給水管道水壓試驗(yàn)中存氣量對(duì)試驗(yàn)的影響分析

劉乃力

0 引言

給水管道是供水系統(tǒng)中最重要的設(shè)施，其投資約占供水系統(tǒng)的70%，其質(zhì)量直接關(guān)系到供水安全、供水水質(zhì)、供水成本等，故其安裝施工的最后一道程序——水壓試驗(yàn)就顯得尤為重要。

GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范(以下簡稱《規(guī)范》)中規(guī)定:壓力管道在主試驗(yàn)階段:1)升壓至試驗(yàn)壓力，穩(wěn)定15min，當(dāng)15min后壓力下降值不超過規(guī)范中表9.2.10-2的允許降壓數(shù)值時(shí);2)將壓力降低至工作壓力并保持恒壓 30 min，進(jìn)行外觀檢查若無漏水現(xiàn)象，則水壓試驗(yàn)合格。

從以上規(guī)定可以看出，水壓試驗(yàn)主要分兩個(gè)階段，①階段合格后方可進(jìn)行②階段試驗(yàn)，本文著重討論①階段，主要議題是:穩(wěn)定15m in后，壓降值小于《規(guī)范》規(guī)定允許值，是否①階段就算合格?！兑?guī)范》未對(duì)管道存氣引起的試壓影響作分析，本文主要對(duì)管道存氣的影響加以研究，分析其對(duì)工程合格的判定帶來的偏差，進(jìn)一步探討存氣帶來的工程隱患。

1 議題的提出

本人在多年的供水企業(yè)管理中發(fā)現(xiàn)，管道試壓經(jīng)常有這樣的情況:加壓過程極其緩慢，但檢查全線管道卻無明顯漏水現(xiàn)象，停泵后壓力值基本穩(wěn)定，這大多是管道存氣引起的。

那么，存氣對(duì)管道試壓有什么影響，影響多大，補(bǔ)水量與升壓是什么關(guān)系。穩(wěn)定 15m in后壓降值小于《規(guī)范》規(guī)定的允許值是否說明①階段試壓合格。滲水量與壓降又是什么關(guān)系。這些問題從定性上分析似乎并不困難，但要做定量回答就不容易了，有必要對(duì)管道存氣做深入細(xì)致的分析討論。

2 管道存氣的分析

由于水的壓縮量很小，為了討論方便，本文忽略水在不同壓力下的體積變化。管道作水壓試驗(yàn)時(shí)，管內(nèi)充滿水以后，還要繼續(xù)向管內(nèi)注水，才能在管內(nèi)產(chǎn)生水壓和達(dá)到要求的壓力，管內(nèi)水量相應(yīng)增多了，是由于:1)管壁受水壓而產(chǎn)生封拉壓力，環(huán)向伸長，管子的斷面積相應(yīng)增大，整條管道的容積增加;2)管內(nèi)的存氣受壓密度增大，也就是體積比原來無壓時(shí)縮小了，因而就需要向管內(nèi)增補(bǔ)水量。相反，管子要降壓時(shí)，就必須放出或滲漏掉這些水量。此外，升壓時(shí)管道向兩側(cè)伸長也能增大容積，增加補(bǔ)水量，但由于受兩端靠背千斤頂控制，其伸長長度可忽略不計(jì)，故在本文中也不考慮。以上是定性的分析，下面做定量的計(jì)算。

1)管道內(nèi)沒有氣體時(shí)，補(bǔ)水量與升壓的關(guān)系:

其中，ΔW為管道水壓試驗(yàn)升壓P(kgf/cm2)時(shí)需增補(bǔ)的水量;D1為管道內(nèi)徑，cm;T為管道平均壁厚，cm;L為管道長度，m; E為管材的彈性模量，kg/cm2，取0.9×106;β為水的壓縮系數(shù)，kgf/cm2，這里取0。

下面以DN 400球磨鑄鐵管為例，計(jì)算每升壓1 kgf/cm2時(shí)補(bǔ)水量ΔW的值以及ΔW占總水量 W的比例。設(shè)管道長度 1 km，DN400球磨鑄鐵管內(nèi)徑為D1=403mm，平均厚度T=12mm，代入式(1)可以計(jì)算出ΔW=5 L，而不難算出管道容積W=12 724 L，ΔW占W的比例為0.000 385(0.038 5%)。ΔW與P成正比，同理可以計(jì)算出升壓(或降壓)0.3 kgf/cm2時(shí)(該數(shù)值是2008版《規(guī)范》規(guī)定數(shù)值，在老版本中規(guī)定是0.5)，ΔW為1.5 L。反過來，在實(shí)際試壓中就可以從15min的降壓值P推算出引起壓降的泄漏水量ΔW了。

