許奎清

(福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

長距離供水管道在運(yùn)行時(shí)，水泵、管道和閥門常常會受到水錘破壞，導(dǎo)致爆管事故，嚴(yán)重影響管線安全。水錘是在壓力管道中因流速劇烈變化，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象。只要建設(shè)中各階段均嚴(yán)格對水錘防護(hù)措施進(jìn)行管控，水錘的破壞是可以被控制在安全范圍內(nèi)。但在實(shí)際工程總承包管理時(shí)，往往會在一些主要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)上出現(xiàn)各種各樣的控制缺失，致使原本可以避免的危害卻一再發(fā)生。比如，設(shè)計(jì)時(shí)對水力模型分析經(jīng)驗(yàn)不足，選擇水錘防護(hù)的措施片面，排氣閥選用和布設(shè)不合理；施工中質(zhì)量主控項(xiàng)目不清晰，對管道試壓的工法陌生；運(yùn)行時(shí)不重視初次啟動充水時(shí)的排氣，工作人員的錯(cuò)誤運(yùn)行操作等等。

基此，本文擬結(jié)合福州市某工業(yè)園區(qū)應(yīng)急供水EPC工程案例，以給排水專業(yè)角度，從工程總承包的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等重要階段開展系統(tǒng)和科學(xué)的分析，總結(jié)主要管控環(huán)節(jié)，歸納管理過程中水錘防護(hù)的技術(shù)控制要點(diǎn)，為同類項(xiàng)目提供可程管理經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 項(xiàng)目概況

案例為福州某工業(yè)園區(qū)用水提供的應(yīng)急備用水源，主要建設(shè)內(nèi)容包括約13.5km的管道(DN800鋼管)，以及一座4萬t/d的預(yù)制一體化泵站(內(nèi)設(shè)3臺潛水泵：Q=600m3/h，H=43m，P=110kW)。輸送介質(zhì)為水庫原水采用變頻恒壓方式供水，工作壓力0.5MPa。泵站(A點(diǎn))底面高程約2.5m，管道沿線最高點(diǎn)(G點(diǎn))高程29.32m，管道終點(diǎn)高程2.39m，園區(qū)末端(I點(diǎn))進(jìn)水壓力要求不低于0.2MPa，泵后管道沿線高程情況如圖1所示。

圖1 泵后管道沿線高程圖

2 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 水力過渡模型分析

長距離管道的水錘防護(hù)，從設(shè)計(jì)階段就應(yīng)提前考慮相關(guān)措施方案。在管線走向基本確定后，結(jié)合管道縱斷面圖，建立沿線高程圖，并根據(jù)高程圖分析水力模型特點(diǎn)，找出安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的控制要點(diǎn)，針對性地提出水錘防護(hù)措施。

案例項(xiàng)目總體輸水方式為單級加壓輸水。但因地形、流態(tài)、壓力和流速的不同，水力過渡模型又可細(xì)分為正常加壓輸水(A-G段)和類似重力流系統(tǒng)的有壓重力輸水(G- I段)。其中，加壓輸水段包含3處“拱背”狀模型(B-C段、D-E段和F-G段)。在拱背處易產(chǎn)生水柱斷流，出現(xiàn)氣穴；另外，當(dāng)加壓輸水段空管注水時(shí)會出現(xiàn)“U型管”模型，其水力流態(tài)近似多個(gè)U型管串聯(lián)組成。同時(shí)，有壓重力輸水段中流態(tài)受地形和坡度影響變化大，可能出現(xiàn)非滿流狀態(tài)，而且重力流的水錘多為關(guān)閥水錘，宜通過末端閥門快慢二階段關(guān)啟控制或采用大小兩閥門階梯控制，以實(shí)現(xiàn)流速的均勻遞減變化。有壓重力輸水段可分為陡坡段(G-H段)和平坦段(H-I段)兩部分，經(jīng)過G-H段的陡降，能進(jìn)一步消減壓差和勢能，使平坦段水力過渡過程更安全可控。

2.2 水錘防控方案

水錘的防控需有針對性且系統(tǒng)綜合性。針對性包括水泵、次高點(diǎn)、末端閥門和某段某處的保護(hù)措施等；系統(tǒng)性則指水錘防護(hù)的設(shè)計(jì)方案，包括安裝復(fù)合式排氣閥、二階段緩閉止回閥、水錘預(yù)作用閥、調(diào)流調(diào)壓閥、單向補(bǔ)水水池和調(diào)壓塔等等。因傳統(tǒng)單向水池與調(diào)壓塔需在特定管線位置占地，對于征地困難的工程較少采用。

在明確項(xiàng)目水力過渡模型和水錘防控方案后，宜采用計(jì)算機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模擬程序，對模型的恒定流態(tài)和瞬變流態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，對比不同工況和有無拒動狀態(tài)，得出最大和最小的水錘壓力值，以及發(fā)生的時(shí)間規(guī)律與位置關(guān)系，復(fù)核驗(yàn)算水錘防護(hù)措施的效果。最終目標(biāo)是達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，將最高水錘限制在工作壓力的1.3倍～1.5倍，并將負(fù)壓控制在2m以內(nèi)，甚至消除[1]。

