楊麗娜

(烏魯木齊鑫盛開源工程項(xiàng)目管理有限公司，新疆 伊犁 835000)

1 工程背景

特克斯縣農(nóng)村安全飲水管網(wǎng)提升改造工程位于新疆伊犁哈薩克自治州特克斯縣境內(nèi)，配水管網(wǎng)全長(zhǎng)15.5 km，檢查井37座，排水井4座，水表井87座?？厥蔡卮迮渌芫W(wǎng)全長(zhǎng)18.1 km，檢查井34座，排氣井4座，排水井3座，管道跨路34處；庫木托別村11 km主管網(wǎng)改造，13.5 km入戶管網(wǎng)改造，建設(shè)配套檢查井、閥門井。

待農(nóng)村安全飲水管網(wǎng)提升改造工程配水管道安裝完成至管道運(yùn)行前，必須通過管道打壓試驗(yàn)進(jìn)行安全性測(cè)試，也是對(duì)管道實(shí)際運(yùn)行過程的一次模擬。充水量的確定和升壓水泵的選型是打壓試驗(yàn)順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)，在升壓試驗(yàn)過程中，配水管道在壓力的影響下出現(xiàn)一定程度的膨脹，管道內(nèi)水體因受到壓力的作用體積被壓縮。配水管道水壓試驗(yàn)所需充水量就是水體壓縮后的體積和管道膨脹所增大體積之和。

為節(jié)省升壓試驗(yàn)時(shí)間，本飲水管網(wǎng)提升改造工程采用兩階段管道試驗(yàn)方案，即在充水的初期，在管道尚未充滿時(shí)，采用大流量水泵快速充水；待管道充滿后升壓的過程中，改用流量較小的升壓泵升壓處理?？紤]到打壓過程中，空氣比水更容易壓縮，如果配水管道內(nèi)存在未排除的空氣，則空氣被快速壓縮后需要補(bǔ)充比計(jì)算值更多的水才能達(dá)到壓力設(shè)定值，這樣，會(huì)增大配水管道被損壞的可能性。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試壓區(qū)段劃分

根據(jù)管壁厚度、供水壓力等級(jí)及閥室場(chǎng)站的地理位置和距離遠(yuǎn)近進(jìn)行試壓區(qū)段劃分。本試驗(yàn)根據(jù)試壓?jiǎn)卧M(jìn)行閥室間距的確定，若閥室間距比規(guī)范[1]所規(guī)定的試壓距離最大值(35 km)和高差(30 m)大，則應(yīng)進(jìn)行試壓區(qū)段的劃分。

在配水管道各閥門井下游增設(shè)試壓墩，試壓墩共設(shè)置5處，以試壓墩為節(jié)點(diǎn)將配水管網(wǎng)水壓試驗(yàn)管道劃分為6段，試驗(yàn)過程按照單根管道進(jìn)行。從上游至下游將各試驗(yàn)管段分別標(biāo)號(hào)為1#～6#管段。將封堵板設(shè)置在試壓墩下游，和配水管道內(nèi)壁焊連，并在其上下游端增設(shè)連通性鋼管和閥門等壓力調(diào)控裝置。將試壓墩位置的封堵板按照所對(duì)應(yīng)的配水管道閥門井進(jìn)行標(biāo)號(hào)，分別為1#～5#，設(shè)置簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 充水試驗(yàn)區(qū)段劃分示意圖

2.2 管道試壓準(zhǔn)備工作

在開始該飲水工程配水管道升壓試驗(yàn)前，應(yīng)進(jìn)行管道、升壓設(shè)備、各管段閥門及壓力表等有關(guān)儀器設(shè)備等的全面檢查，無誤后方可開始試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中壓力表的標(biāo)定刻度應(yīng)為試驗(yàn)壓力的2.0～2.5倍，精度為1.5級(jí)，壓力試驗(yàn)儀應(yīng)按設(shè)計(jì)要求分別安裝在試壓管段兩端，且校驗(yàn)合格，誤差應(yīng)控制在±1℃以內(nèi)。按照各管段設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力在管道組裝、焊接、下溝、回填完成后分別進(jìn)行閥門的單獨(dú)試壓，在試壓過程中采用橢圓形封頭封堵試壓管段，并對(duì)全部焊縫采用超聲波和X射線探傷。配水管道試壓的環(huán)境溫度應(yīng)不低于5℃。

3 管段變形體積增量的確定

對(duì)配水管網(wǎng)施壓的過程中，管段受到內(nèi)水壓力變化的影響，管段壁會(huì)發(fā)生變形。對(duì)于缺乏固定端約束的配水管段其管壁還會(huì)發(fā)生環(huán)向和軸向兩種形式的變形。

3.1 管段環(huán)向變形體積增量

在管道內(nèi)水壓力的影響下，管段會(huì)發(fā)生環(huán)向膨脹，且管段所發(fā)生的環(huán)向單位伸長(zhǎng)量可表示如下：

(1)

