PCCP管道靜水壓試驗方法及試驗參數(shù)驗算探討

□閔超□丁華麗（河南省水利第二工程局）

PCCP管道靜水壓試驗方法及試驗參數(shù)驗算探討

□閔超□丁華麗（河南省水利第二工程局）

南陽配套一標(biāo)輸水管線工程PCCP管線全程18.95km，管道內(nèi)徑2.20m，管道采用雙膠圈密封，抗?jié)B性能好，水頭損失小，管道安裝完成后，需進(jìn)行靜水壓試驗。試驗的目的在于對PCCP壓力輸水管道工程中的管道、管件、閥件及鎮(zhèn)墩等附屬建筑物設(shè)計、施工、安裝階段的質(zhì)量進(jìn)行綜合檢驗。通過管道靜水壓試驗，驗證管道及各附屬建筑物在正常運行工況下的管道強(qiáng)度及水封嚴(yán)密性。

PCCP管道；靜水壓試驗；試驗?zāi)康?；試驗流?/p>

1 概述

南陽配套一標(biāo)位于鄧州縣境，標(biāo)段全長18.95km，管材均為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，管道內(nèi)徑為2.20m。管道靜水壓試驗主要根據(jù)線路長度、設(shè)施配備情況，以及管線縱坡大小等綜合考慮，可全線充水也可分段充水，根據(jù)實際情況，南陽配套一標(biāo)充水試驗分四段進(jìn)行。

2 編制管道靜水壓試驗方案的目的

水壓試驗的目的在于對PCCP壓力輸水管道工程中的管道、管件、閥件及鎮(zhèn)墩等附屬建筑物設(shè)計、施工、安裝階段的質(zhì)量進(jìn)行綜合檢驗。通過管道水壓試驗，驗證管道及各附屬建筑物在正常運行工況下的管道強(qiáng)度及水封嚴(yán)密性。

3 成立靜水壓試驗組織機(jī)構(gòu)

為保證整個靜水壓試驗分工明確，職責(zé)清晰，保證整個試驗過程流程暢通，靜水壓試驗前成立靜水壓試驗領(lǐng)導(dǎo)小組，全面負(fù)責(zé)水壓試驗的組織實施工作，水壓試驗領(lǐng)導(dǎo)小組下設(shè)6個小組，分別為打壓組、看護(hù)組、巡查組、檢修組、數(shù)據(jù)采集分析組、后勤保障組。

4 試驗前準(zhǔn)備

4.1 試驗前提

管道接口全部完成兩次打壓試驗并驗收合格；管內(nèi)接口填充材料已驗收完成；管道內(nèi)確保清掃干凈。各種閥件均安裝完畢并通過初步驗收，所有閥門（排空閥除外）均處于全開狀態(tài)。鎮(zhèn)墩、包封混凝土及構(gòu)筑物達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的100%，管頂以上回填高度≥1.50m。

4.2 試驗段劃分

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268－ 2008）9.1.9項，管道的試驗長度除規(guī)范規(guī)定和設(shè)計另有要求外，壓力管道水壓試驗的管段長度≤1km，因南水北調(diào)配套工程PCCP管道受距離長、管徑大，水源、工期、靠背工程等條件限制，在實際工程施工中，不適宜采用＜1km分段水壓試驗，結(jié)合本標(biāo)段實際情況，決定采用在全線管道逐個接頭水壓試驗的基礎(chǔ)上，采取長距離（＞1km）的分段方法，全線分四段進(jìn)行水壓試驗。

4.3 試壓水源

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，管道沿線無滿足靜水壓試驗用水量河道及河塘，為不延誤工期，采用沿線灌溉水井用水。進(jìn)水口視水源情況設(shè)在最近的空氣閥進(jìn)人孔上，注水和打壓過程產(chǎn)生的氣體最高處的空氣閥進(jìn)人孔和連接鋼管頂部排氣管排除?，F(xiàn)場準(zhǔn)備數(shù)臺7.50kW水泵用于抽水。

