長距離柔性接口輸水管道試壓技術(shù)研究

楊 毅

（安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，合肥230601）

1 工程概況

加納共和國凱蓬供水?dāng)U建工程位于特馬市北部45km處的凱蓬沿海平原地區(qū)，是加納最大的供水工程，可解決首都阿克拉市周邊百萬人口的用水問題，施工2標(biāo)工程量主要包括：長2.7km的原水管道 （雙管）和長39km的輸水管道（均為DN1200 K9級球墨鑄鐵管），各類井室113座。其中，39km的輸水管道遠(yuǎn)離水源地，可供輸水管道試壓用水的只有一條季節(jié)性河流，取水點(diǎn)距離輸水管道遙遠(yuǎn)，水壓試驗(yàn)用水十分困難。如果采用常規(guī)分段試壓方法需預(yù)留40個(gè)試驗(yàn)段，用水車運(yùn)水或者打深井取水，費(fèi)用高昂，而且影響施工進(jìn)度。

針對該工程長距離輸水管道特點(diǎn)和試壓難點(diǎn)，研制了專用裝配式試壓裝置，試壓用水量顯著降低，解決了試壓難題，同時(shí)將傳統(tǒng)管道的鋪設(shè)、試壓間斷施工轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)施工，縮短了工期，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

2 裝配式試壓技術(shù)原理及裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝配式試壓技術(shù)原理［1-2］

利用控制試壓段安全壓差及管道的自重、管道與土壤之間的摩擦力來抵消管道軸向壓力，省去了大型靠背的制作與安裝，利用檢修閥門井兩側(cè)的拖拉墩提高安全系數(shù)，替代了以往的雙靠背傳統(tǒng)試壓方法。

在輸水管道的水壓試驗(yàn)劃分段位置使用裝配式管道試壓裝置，將輸水管道各個(gè)打壓段通過連通管連為一體，待輸水管道安裝至合適水源位置時(shí)預(yù)留灌水接口。為減少用水量，可以按照3～5個(gè)試壓段作為一個(gè)試驗(yàn)段。水壓試驗(yàn)時(shí)采取整個(gè)試壓管段一次性灌水、整個(gè)試壓管段同步升壓至最低試驗(yàn)壓力，再按要求的試壓段長度進(jìn)行壓力試驗(yàn)的方法。

試壓過程中各相鄰段互為后背，取消傳統(tǒng)試壓方法中的后背結(jié)構(gòu)。具體的試壓步驟：試壓管段灌水后，通過多級加壓泵將全部試壓管段壓力升至試壓管段中最低工作壓力，之后關(guān)閉按設(shè)計(jì)意圖劃分的各試壓段之間的旁通閥，然后通過移送式一體化水壓試驗(yàn)設(shè)備，逐段加壓至各試壓段的試驗(yàn)壓力，完成各段試壓工作。

傳統(tǒng)的管道試壓是間斷進(jìn)行的，與管道安裝交替施工，即安裝一個(gè)管段、試壓一個(gè)管段，安裝與試壓往復(fù)循環(huán)。該技術(shù)是先安裝管道，再試壓，不需要間斷安裝管道，克服了通常長距離大口徑輸水管道因水壓試驗(yàn)需間斷施工帶來的弊端，將管道間斷施工轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)施工，省去了預(yù)留原土后背、再拆除后背的工序，減少施工干擾，加快了施工進(jìn)度。

2.2 裝配式試壓裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 試壓裝置布置

為便于試壓裝置的安裝，通常在檢修閘門、排氣井等處布置裝配式試壓裝置，如圖1。

圖1 裝配式試壓裝置

2.2.2 試壓裝置長度和附件的確定原則

根據(jù)施工圖及有關(guān)規(guī)范計(jì)算檢修閥門、伸縮節(jié)、排氣三通等管件、附件長度，然后按照管件、附件長度計(jì)算裝配式管道試壓裝置長度。根據(jù)各試壓段工作壓力及試驗(yàn)壓力確定各類型號管材、法蘭、閥門等附件。

2.2.3 試壓裝置的具體設(shè)計(jì)

裝配式試壓裝置使用鋼管制作，其長度以能在其管段上布置連通管、壓力表、支管、隔板及肋板、兩端法蘭等要求計(jì)算，一般以600～1000mm為宜。鋼管管徑與輸水管道一致，鋼管厚度不小于14mm，鋼管兩端焊接法蘭，與輸水管道連接。在鋼管長度的中點(diǎn)位置的管內(nèi)焊接隔板，將鋼管分隔為不相通的兩部分。隔板厚度不小于16mm，加焊2道30B工字鋼肋板，起到對隔板的加強(qiáng)作用，確保試壓時(shí)隔板的安全。在隔板的兩側(cè)焊接DN100旁通管，并調(diào)止回閥，作為兩個(gè)試驗(yàn)段之間的溝通管道。試壓裝置如圖2～圖3。

