翟 欽

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

北疆供水管道工程全長5.9 km,管徑為DN1400 mm,大部分橫穿戈壁沙漠,干旱少雨,冬季寒冷,地勢高差較大。高水頭長距離輸水管道中鋼管壁厚的選擇是水利工程常見的工程難題。在管道運行管理過程中多種特殊情況產(chǎn)生的水錘及管道負壓會對輸水管道的安全運行帶來巨大隱患,本文結(jié)合北疆供水管道工程的實例,建立水錘分析模型,對泵站事故停泵,管線內(nèi)部水錘壓力情況進行模擬,確定推薦水錘防護措施下管線水錘壓力,通過鍋爐公式確定管道壁厚。闡述長距離輸水管道壁厚設(shè)計的質(zhì)量控制要點。

2 工程概況

北疆某管道工程工程設(shè)計內(nèi)容包括新建5.89 km管線及其構(gòu)筑物,調(diào)節(jié)池及配套管線兩部分,管線遠期輸水量達到20×104m3/d。管道按每天16 h運行,輸水流量為3.47 m3/s。調(diào)節(jié)池設(shè)計容積為4.5萬m3。輸水管道由于流速發(fā)生劇烈變化而引起動量轉(zhuǎn)換,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,即水錘現(xiàn)象,其水錘危害必須引起高度重視。本工程突然停泵,使管道壓力增加,若排氣不暢,由于氣阻可能產(chǎn)生爆管；關(guān)閥時間控制不當,有可能使水錘壓力增大。根據(jù)綜合比選,供水管道管材選用鋼管。管線從新建泵房處取水,末端接入新建調(diào)節(jié)池,管線全長5.9 km。鋼管鋼材采用Q235 B,管壁選用厚度為16.0 mm及18.0 mm兩種。

3 供水管線水錘計算

3.1 水錘計算方法

（1）水錘計算特征線法

本工程水錘的計算是對整個工程抽水系統(tǒng)進行計算分析,包括管道內(nèi)點、泵裝置中的各部分（邊界點）。在水錘計算中,管道系統(tǒng)內(nèi)點的計算是求解水錘基本方程,即由運動方程和連續(xù)性方程組成的雙曲型偏微分方程組[1]。

由式（1）和式（2）進行有限差分近似,可以得到對應于圖1所示的水錘離散特征線方程：

圖1 水錘計算特征線

解上述方程可得：

或

（2）壓力變化計算公式一一儒科夫斯基方程：

式中：ΔH為壓力變化量,m;c為波速,m/s；g為重力加速度,m/s2;ΔV為流速的變化量,m/s。

（3）波速計算公式：

式中：c為水錘傳播速度；K為介質(zhì)體積彈性模量,單位Pa；ρ為介質(zhì)密度,kg/m3；E為管道的楊氏彈性模量,MPa；無量綱綱參數(shù),其中,其中：D為管道內(nèi)徑（m）,δ為管道壁厚（mm）。經(jīng)過計算水錘傳播速度C=1098 m/s。

根據(jù)對上部管線不同工況下,進行水錘分析,分析穩(wěn)態(tài)工況、事故工況及其他工況下管道及水泵運行的情況、水力坡度線以及管道內(nèi)壓力變化曲線。本工程在有彌合性水錘預防閥的情況下,管道內(nèi)壓力變化不大,無氣化現(xiàn)象。

3.2 無防護措施事故停泵

圖2是在設(shè)計工況時,無水錘防護措施,4臺機組事故停機過渡過程的管路系統(tǒng)的壓力包絡線,最大壓力196 m,出現(xiàn)在泵站出口處。最小壓力-8 m,管線出現(xiàn)多處汽化。

圖2 壓力包絡線

3.3 事故停泵-彌合性水錘預防閥-關(guān)閥

圖3是在設(shè)計工況時,原定彌合性水錘預防閥防護,4臺機組事故停機過渡過程的管路系統(tǒng)的壓力包絡線,最大壓力196 m,出現(xiàn)在泵站出口處。最小壓力-8 m,管線出現(xiàn)多處汽化,計算結(jié)果表明此方案需要調(diào)整[2]。

圖3 壓力包絡線

彌合性水錘預防閥樁號：

0+560,1+050,1+650,2+400,3+150,3+950,4+600,5+200,5+600共9 個。

3.4 事故停泵-彌合性水錘預防閥-不關(guān)閥

由計算結(jié)果,設(shè)計水錘防護措施,樁號1+900,2+250,2+525,2+750,2+950,3+132,3+332,3+494,3+693,3+950,4+550共計11 處安裝注氣微排閥,每處兩臺,采用牛角布置,閥門進氣口徑為250 mm,排氣口徑8 mm。

在防護措施下,機組在不關(guān)閥的事故停泵過渡過程中,如圖4 為管路系統(tǒng)的壓力包絡線,壓力最高點在水泵出口處,最大壓力為192.528 m,見圖5；壓力最低點在樁號3+624 處,最小壓力為-4.70 m,見圖6。整個管道無汽化現(xiàn)象。