式中：ΔL′為管段所發(fā)生的環(huán)向單位伸長(zhǎng)量，m；P為配水管段管內(nèi)壓力，MPa；D為管道直徑初始值，mm；L′為管段長(zhǎng)度初始值，mm；Ec為管道彈性模量；δ為管段壁厚，取1.5 mm。

該農(nóng)村安全飲水工程配水管道在充水實(shí)驗(yàn)中環(huán)向伸長(zhǎng)量總量按下式計(jì)算：

(2)

式中：ΔL為配水管道環(huán)向伸長(zhǎng)量總量，mm；其余參數(shù)同前。

飲水工程配水管道充水膨脹后管道直徑d及單位管段體積增量ΔV1分別計(jì)算如下：

(3)

(4)

將式(3)代入式(4)可得：

(5)

3.2 管段軸向變形體積增量

飲水工程配水管網(wǎng)若管端封閉，則管道在內(nèi)水壓力的影響下將沿軸向伸長(zhǎng)變形，單位管段軸向伸長(zhǎng)變形量ΔL按下式確定：

(6)

式中：f為材料比例系數(shù)；A為配水管道截面積，m2；其余參數(shù)同前。

則不考慮管段環(huán)向膨脹變形所引起體積變化的情況下，配水管段伸長(zhǎng)變形后單位長(zhǎng)度內(nèi)體積增量ΔV2為：

(7)

比較式(5)和式(7)不難發(fā)現(xiàn)，在飲水工程配水管道充水試驗(yàn)過程中，因內(nèi)水壓力的影響而導(dǎo)致管段發(fā)生變形的，環(huán)向變形所導(dǎo)致的體積增大量是軸向變形所引起體積增大量的至少4倍，因此，內(nèi)水壓力所導(dǎo)致的環(huán)向變形是飲水工程配水管道變形及體積增大的主要原因。本工程而配水管網(wǎng)充水施壓的過程中，已對(duì)管端施加約束，管道伸長(zhǎng)量實(shí)際值比管道自由伸長(zhǎng)量值小，可忽略不計(jì)。

農(nóng)村安全飲水工程配水管網(wǎng)充水試驗(yàn)施壓時(shí)回填土也會(huì)制約和束縛管道變形過程，但是鋼管、PCCP管等管道彈性模量比回填土彈性模量大，所以配水管道在內(nèi)水壓力的作用下，回填土對(duì)管道膨脹變形的影響很小，幾乎可以不考慮[2]。

再次分析式(5)可以看出，等號(hào)右端包括兩部分，且第二部分是第一部分的高階小量，所以對(duì)于本農(nóng)村安全飲水工程配水管網(wǎng)充水試驗(yàn)而言，第二部分可忽略不計(jì)，則配水管道因內(nèi)水壓力膨脹變形后體積的增量可簡(jiǎn)化表示為：

(8)

若本工程配水管段管內(nèi)壓力設(shè)計(jì)值分別取0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa，管徑為3.4 m，管道彈性模量為1.27，將相關(guān)參數(shù)取值代入式(8)便可計(jì)算出配水管道因內(nèi)水壓力膨脹變形后體積的增量。

4 充水量的確定

配水管網(wǎng)膨脹量和水體受壓縮量處于相同量級(jí)，所以水體壓縮模量和混凝土彈性模量量級(jí)幾乎相同，為此，在進(jìn)行本飲水工程配水管網(wǎng)充水試驗(yàn)的過程中必須考慮到水體壓縮模量的因素。單位管段內(nèi)水體壓縮量按下式確定：

(9)

式中：ΔV3為單位管段內(nèi)水體壓縮量；Ew為水體積模量，取2.06×1011；V為試驗(yàn)過程中的充水量，m3。

根據(jù)理論分析，充水試驗(yàn)過程中管道內(nèi)充水量為管道膨脹后體積的增大量和水體受壓體積之和，表示如下：

V=V2+V3

(10)

式中：V2為管道膨脹后體積的增大量，m3；V3為水體受壓體積，m3。

特克斯縣農(nóng)村安全飲水管網(wǎng)提升改造工程充水施壓試驗(yàn)過程中試壓壓力設(shè)計(jì)值最大為1.4 MPa，且當(dāng)管段內(nèi)壓力大于0.6 MPa時(shí)，出于管道安全方面的考慮，以管段內(nèi)壓力每升高20 m為間隔。工程施壓管段長(zhǎng)1 km，管徑為3.4 m，使用PCCP管材，管段壁厚1.5 mm，砂漿厚40 mm，管芯厚255 mm，鋼絲直徑7.0 mm，管芯混凝土標(biāo)號(hào)C50，管芯混凝土彈性模量，則配水管段內(nèi)試驗(yàn)壓力每升高20 m的注水量應(yīng)按以下步驟確定。

將鋼筒折算為C50混凝土的厚度δ1，公式為：

(11)

式中：Eh為芯混凝土彈性模量，取3.45×1010；其余參數(shù)同前。

經(jīng)計(jì)算，本引水工程配水管段鋼筒折算為C50混凝土后厚度為0.000896 m。

將鋼絲折算為C50混凝土的厚度δ2，公式為：

(12)

