的下游;如果是泵站加壓輸水,就應將鎮(zhèn)墩設置在閘閥的上游,與此同時,應采用鋼性連接閘閥和鎮(zhèn)墩之間的短管。

        5 長距離輸水管道的防護技術和安全措施

        5.1 排氣閥的設置

        如果管道是初次輸水,管道內(nèi)難免會留有空氣,管道的運行實際上是兩相流。在長距離輸水管道的設計過程中,應重視排氣閥的設置,應根據(jù)地質(zhì)情況和沿線地形設置排氣閥的數(shù)量,在管道的布置時,應采用合理的縱向布置。一般情況下,應每隔一定的距離就應布置為一個高點,為了保障管道的輸水安全,在駝峰處布設排氣閥可以有效的防止管道的振動和氣蝕。

        5.2 水錘的防護

        在壓力管道系統(tǒng)的防護工作中,應對水錘引起足夠的重視,這是由于長距離輸水管道中,經(jīng)常會出現(xiàn)流速變化。如果管道中出現(xiàn)流速變化,就會造成管道中的水壓力升高或降低,一旦壓力低于水的氣化壓力,水柱就會被拉斷,這就會導致出現(xiàn)斷流空腔的現(xiàn)象,如果在空腔出出現(xiàn)水流彌合,就會造成很大的沖擊,使管道內(nèi)是水壓升高,這就會形成水錘。水錘具有有三種類型:啟動水錘、停泵水錘和關閉水錘。一般情況下,啟動水錘并不是很大。如果是在真空情況下,沒有排出管中的空氣,在壓縮時就會使水位壓力的變化加劇。在正常操作時,關閉水錘并不會產(chǎn)生很大的水錘壓力,但是,一旦出現(xiàn)突然停電或者事故停泵的情況,就會造成很大的水錘。為了防止水錘的危害,應采取措施對其進行防護,可以在水泵出口設置水錘安全閥、消除器、超壓泄壓閥等多種形式。

        6 結(jié)語

        通過以上的分析,我們可以看出,在長距離輸水管的設計過程中,對管道的投資非常大,需注意的問題有許多。根據(jù)工程規(guī)模、地形地質(zhì)、重要性等進行綜合分析,選擇管材和工作壓力,從而選擇最經(jīng)濟、最合理的設計。但是在技術和安全措施上,還應對其進行更為深入的研究。

        [1]王棟.大高差長距離重力輸水管道水錘防護技術研究[D].長安大學,2013.

        [2]馬蘭蘭.長距離多支管重力流輸水系統(tǒng)水錘防護研究[D].長安大學,2013.

        [3]羅春林,楊玉芳,王愛軍,楊萍萍.有壓重力流長距離輸水管道設計體會[J].給水排水,2012(08).

        TV672.2

        A

        2095-2066(2016)30-0273-02

        2016-9-1

        李治宏(1974-),男,工程師,本科,主要從事水利水電工程設計與工程造價評審工作。

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