2)管內(nèi)存有空氣對(duì)試壓的影響。管內(nèi)存氣是由管線的高程造成的，一般情況下，供水管道基本平行于道路路面、隨道路高低起伏而起伏。任何一處只要兩端都有比它低的地方，這里就可能存氣，成為可能的存氣點(diǎn)。一般設(shè)計(jì)上在重要的存氣點(diǎn)設(shè)置排氣閥，在施工規(guī)程中也要求在不能自由排氣的高點(diǎn)設(shè)置排氣閥，以排除管內(nèi)空氣。我們熟悉的氣體的狀態(tài)方程如下:

其中，P為氣體絕對(duì)壓強(qiáng);V為氣體體積;T為氣體絕對(duì)溫度; K為常數(shù)。

根據(jù)式(2)可以推導(dǎo)出我們今天的補(bǔ)水量方程:

其中，ΔW為管道水壓試驗(yàn)時(shí)，由于管內(nèi)存氣，需要向管內(nèi)多增補(bǔ)的水量，或降壓時(shí)，需要多排出或滲漏掉的水量，L;V為管道水壓試驗(yàn)時(shí)，升壓前管內(nèi)的存氣量，L;P為管道水壓試驗(yàn)的壓強(qiáng)，kgf/cm2。

根據(jù)式(3)計(jì)算，1 000 L空氣，水壓試驗(yàn)加壓到10 kgf/cm2時(shí)，被壓縮的體積為909.1 L，空氣體積變?yōu)?90.9 L，因此就要比管內(nèi)沒有空氣時(shí)多注入 909.1L水。相反，降壓時(shí)必須多排水，同樣可以計(jì)算出從10 kgf/cm2降到9.7 kgf/cm2時(shí)就要比管內(nèi)無氣時(shí)多滲漏2.6L水。同樣以1 km長DN 400球磨鑄鐵管為例，可以換算出在含氣量達(dá)1%時(shí)，壓降0.3 kgf/cm2需多滲漏3.3 L水。

3 存在空氣對(duì)管道試壓的影響

1)當(dāng)存有大量空氣時(shí)，由于空氣容易被壓縮(10 kgf/cm2時(shí)約被壓縮到 1/10)，致使升壓需另外注入大量的水，造成其過程極其緩慢，升壓時(shí)間往往是正常情況的數(shù)倍乃至更長，這就造成了管道設(shè)施長時(shí)間處于危險(xiǎn)狀態(tài)(試驗(yàn)壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于工作壓強(qiáng))，大大增加了安全事故隱患的發(fā)生概率，故在升壓前一定要做好排氣工作。

2)我們?nèi)砸? km長DN 400球磨鑄鐵管為例，升至試驗(yàn)壓力開始計(jì)時(shí)，沒有空氣的情況下，穩(wěn)定15min后壓降0.3 kgf/cm2(前面已計(jì)算出泄漏量為 1.5 L)①階段試壓合格。同樣是這條管道，若含有1%的空氣，同樣壓降0.3 kgf/cm2的時(shí)間就要遠(yuǎn)大于15min了(因?yàn)闈B漏量要達(dá)到1.5+3.3=4.8 L時(shí)，壓降才會(huì)達(dá)到0.3 kgf/cm2，而滲漏4.8 L水的時(shí)間一定比滲漏1.5 L水的時(shí)間長很多)。這樣就引出一個(gè)重要的問題:若對(duì)一條存有1%空氣的1 km長DN 400球磨鑄鐵管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)，穩(wěn)定15min后壓降0.3 kgf/cm2，其水壓試驗(yàn)結(jié)果在表面上似乎符合《規(guī)范》中不大于0.3 kgf/cm2的規(guī)定，這時(shí)①階段試壓是否合格，本人大膽認(rèn)為其不合格。因?yàn)槠錆B水量約為 4.8 L，換句話說若這條管道中無氣，穩(wěn)定15min其壓降勢(shì)必遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.3 kgf/cm2以上(大約在1.0 kgf/cm2)，嚴(yán)重超出《規(guī)范》規(guī)定。雖然上面的計(jì)算沒有考慮水受壓的變形(β值)，有一定的誤差，如果將β值考慮進(jìn)去，還會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果加以修正，但是分析的趨勢(shì)和方法是正確的。

由以上分析可以看出，在實(shí)際工程中，若不分有氣還是無氣，均套搬《規(guī)范》中的15min壓降0.3 kgf/cm2的數(shù)值，會(huì)把不合格工程當(dāng)作合格工程驗(yàn)收。另外，實(shí)際工程中的管道不可能一點(diǎn)存氣量也沒有，《規(guī)范》中也沒有對(duì)存在少量空氣如何判定其合格做具體描述，本人呼吁廣大供水施工及管理工作者能在這方面做更深入探討，并能在行業(yè)內(nèi)達(dá)成共識(shí)，切實(shí)解決管道施工中的水壓試驗(yàn)問題。

[1] 陳中政.坦桑尼亞供水四期項(xiàng)目長輸管線階段試壓方法[J].山西建筑，2010，36(2):191-192.