2.3 復(fù)合式排氣閥的設(shè)置要求

水錘防護(hù)設(shè)計(jì)方案中，性價(jià)比最高的措施是合理選用和設(shè)置復(fù)合式排氣閥。

復(fù)合式排氣閥的功能應(yīng)含低壓緩慢排氣、低壓快速進(jìn)氣和高壓微量排氣，其作用在于順暢排出管內(nèi)氣體，也能防止管中出現(xiàn)負(fù)壓，同時(shí)在水柱分離后彌合時(shí)能緩慢排氣，起到類似緩沖氣囊般的作用，減小水柱斷流后的彌合水錘。這也是緩慢排氣的要求。因此，排氣閥并不是管徑越大越好，得通過空管充水排氣量計(jì)算、正常排氣量復(fù)核、爆管進(jìn)氣量復(fù)核和泄水時(shí)進(jìn)氣量復(fù)核等4個(gè)步驟綜合選型。

復(fù)合式排氣閥不僅布置在各管段隆起處或下降的拐點(diǎn)處，而且在一般平緩段(坡度≤1‰)也應(yīng)每0.5km～1.0km設(shè)置一個(gè)。結(jié)合案例，考慮G-H段管線坡度較陡，水力過渡過程復(fù)雜，因此在該中間起伏處以及坡后相對平緩的位置，增設(shè)進(jìn)氣排氣閥，以保障順暢排氣。

3 施工環(huán)節(jié)技術(shù)要點(diǎn)

為保障長距離供水管道系統(tǒng)安全調(diào)試運(yùn)行，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，識別質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)主要環(huán)節(jié)在鋼管的內(nèi)外防腐、管道的焊接、成品鋼管質(zhì)量、泵站筒體的滲漏、管道與池體的抗浮、陡坡管道的抗滑移、軟弱基礎(chǔ)地基處理等。

質(zhì)量驗(yàn)收的主控項(xiàng)目，最主要是功能性試驗(yàn)(水壓試驗(yàn)，也叫試壓)，驗(yàn)收應(yīng)100%合格。只有試驗(yàn)合格，才可投入運(yùn)行。同時(shí)，試驗(yàn)壓力一般為工作壓力P的2倍，而規(guī)范允許水錘是1.5倍工作壓力，比值間留有0.5倍的安全富余壓變。因此，試壓合格的管道，對水錘的危害抵抗力會更強(qiáng)。

試壓分為預(yù)試驗(yàn)和主試驗(yàn)兩階段，判定依據(jù)分為允許壓力降值或允許滲水量值，可二選一，常用壓力降值判定。

結(jié)合案例，工作壓力P為0.5MPa時(shí)，試驗(yàn)壓力為1MPa(規(guī)范要求P+0.5，且不小于0.9)，鋼管的允許壓力降值為0，DN800焊接接口鋼管允許滲水量為1.35 L/min·km。[2]

具體工序如下：

①試壓準(zhǔn)備：試壓安裝示意圖如圖2所示。管道試壓分段進(jìn)行，每段不宜超過1km。注水時(shí)，從下游緩慢注入，在管段的高點(diǎn)設(shè)排氣閥。鋼管在焊接接口完成后1h后進(jìn)行試壓。選用彈簧壓力計(jì)，量程試驗(yàn)壓力1.3～1.5倍，精度高于1.5級。不得用閘閥做蓋板(或堵板)，注水完成后，鋼管浸泡24h以上。

圖2 管道試壓安裝示意圖

②試壓過程：首先預(yù)試驗(yàn)，將水壓緩慢升至試驗(yàn)壓力，并穩(wěn)壓30min，若期間壓力下降則注水補(bǔ)壓。該階段主要目的是檢查接口和配件等處有無損壞與漏水。若無損壞與漏水，即可進(jìn)入主試驗(yàn)階段。

主試驗(yàn)階段，在試驗(yàn)壓力下穩(wěn)壓15min(期間不得注水補(bǔ)壓)，當(dāng)15min后無壓力下降，則將壓力降至工作壓力，并恒壓30min檢查有無漏水現(xiàn)象。若無則表面試壓合格；若采用滲水量判斷，則在試驗(yàn)壓力下補(bǔ)水恒壓2h以上，通過補(bǔ)水量換算與允許滲水量對比，小于允許值則試壓合格。

4 運(yùn)行環(huán)節(jié)技術(shù)要點(diǎn)

