城市給水管網(wǎng)爆管成因分析及預防措施

廖宗蓉

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學院，四川 德陽 618000）

引言

隨著城市不斷發(fā)展壯大，城市給水管道的數(shù)量也在不斷增加，城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)作為城市公用設施的一部分，對于保障城市的經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展有著舉足輕重的地位.但由于施工不良，管路老化、水壓異常等因素的影響,造成大量漏水損失甚至爆管，管網(wǎng)局部水質(zhì)降低，有壓水流大量涌入民居、廠房、倉庫、地下工程等，導致財產(chǎn)經(jīng)濟損失，甚至危害人身安全.給水管道爆管事故帶來的危害是極其嚴重的，因此，研究和分析爆管的形成原因和預防措施，對預防和減少突發(fā)性爆管，改善給水管網(wǎng)系統(tǒng)安全運行，降低成本，節(jié)約能耗藥耗，減少水質(zhì)污染，具有重要的社會、經(jīng)濟和環(huán)保意義.

1 爆管的類型

爆管（Breaks）暗含了給水管道的結(jié)構(gòu)性故障，它會導致管道的碎裂或者完全斷裂，爆管會產(chǎn)生實質(zhì)性的壓力損失，導致破裂點流量的急劇變化.爆管的類型可分為：環(huán)向破裂、縱向破裂、承口破裂和罐壁穿孔[1].

2 爆管的成因分析

導致城市供水管網(wǎng)爆管的原因很多，不同地區(qū)、不同管材的管網(wǎng)爆管會有不同的主要誘導因素，即使同一處爆管，也有可能是幾方面共同作用的結(jié)果.

2.1 腐蝕成因

腐蝕是影響管道系統(tǒng)可靠性及使用壽命的關(guān)鍵因素.管道腐蝕是弱化系統(tǒng)完整性的一個主要因素，并且導致給水管道的其他問題，包括破裂、輸送能力的減弱以及水質(zhì)變差，95%的鋼管漏水是腐蝕穿孔.

對于城市給水管網(wǎng)，由于歷史原因，上世紀五、六十年代使用的給水管材的管道內(nèi)壁沒有加襯，外壁沒有防護，金屬及其合金的腐蝕主要是化學或電化學作用引起的破壞，有時伴隨機械、物理或生物作用.對于非金屬材料來說，破壞一般由于直接的化學或物理作用，如氧化、溶解、溶脹等，常見的有混凝土的腐蝕、石料及玻璃等磨損和磨蝕的現(xiàn)象；對于有機物質(zhì)的材料，主要的破壞性是由細菌、霉菌或昆蟲的生命活動引起的；塑料、油漆、橡膠類材料由于紫外線導致聚合物的老化，熱能導致材料分解的破壞等現(xiàn)象[1][2].腐蝕主要表現(xiàn)在以下幾方面：

2.1.1 外部土壤腐蝕

土壤中含有水分和能進行離子導電的鹽類，使土壤具有電解質(zhì)溶液的特征，因而金屬在土壤中將發(fā)生電化學腐蝕.同時，土壤中由于細菌作用而引起腐蝕，即微生物腐蝕.外部的腐蝕和侵蝕性的土壤，可以弱化金屬和混凝土管道，是導致管道破裂的因素之一.

2.1.2 內(nèi)部腐蝕

內(nèi)部腐蝕既可由于石墨化而弱化管道，也可由于其產(chǎn)生的管道結(jié)節(jié)而減弱管道的水力輸送能力而導致爆管.腐蝕及管道結(jié)節(jié)的程度取決于水的PH值、電導率、溶解氧、腐蝕抑制劑的使用以及水中沉淀趨勢（如碳酸鈣）.管道結(jié)垢是一個相當復雜的過程，管道結(jié)垢從成分上可分為鹽類垢（碳酸鈣、硫酸鈣等）、腐蝕垢及泥沙等沉積垢.溫度越高，碳酸鈣、硫酸鈣的溶解度越低，沉淀析出物越多，越容易形成鹽類垢；溫度的變化，金屬的電化學腐蝕也會發(fā)生變化，細菌繁殖率也會變化，從而影響腐蝕垢的生成速率；管道中溶解氧的含量高，也會產(chǎn)生嚴重的腐蝕垢；PH值越大，碳酸鈣越容易結(jié)晶，污垢越容易生成，PH值越小，腐蝕越大，也會產(chǎn)生腐蝕垢.

2.1.3 雜散電流腐蝕

由于工業(yè)和民用用電排入或漏泄至大地，土壤（水）中的雜散電流可導致管道上的腐蝕穿孔.土壤（水）中的雜散電流，表現(xiàn)為直流電流、交流電流和大地電流3種狀態(tài).其中直流雜散電流的干擾源，主要有用于直流電解的設備、電焊機、直流輸電線等，以直流電氣化鐵路為代表；交流雜散電流主要來源交流電氣鐵路、輸配電線路及其系統(tǒng)，通過阻性、感性、容性耦合，對鄰近的埋地管線或金屬體造成干擾，使管道產(chǎn)生流進、流出的交流雜散電流而導致腐蝕；大地電流主要是由地球電磁場的變化感應.雜散電流產(chǎn)生的孔通常是小圓形的，與土壤腐蝕引起的大面積空洞形成鮮明的對比.