5 試驗設(shè)備

靜水壓試驗由主要注水設(shè)備、儀器儀表、連接設(shè)備組成。

5.1 注水設(shè)備

注水設(shè)備采用低揚程注水泵，型號ISG80-160，DN100mm單級離心泵，電機(jī)額定功率7.50kW，揚程13.90m,流量50m3/h，用以從灌溉水井中抽水。

壓力泵采用柱塞泵，型號為3DK-S柱塞泵，排出壓力為70MPa時，其額定排量為54L/min。其注水管安裝高壓小量程的流量計，用電導(dǎo)線與流量數(shù)字顯示表相連，用以計量管道加壓時試壓水的增加量或從管道中抽出的水量。注水管采用DN100mm×10mm鋼管，焊接連接。流量計采用型號FME系列，分體式，帶遠(yuǎn)傳數(shù)字輸出，準(zhǔn)確地計量流量，顯示L/s和累計量，準(zhǔn)確度在0.10%以上。

5.2 儀器儀表

壓力表精度≥1.50級，最大量程為試驗壓力的1.50倍，表殼的公稱直徑≥150mm。

5.3 連接設(shè)備

連接設(shè)備由DN2200承插式試壓鋼管、盲板、支撐短管組成，布置見圖1。

圖1 靜水壓試驗設(shè)備連接圖

5.4 后背墻

后背墻采用C25混凝土墻，混凝土墻和連接鋼管之間采用20mm厚鋼板緩沖。

6 試壓鋼管的選擇

試壓鋼管采用DN2200帶承插式的鋼管。

6.1 力的計算（考慮水的自重）

6.1.1 管道充壓后的軸向力，

式中：P為管道試驗壓力，按設(shè)計要求為0.60MPa，即600kN/m2；S為管道斷面積(πR2)，R=2.20/2=1.10m。

6.1.2 埋地鋼管上覆土層的單位長度頂、側(cè)壓力

式中：K1為土垂直壓力系數(shù)，為0.80；ρ為土容重，取17.80kN/m3；H為管頂上覆土厚度，取3m（本工程挖深多為5.50m，管道直徑為2.20m，覆土厚度平均取3m）；D為管道直徑，為2.20m。

側(cè)壓F2=ρ×(H+D/2)×D×tg2(45°-θ/2)

式中：θ為土內(nèi)摩擦角，取20°。

式中：W1為鋼管自重，取1.30kN/m；W2為管內(nèi)滿水重量Rπr2，Rπr2=10×3.14×1.10×1.10=37.99kN；R為水的比重，為10kN/m3。

6.2 摩擦f抵抗軸向力F的最小鋼管段長度L

式中：K2為安全系數(shù)，取1.60；L≥1.60×2279.64/58.14 =62.74。

工程PCCP管段試壓時試壓鋼管按70m選取可以滿足要求。

試壓管道的試壓鋼管采用帶承插口的DN2200鋼管，試壓鋼管一端跟試壓管道連接，一端由焊接盲板，為了與后背墻之間形成可靠的支撐，我們采用一根DN1800的鋼管連接后背墻鋼板與盲板之間，支撐鋼管與盲板焊接。作為進(jìn)/出水口的D100mm的鋼管焊接在試壓管道最高端，DN40mm排氣鋼管焊接在試壓管道最低端，進(jìn)/出水口鋼管和排氣鋼管上分別安裝球閥、流量計及壓力表。

7 試壓盲板的選擇

試壓盲板采用δ40mm的鋼板，鋼板上采用75mm×5mm工字鋼焊接成井字型加勁板，作為試壓盲板。

8 后背墻的選擇

管道在進(jìn)行水壓試驗時，在水的壓力作用下管道將產(chǎn)生巨大的推力，該推力全部作用在試壓段的后背上，如后背不堅固，管道將產(chǎn)生很大的縱向位移，損壞壓蘭和固定螺栓，管道甚至產(chǎn)生環(huán)向開裂，極易引起安全事故。后背設(shè)在原狀土上，土質(zhì)松軟時應(yīng)采取加固措施；后背墻面應(yīng)平整并于管道軸線垂直。根據(jù)本標(biāo)段設(shè)計圖紙，每千米管線間最大的高差≤2m，此處為了安全，我們?nèi)?m的高差對加壓狀態(tài)下水對盲板的壓力F進(jìn)行驗算。