4.1 初次充水啟動的操作

初次充水啟動是保證管道系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，而其關(guān)鍵在排氣順暢。若充水速度過慢，除了致使通水時(shí)間太長，也不利于管道排氣，會導(dǎo)致管內(nèi)積氣，成為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全隱患；若充水速度太快，快于排氣速度時(shí)，會導(dǎo)致管道氣體堵塞，引起水壓波動，影響過水能力。同時(shí)，初次充水啟動時(shí)，水力過渡過程復(fù)雜且多變，不可預(yù)見的影響因素多，因此應(yīng)編制初次充水啟動操作規(guī)程，并請有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)[3]。一般初次充水速度控制在0.3～0.5m/s，效果最好，太低的流速無法排凈管道內(nèi)的氣體。結(jié)合案例，按DN800管徑換算后流量約540～900 m3/h之間，初次充水流量選取600m3/h，即一臺潛水泵工頻充水運(yùn)行。充水操作前，檢查全部排氣閥是否靈敏有效，保證能正常使用。在充水過程，調(diào)度人員沿線(上游向下游)跟蹤充水狀態(tài)，通過排氣閥的啟停，判斷水流位置和排氣狀況。同時(shí)，可以開啟全部泄水閥輔助判斷水流位置，以助于順暢排氣和清洗管內(nèi)雜質(zhì)，在泄水閥出水20s后關(guān)閉。管道滿水的判斷，可通過末端排氣閥終止排氣，且末端壓力表持續(xù)穩(wěn)定升壓并超過0.2MPa。

4.2 正常運(yùn)行過程中操作

長距離供水管道日常安全穩(wěn)定的運(yùn)行，關(guān)鍵在控制管內(nèi)流速與排氣，避免急劇快速的變化而導(dǎo)致水錘破壞。正常運(yùn)行中，技術(shù)管控要點(diǎn)，主要在于閥門開關(guān)和水泵啟停過程的操作控制。

①閥門開關(guān)操作：閥門操作時(shí)，主要在于避免開閥水錘和關(guān)閥水錘，注意控制啟閉的速度，做到緩開緩閉。開閥和關(guān)閥操作應(yīng)按規(guī)定程序進(jìn)行，避免速度過快而產(chǎn)生水擊。水泵出水電動蝶閥的關(guān)閉操作宜執(zhí)行快慢兩階段關(guān)閉規(guī)律，第一階段快關(guān)至65°～75°，第二階段可5～7倍于快關(guān)時(shí)間，緩慢關(guān)閉至全關(guān)。

②停泵過程操作：每臺水泵停機(jī)時(shí)，均應(yīng)按照先關(guān)閥門、后停泵的操作順序，注意在閥門關(guān)閉后停泵間隔不得太長。如案例中水泵功率為110kW，其關(guān)閥后停泵間隔不得大于3min。對于有降頻分檔停泵操作的(即通過變頻控制，逐檔調(diào)低水泵流量，直至關(guān)停)，要注意關(guān)閉時(shí)間控制。

③啟泵過程操作：水泵啟動分為初次通水啟動、正常啟動和事故停泵再啟動3種情況。時(shí)常產(chǎn)生含氣的斷流水錘，其主要原因是管道中存在積氣，啟泵時(shí)充水速度大于排氣速度，出現(xiàn)斷流水柱彌合撞擊。啟泵時(shí)，按照先關(guān)閥、后啟動水泵順序操作，關(guān)閥情況下水泵(功率≤110kW)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間不得大于3min。同時(shí)，特別注意突發(fā)的事故停機(jī)后再次啟泵的操作，因?yàn)橥蝗煌１眠^程產(chǎn)生的壓力波，往往會使管道中產(chǎn)生大量氣體。因此，要控制再次啟動時(shí)的充水速度，并檢查沿線排氣閥的排氣狀態(tài)，確保管道內(nèi)氣體排凈后，再逐步增加至正常流量，才能保證安全運(yùn)行。

結(jié)合案例，初次充水排氣是在單泵工頻下進(jìn)行，因此，事故停泵后先啟動一臺水泵排氣，完成后再陸續(xù)啟動其他水泵，進(jìn)行工況運(yùn)行。在啟泵操作中，不僅僅針對整個(gè)機(jī)組事故停泵后重啟時(shí)需進(jìn)行排氣，在每次機(jī)組啟動前，均得按此流程進(jìn)行排氣操作。

5 結(jié)語

為保障長距離供水管道安全運(yùn)行，通過對福州市某工業(yè)園區(qū)應(yīng)急供水EPC工程案例的總結(jié)與歸納，闡釋了水錘防護(hù)技術(shù)控制要點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)階段應(yīng)結(jié)合管道全線高程圖分析水力過渡模型，根據(jù)水力模型有針對地提出水錘防控方案，并梳理復(fù)合式排氣的選用和設(shè)置要求。

(2)施工及質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)識別項(xiàng)目主控項(xiàng)目，對管道試壓前準(zhǔn)備和試壓過程的工法進(jìn)行了重點(diǎn)整理歸納。

(3)運(yùn)行階段應(yīng)結(jié)合實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)充分重視初次充水啟動操作過程。