圖4 壓力包絡線

圖5 壓力最高點壓力隨時間變化曲線

圖6 壓力最低點壓力隨時間變化曲線

如圖7 泵轉(zhuǎn)速和出口流量隨時間變化圖,事故停泵后14.8 s后開始倒轉(zhuǎn),泵的最大倒轉(zhuǎn)速度為22.4 r/s,未超過水泵額定轉(zhuǎn)速,事故停泵后9.4 s后開始倒流,最大倒轉(zhuǎn)流量為0.58 m3/s。

圖7 泵轉(zhuǎn)速和出口流量隨時間變化曲線

3.5 事故停泵-彌合性水錘預防閥

事故停泵水錘的防護措施除采用3.4 工況中安裝的11 個注氣微排閥,還對管線中安裝的多功能水泵控制閥、主管調(diào)流閥和支路中的液控半球閥進行聯(lián)合關(guān)閥操作。方案二為：多功能水泵控制閥采用兩階段關(guān)閥,在事故停泵后9.4 s內(nèi)快速關(guān)閉閥門的90%開度,在接下來的47 s后緩慢全關(guān)；主管調(diào)流閥維持穩(wěn)態(tài)時的開度；對支管的半球閥要求在停泵后180 s內(nèi)將閥門由全開關(guān)至全關(guān)。

圖8 是防護措施下管路系統(tǒng)的壓力包絡線。壓力最高點在水泵出口處,最大壓力為192.528 m,見圖9。壓力最低點在樁號3+628處,最小壓力為-4.71 m,見圖10。整個管道無汽化現(xiàn)象,建議采用此關(guān)閥方案。

圖8 壓力包絡線

圖9 壓力最高點壓力隨時間變化曲線

圖10 壓力最低點壓力隨時間變化曲線

如圖11 泵轉(zhuǎn)速和出口流量隨時間變化圖,由圖可得泵的最大倒轉(zhuǎn)速度16.4 r/s,未超過水泵額定轉(zhuǎn)速,最大倒轉(zhuǎn)流量為0.47 m3/s。如圖12 主管調(diào)流閥進口壓力隨時間變化曲線,可得調(diào)流閥在300 s后,壓力相對平穩(wěn)。

圖11 泵轉(zhuǎn)速和出口流量隨時間變化曲線

圖12 主管調(diào)流閥進口壓力隨時間變化曲線

4 供水管線壁厚計算

管壁厚度按管壁承受內(nèi)水壓力的鍋爐公式：

式中：Po為直徑向均布壓力,N/mm2；r為鋼管（鋼襯）內(nèi)半徑,mm；to為鋼管（鋼襯）管壁計算厚度,mm。

式中：P為均勻內(nèi)水壓力,N/mm2；r1為鋼管內(nèi)半徑,mm；

為焊縫系數(shù)；[σ]為鋼管材料的允許應力；管壁厚度應比計算值至少增加2 mm,對泥沙磨損、腐蝕較嚴重的鋼管,應專門論證。

由于地處嚴寒地區(qū)。根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》（GB 50316-2000）,本工程鋼材采用Q235 C鋼,允許應力[σ]按規(guī)范降低33%,焊縫系數(shù) 取0.9。

通過供水管線水錘計算結(jié)果可以得出本工程在水錘防護措施全部啟用時最大水錘壓力為192.528 m；水錘防護措施全部失效時最大水錘壓力為196 m。故本次管道壁厚計算水錘壓力選用為200 m。

管壁厚度的計算,見表1。

表1 管道結(jié)構(gòu)計算

5 總結(jié)

通過對本工程水錘工況計算分析,以及充分考慮當?shù)刈匀画h(huán)境,水質(zhì)情況,基本確定管道設(shè)計壁厚的選用,滿足了承壓要求。主要總結(jié)如下：

（1）本工程防護措施采用彌合性水錘預防閥,具體樁號如下：1+900,2+250,2+525,2+750,2+950,3+132,3+332,3+494,3+693,3+950,4+550 共計11 處,每處兩臺,采用牛角布置,閥門進氣口徑為250 mm,排氣口徑8 mm；按照相關(guān)設(shè)計標準的規(guī)定,考慮到充水過程及正常工作中排氣的需要,主管間隔800 m～1000 m左右安裝一個進排氣閥。

（2）主管選用材質(zhì)為Q235 C的DN1400 螺旋縫焊接鋼管,壁厚16 mm。

6 結(jié)論

本文依托北疆某供水系統(tǒng)工程,探討嚴寒地區(qū)長距離高水頭管道壁厚選擇問題,以管道不同水錘防范措施下水錘計算為基礎(chǔ),進行了詳細闡述,在眾多水錘防范措施中選擇出適合本工程的水錘預防措施,同時給出了高水頭長距離管道壁厚選擇的一整套流程和方法,具有較強的工程指導意義。