圖2 試壓裝置

圖3 安裝后試壓裝置

2.2.4 試壓裝置檢測

裝配式管道試壓裝置制作完畢后，對尺寸及焊接情況進(jìn)行檢測，對不符合要求的部位進(jìn)行修正，合格后再進(jìn)行水壓試驗(yàn)。只有經(jīng)水壓試驗(yàn)合格后，方可作為試驗(yàn)裝置使用。

2.3 安全性驗(yàn)算

為了保證裝配式試壓裝置不因?yàn)閮蓚?cè)壓差過大引起輸水管道軸向移動，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼隔板兩側(cè)壓力差。試壓之前必須根據(jù)管道埋深、埋置長度、土料、壓實(shí)度等參數(shù)計(jì)算摩擦力，確定隔板壓力差，確保試驗(yàn)安全。工程實(shí)踐表明，一般情況下，鋼隔板兩側(cè)壓差通?？刂圃?.3MPa 內(nèi)可以確保管道不移位，安全可靠［3］。

管道摩擦力按式（1）計(jì)算。

式中 F為單位長度管道與土壤間摩擦力（N/m）；ρ為土壤密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；μ為摩擦系數(shù)，一般取0.25～0.4；D外為管道外徑，鑄鐵管近似取內(nèi)徑（m）；h為管頂埋深（m）。

以該工程為例驗(yàn)算：ρ取1.7×103kg/m3；μ取0.3；h取2.0m；D外近似取1.2m。

F=πρgμD外（h+D外/2）=3.14×1.7×103×9.8×0.3×1.2×（2.0+1.2/2）≈48964N/m

緊鄰裝配式試壓裝置單根管段長6m，埋入回填土中長約5m，試壓裝置兩端各一根管道，總長10m。

則：總摩擦力F總=48964×10=489640N

裝配式試壓裝置隔板上的壓力P=F總/（πD2/4）≈489640/（3.14×1.22/4）≈433156N/m=0.43MPa＞0.3MPa，管道是安全的。以上計(jì)算沒有考慮拖拉墩顯著增大摩擦力的效果，因此，計(jì)算趨于保守，試壓時(shí)管道的安全更加有保障。

3 試壓工藝流程及試壓技術(shù)

3.1 工藝流程圖

試壓工藝流程如圖5。

圖5 試壓工藝流程

3.2 試壓技術(shù)

3.2.1 輸水管道安裝

輸水管道安裝前與設(shè)計(jì)、監(jiān)理等有關(guān)人員確定試壓段的劃分，確定各試壓段的工作壓力及試驗(yàn)壓力，各試壓段的劃分盡量預(yù)留在檢修閥門井及排氣井位置。輸水管道施工時(shí)嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求，回填分層夯實(shí)，管頂覆土厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，防止管道起拱［4］。

3.2.2 裝配式管道試壓裝置安裝

裝配式管道試壓裝置制作經(jīng)水壓試驗(yàn)合格后與預(yù)留試驗(yàn)段同步安裝，為了保證安裝質(zhì)量及提高效率，采用風(fēng)炮安裝螺栓，安裝時(shí)注意螺栓位置，保證螺栓孔與水壓試驗(yàn)后安裝的閥門等附件的垂直度及平整度。

3.2.3 灌水系統(tǒng)施工

根據(jù)管道試壓灌水量設(shè)計(jì)灌水系統(tǒng)，包括水池、過濾設(shè)施、抽水設(shè)備等。

澆筑水泵混凝土基礎(chǔ)，當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝灌水泵，然后連接管路、各類閥門、壓力表等附件。

3.2.4 管道灌水

輸水管道灌水前應(yīng)檢查下列內(nèi)容：①輸水管道覆土符合要求；②彎頭、支墩處混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求；③排水管路安裝完畢。

在靠近水源部位預(yù)留的旁通閥安裝灌水泵進(jìn)行試壓管道灌水。采用裝配式管道試壓裝置進(jìn)行壓水試驗(yàn)，只需將準(zhǔn)備試壓的3～5段管道充滿水即可，最大用水量僅為試壓段管道內(nèi)容積。試壓管段試壓合格后，即可將管內(nèi)的水排至下一試管段，試壓水可以重復(fù)利用，僅需補(bǔ)充少量試壓水，與傳統(tǒng)試壓方法相比，顯著減少了試壓用水量。