2.1.4 兩種金屬的連接

兩種金屬的接觸會由于電離的存在而導致金屬的腐蝕.在配水系統(tǒng)中，腐蝕主要發(fā)生在水龍頭或者管箍處，特別在潮濕的土壤中容易發(fā)生腐蝕.

2.2 外部荷載成因

過高的外部荷載是水管破裂的最大獨立因素，可以分為3類：①挖掘期間的接觸；②不良安裝或者劣質(zhì)管材；③表面荷載或者基礎(chǔ)狀況的變化.外部荷載引起的破裂通常是環(huán)形斷裂，小型管道更容易發(fā)生圓周破裂.

過高的負荷以及其他部門的管道，會破壞管道的基礎(chǔ)；管道的滲漏，會使地下管道周圍土壤流失，形成土壤中的空洞，改變管道的穩(wěn)定性，造成管道爆裂事故；不能控制的霜凍滲入而引起的負荷，由于凍硬了管道上面的土壤，極大地增加了外部負載，造成管道爆裂事故.

2.3 不良開孔成因

管道開孔會弱化管道，影響其強度，導致其破裂.

2.4 管網(wǎng)運行壓力成因

大多數(shù)與壓力相關(guān)的破裂主要是由管道內(nèi)流速劇烈變化所造成的水錘引起，內(nèi)部壓力引起的破裂通常表現(xiàn)為管道的縱向破裂.如果管網(wǎng)壓力調(diào)度措施不當，使得管網(wǎng)運行壓力超出最不利點壓力，管網(wǎng)爆損幾率隨管道壓力的增加而增加.如果管網(wǎng)壓力不能保持相對穩(wěn)定，必然導致高、低峰水壓波動，引起管網(wǎng)爆損事故發(fā)生，尤其是相對老化的管網(wǎng)發(fā)生爆管事故頻率更高.

另外，管道材質(zhì)低劣，耐壓性差是管道爆裂的內(nèi)在因素.相同條件下管道易裂可能性由大到小排列為：普通鑄鐵管＞石棉水泥管＞球墨鑄鐵管＞鋼筋混凝土管＞鋼管，95%的鋼管由于腐蝕穿孔而漏水，而75%的鑄鐵管漏水發(fā)生在管道連接承插接口附近.

3 爆管的預防措施

3.1 給水管材的合理選擇

在20世紀50年代初，給水工程中大量使用的給水管材為抗拉強度為1.4MPa的灰口鑄鐵管.由于灰口鑄鐵管是連續(xù)澆鑄，管子硬脆，不耐震，不耐沖擊，抗彎、抗拉強度差.給水管道往往適應不了高壓、重載、震動、沖擊和不均勻沉降等環(huán)境條件影響，造成管道破裂，發(fā)生爆管事故.通過改進鑄管工藝，合理選材，推廣使用新型管材，如球墨鑄鐵管、PE管等，淘汰灰口鑄鐵管，并采用柔性接口，從源頭上減少供水管網(wǎng)爆管的可能性.

3.2 加強給水管道的防腐

長期埋設在地下的供水管道由于受到土壤腐蝕和電化學腐蝕的作用，造成管壁變薄、強度降低，從而增加發(fā)生爆管事故的可能性。此外，管道結(jié)垢，造成過水斷面減小，通水能力降低，管道阻力增大，管道超負荷運行而引起爆管。而管齡過長的管道，腐蝕、結(jié)垢交互作用，管壁疲勞，更加劇了爆管的危險.

為防止金屬管道化學和電化學腐蝕，可對管道的內(nèi)部進行加襯處理，外部作涂層處理；對大型金屬管道，可采取陰極保護措施[3]，防止電化學腐蝕；對由于石墨化而弱化管道或管道結(jié)節(jié)而減弱管道的水力輸送能力，可在水中加入多磷酸鹽，使供水管道內(nèi)部形成保護膜，可減少腐蝕；對于管道結(jié)垢，可根據(jù)結(jié)垢的性質(zhì)，采取合適的緩蝕劑和清洗劑除垢，也可采用高壓水噴射除垢、機械除垢和超聲波除垢，保證管道通水能力.

3.3 加強施工質(zhì)量，避免過高外部荷載

因施工質(zhì)量造成管道爆裂的現(xiàn)象也屢見不鮮，管道接口是管道施工過程的重要環(huán)節(jié)之一.目前，管道接口填料存在著過硬、剛性過強的弊病.管道受側(cè)向推力作用，承口受拉，插口受壓，而鑄鐵管抗拉強度差，導致承口破裂.另外，水泥砂漿和膨脹水泥砂漿填料都具有膨脹性，一旦膨脹強度超過承口強度時，將導致承口破裂.并且這兩種填料具有抗壓強度高的特點，能夠傳遞側(cè)向位移，這也會導致爆管[4].可采取以下措施：

(1)管道附件、爬坡處敷設支墩；

(2)在硬基和軟基交接處安裝萬向伸縮器，消除不均勻沉降造成管道位移而引起管道內(nèi)部產(chǎn)生的應力.