式中：S1為纏絲單位長(zhǎng)度面積，取4452 mm2/m；S2為混凝土管單位長(zhǎng)度面積，根據(jù)混凝土管直徑計(jì)算，mm2/m；其余參數(shù)同前。

經(jīng)計(jì)算，鋼絲折算為C50混凝土的厚度0.000298 m。

由上述計(jì)算結(jié)果看出，鋼筒和鋼絲折算厚度非常小，其與本工程配水管段壁厚δ相比，可忽略不計(jì)，即配水管段的折算厚度就是PCCP管的壁厚。

根據(jù)式(7)和式(10)所得出的配水管網(wǎng)試驗(yàn)充水量和壓力變化計(jì)算結(jié)果匯總情況見表1。

表1 配水管網(wǎng)試驗(yàn)充水量和壓力變化取值結(jié)果

根據(jù)表1的結(jié)果，在既定的試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，隨著配水管段內(nèi)壓力值的增大，充水量呈增加趨勢(shì)，當(dāng)壓力升高后，水泵流量隨之改變，且當(dāng)管段內(nèi)充水壓力處于較低水平時(shí)，管道承壓能力較高，充水量對(duì)管道安全運(yùn)行的影響并不十分明顯。但當(dāng)管道內(nèi)充水壓力升高至接近試驗(yàn)壓力時(shí)，管道升壓過程的危險(xiǎn)程度將持續(xù)增加，這是強(qiáng)控制的重要階段，應(yīng)根據(jù)管道內(nèi)充水壓力升高的充水速度確定水泵揚(yáng)程和流量。

5 升壓水泵的選型

如果所使用升壓泵流量過大，則充水時(shí)間和管道壓力升高時(shí)間縮短，試驗(yàn)過程控制難度增大，不利于管道安全。相反，若所使用的升壓泵流量過小，則會(huì)延長(zhǎng)充水時(shí)間和升壓時(shí)間，影響試驗(yàn)效率和工期。故應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際、相關(guān)規(guī)范和類似工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行管道升壓充水量的合理確定，并據(jù)此進(jìn)行水泵選擇，盡可能保證水泵在高效率狀態(tài)運(yùn)行[3]，以降低能耗，提升試驗(yàn)效率。通過表1的分析結(jié)果可以看出，在既定的壓力范圍內(nèi)，管道壓力升降值和補(bǔ)水體積之間存在線性關(guān)系，而當(dāng)水泵升壓后，流量則發(fā)生較為明顯的變化。當(dāng)內(nèi)壓較低時(shí)管道的承受能力較高，此種情況下的充水流量對(duì)管道安全并無較大影響，而管道升壓過程中管道內(nèi)壓接近試驗(yàn)壓力的時(shí)刻對(duì)管道安全影響較大，為此，應(yīng)選擇該階段為控制階段?？梢?，水泵揚(yáng)程及流量選擇時(shí)必須重點(diǎn)考慮管道內(nèi)內(nèi)壓較高時(shí)的充水速度。

水泵揚(yáng)程按照下式確定：

(13)

式中：H為水泵揚(yáng)程，m；p2為泵出口處水流壓力，Pa；p1為泵進(jìn)口處水流壓力，Pa；ρ為水流密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；v2為泵出口處水流流速，m/s；v1為泵進(jìn)口處水流流速，m/s；z2為出口高度，m；z1為進(jìn)口高度，m。

對(duì)于本工程而言，配水管道內(nèi)內(nèi)壓較高的時(shí)段即為從120 m水頭加壓至135 m水頭的時(shí)段，將工程配水管道具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上式，可得出離心水泵的額定揚(yáng)程為120 m。

配水管道充水試驗(yàn)所選水泵的額定流量按下式確定：

(14)

式中：Q為水泵額定流量，m3/h；P為軸功率，kW；η為泵效，%；H為揚(yáng)程，m。

將試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)泵效率、軸功率等數(shù)據(jù)代入式(14)可知，應(yīng)當(dāng)選擇額定流量10 m3/h的離心水泵，既能達(dá)到設(shè)定壓力值，又能在實(shí)際升壓試驗(yàn)中按照流量計(jì)算結(jié)果補(bǔ)充更多體積的水。

6 結(jié)論

按照本文所提出的飲水工程配水管道充水試驗(yàn)方案，能有效解決新疆伊犁哈薩克自治州特克斯縣農(nóng)村安全飲水管網(wǎng)提升改造工程配水管網(wǎng)施工結(jié)束后管道的施工質(zhì)量及安全性的檢測(cè)問題。按照本試驗(yàn)方案，充水試驗(yàn)管段分段處的封堵板僅承受上下游的充水壓力差，能有效降低封堵板所承受的試驗(yàn)荷載，并使封堵板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。此外，該充水試驗(yàn)方案安全可靠、操作簡(jiǎn)單，能有效控制試驗(yàn)時(shí)間，可以為類似農(nóng)村供飲水工程管道水壓試驗(yàn)提供借鑒參考。