3.2.5 管道試壓

試驗(yàn)段管道內(nèi)灌滿水后，按施工規(guī)范要求充分浸泡。用試壓泵將管內(nèi)水壓緩慢分級（每級0.1MPa）升壓，在整體升壓過程中先打開各試壓段的管道試壓裝置旁通閥，在達(dá)到各段工作壓力時(shí)關(guān)閉管道試壓裝置連通管閘閥。試壓期間全過程巡查支墩、管身及接口有無漏水、損壞現(xiàn)象。若有漏水、損壞等異?，F(xiàn)象時(shí)應(yīng)停止升壓，查明原因，采取修復(fù)或應(yīng)對措施后再恢復(fù)升壓。

在整體升壓過程中要保持旁通閥、管道高點(diǎn)的排氣閥全開啟狀態(tài)，泄水三通堵板全關(guān)閉狀態(tài)。

為了保證管道試壓裝置不因?yàn)閮蓚?cè)壓差過大引起軸向移動，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼隔板兩側(cè)壓力差，兩側(cè)壓力差不應(yīng)大于摩擦力（必須計(jì)算校核），一般情況下隔板兩側(cè)壓差控制在0.3MPa內(nèi)。

3.2.6 排水

在試壓區(qū)間放空管三通口用盲板封堵，堵板預(yù)留閘閥，試驗(yàn)完成后將旁通閥打開，先均壓后降壓。壓力降到零時(shí)打開放空閥進(jìn)行組織排水。

3.2.7 試壓裝置的處理與利用

管道內(nèi)試壓水排完后，拆除管道試壓裝置中的隔斷板、工字鋼肋板、旁通管等附件，對旁通管三通口焊接封堵，防腐處理后再次安裝，達(dá)到管道試壓裝置重復(fù)利用，降低施工成本。

4 試壓工藝的改進(jìn)效果［5］及效益分析

4.1 改進(jìn)效果

（1）解決了管道安裝因?yàn)樵噳憾蝿澐诸A(yù)留后背土、不能連續(xù)開挖管道溝槽的問題，保證了管道安裝施工的連續(xù)性，縮短了工期。

（2）利用控制試壓段安全壓差及管道的自重、管道與土壤之間的摩擦力來抵消壓力，省去了大型靠背的安裝與制作，利用檢修閥門井兩側(cè)的拖拉墩提高安全系數(shù)，替代了以往的雙靠背傳統(tǒng)試壓方法。

（3）克服了水壓試驗(yàn)過程中水源、地質(zhì)、氣象條件等不利影響因素，試壓水循環(huán)利用，試壓用水量較傳統(tǒng)試壓方法明顯減少，在干旱、輸水管道沿線水源不足地區(qū)尤為適用。

4.2 效益分析

4.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用裝配式試壓裝置進(jìn)行水壓試驗(yàn)，將通常影響水壓試驗(yàn)的水源等各種因素降至最低，保障了施工的連續(xù)進(jìn)行，顯著地縮短了工期，降低了施工成本，同時(shí)省去了常規(guī)水壓靠背的制作與安裝成本。

4.2.2 社會效益

采用裝配式試壓裝置很好地解決了大中型口徑柔性接口輸水管道的水壓試驗(yàn)難題，消除了常規(guī)水壓試驗(yàn)靠背工作坑對周圍居民的交通影響及安全隱患，節(jié)約了寶貴的水資源，加快了施工進(jìn)度，為工程的早日投產(chǎn)提供了可靠保障。

5 結(jié)語

采用裝配式試壓裝置，不僅改變了傳統(tǒng)管道試壓方法，而且將傳統(tǒng)的間斷施工方法轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)施工，既方便了施工，簡化了施工流程，又加快了施工進(jìn)度。該技術(shù)將試壓水量降至最低，在少雨缺水地區(qū)更能充分展示其顯著的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)可為類似工程的應(yīng)用提供借鑒。

［1］梁健生，陳紅.河池市第五水廠輸水管道試壓方法的探討［J］.廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2007（4）：45-46.

［2］劉濤，李元培，紀(jì)偉，等.長距離輸水管線管道試壓方法的探討［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2014（6）：166.

［3］趙志剛，門亞琨，楊寶銳.直埋熱水供熱管道摩擦力計(jì)算探討［J］.煤氣與熱力，2011（9）：15-17.

［4］石志學(xué).球墨鑄鐵管在太平洋引供水工程中的應(yīng)用［J］.海河水利，2003（2）：44-45.

［5］曹邦卿，韓建秀，孫昊.南陽市第四水廠輸水管線工程設(shè)計(jì)［J］.河南水利，2003（5）：73-74.