(3)對于鑄鐵管道接口，采用剛性、柔性相結(jié)合的接口方式，例如采用膨脹水泥和橡膠圈接口，石棉水泥口與青鉛口間用，以提高耐壓及抗彎強度，同時用CCTV的方法驗收，探查管道內(nèi)部接口等處安裝是否符合規(guī)范；

(4)在弱地基、沉降不均勻地區(qū)和地震區(qū)，鑄鐵管道接口的破壞率較高，應采取柔性接口，可采用滑人式橡膠圈接口、r形橡膠圈接口、柔性機械式接口A型及柔性機械式接口K型等；

(5)管道安裝時嚴格按照規(guī)范進行管道基礎(chǔ)和回填土的處理，埋深要夠，覆土要密實，對管道安裝過程中的主要工序及隱蔽工程進行檢查驗收，加強施工的全程質(zhì)量控制.管道埋深過深或過淺都會容易形成爆管，管道埋設過深時，由于上部荷載加重管道又沒有基礎(chǔ)，致使管道發(fā)生局部沉陷而產(chǎn)生爆管；管道埋深過淺時，抗重壓能力較差，受到管道上面土層，路面的靜荷和交通車輛的動負荷作用下，容易造成斷裂.此外，如果管道埋深過淺，在冬天氣溫較低時，由于冰凍的作用，對于使用年限較長的鑄鐵管更容易造成斷裂.

3.4 防止管網(wǎng)運行壓力超高

(1)在管線工程中應設置水錘消除器、沖水箱、調(diào)壓塔、空氣缸、緩閉式止回閥等，鋼管每隔一段距離設置管道伸縮節(jié)，以防止停泵水錘的產(chǎn)生.

(2)建立給水管網(wǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA.可對給水管網(wǎng)一些節(jié)點的水壓和流量進行實時監(jiān)測，并采用無線傳送方式實時將水壓和流量信號傳回控制中心，監(jiān)測整個給水系統(tǒng)的工作狀況，并設置管網(wǎng)壓力限值報警，從而及時采取措施，降低管網(wǎng)中爆損發(fā)生的可能性[5].

(3)建立在地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件平臺基礎(chǔ)上的給水管網(wǎng)的圖形與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng).可以準確描述管網(wǎng)及其組件的空間和屬性信息；高效、生動地定位管道、閥門、水表等管網(wǎng)組件，為實際生產(chǎn)運行提供可靠的依據(jù)；為施工人員提供管線及其組件的空間位置，避免人為的開挖破壞，在正確開孔和回填之后，還要修補外部涂層和包裹物；發(fā)生事故時快速確定關(guān)閉閥門.

(4)建立管網(wǎng)的水力模型，分析管網(wǎng)運行狀態(tài)，預測各類操作對供水管網(wǎng)運行狀況的影響，對現(xiàn)有管網(wǎng)的運行狀態(tài)做出正確評價,對各水廠的出水流量、出水壓力進行合理調(diào)配，以滿足管網(wǎng)的需要。在供水系統(tǒng)發(fā)生重大事故時，利用管網(wǎng)水力模型對配水管網(wǎng)運行狀態(tài)的模擬，分析事故時管網(wǎng)中存在的供水問題，以便采取合理的調(diào)度策略，盡可能減少事故的影響范圍.

(5)調(diào)整管網(wǎng)壓力.在供水管網(wǎng)建立測壓點，根據(jù)各測壓點的壓力變化合理調(diào)度水廠二級泵房，使整個管網(wǎng)壓力保持相對穩(wěn)定，避免由于高、低峰水壓波動引起管網(wǎng)爆管；通過設置減壓閥分為不同的壓力區(qū)，適當降低壓力過高地區(qū)的壓力；裝置泄壓水池；管網(wǎng)中設置電子控制閥門進行調(diào)節(jié)等等，可適當降低配水系統(tǒng)局部供水水壓.

4 結(jié)語

城市供水管網(wǎng)由于各種原因引起爆管，帶來的危害是極其嚴重的，預防和減少突發(fā)性爆管顯得更為迫切.只有科學制定相應的管網(wǎng)爆損預防措施，利用先進的科技手段和先進的儀器設備檢測管網(wǎng)，科學調(diào)度管網(wǎng)水壓，才能及時發(fā)現(xiàn)和預防爆管，將爆管消滅在萌芽狀態(tài)，確保城市供水動脈暢通，保證給水管網(wǎng)系統(tǒng)安全運行.

[1]李樹平，劉遂慶.城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2]何芳.供水管網(wǎng)爆管分析方法與預防技術(shù)研究[D].上海：同濟大學，2005.

[3]余蓉蓉，蔡志章.地下金屬管道的腐蝕與防護[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[4]張羽.城市供水管網(wǎng)爆損原因、對策分析和預測模型研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2007.

[5]王祎，田一梅，單金林,等.供水管網(wǎng)系統(tǒng)爆管預測[J].天津大學學報，2010（9）.