F=G水+f試驗=πr2(hg/1000+0.60M)=3.14×1.10×1.10× (0.62MPa)=2.36×1000kN

后坐墻的整體強(qiáng)度需保證在試壓過程中水的壓力作用下不被破壞且不產(chǎn)生滑移。后坐墻尺寸設(shè)計為直立式混凝土墻，混凝土強(qiáng)度為C25現(xiàn)澆混凝土，墻體高6m，埋地深度1.50m，背后填土3m，混凝土墻厚2m，寬度為6m，基礎(chǔ)坐落在原狀土上，地面部分和地下部分同時澆筑。施工時，先在由此計算此混凝土墻需要的混凝土方量為：V=2×6×6=72m3。

8.1 對墻體進(jìn)行穩(wěn)定性驗算

驗算圓管與墻體接觸處墻體的抗剪強(qiáng)度

圓管與墻體接觸處墻體的受剪面積S=3.14×（1.8÷2）2= 2.54m2;

剪應(yīng)力R=2279.64kN÷2.54m2=896.44kPa=0.90MPa，小于墻體抗剪強(qiáng)度（C25混凝土為4.20MPa），故結(jié)構(gòu)安全。

8.2 驗算墻體與地面線接觸處墻體截面抗剪強(qiáng)度

S=6×2=12m2(地面埋深按2m考慮)。

剪應(yīng)力R=2279.64kN/12m2=189.97kPa=0.19MPa，＜墻體抗剪強(qiáng)度(4.20MP)，故結(jié)構(gòu)安全。

8.3 抗傾覆性（滑位）

后背墻能否穩(wěn)定，在試壓過程中能否不滑動，關(guān)鍵在于后背墻體后回填土料是否密實，本工程計劃在后背墻澆注完成后，墻背后回填砂礫，壓實度95%，濕密度≥20kN/m3。

在試壓壓力的作用下，墻后填土受被動土壓力作用，根據(jù)郎金被動土壓力計算公式

故被動土壓力Pp=1080×6=6480kN。

土壓力與墻體自重相對于墻趾的力矩：N1=6480×1+72 ×2.3（kg/m3）×1=6646kN.m。

管道試壓產(chǎn)生的壓力對墻趾的力矩：N2=2279.64kN× 2.60=5927kN.m

N1＞N2,故試壓過程中墻體不會發(fā)生傾覆（滑位）。

9 通水試壓試驗流程

通水試壓流程見圖2。

圖2 通水試壓試驗流程圖

10 PCCP管道試壓充水

10.1 管道沖水

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268－2008）9.1.6條，單口水壓試驗合格的大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，設(shè)計無要求時，可免去預(yù)試驗階段，而直接進(jìn)入主試驗階段。試壓現(xiàn)場通過DN100的供水管道或者空氣閥進(jìn)人孔（兩者取試驗段最高點），向管內(nèi)緩慢充水，注水流速在0.30m/s之內(nèi)，以減少余留空氣量，及以免使管道發(fā)生水錘等現(xiàn)象，對管道造成損壞。充水時，管內(nèi)空氣通過的空氣閥進(jìn)人孔或者試壓短管上的排氣孔外排（兩者取試驗段最高點），將排氣閥打開，認(rèn)真進(jìn)行排氣，排出的水流中不帶汽泡，水流連續(xù)，速度均勻時，表明氣已排凈；管道注滿水后，在無壓情況下充分浸泡；對所有封堵、試壓設(shè)備和管路進(jìn)行檢查修正，并確定監(jiān)測方法。

充滿水后，通過試壓管道上的DN100進(jìn)/出水管道用多級泵向管內(nèi)注水，逐步緩慢分級升壓（每級0.20MPa），每升一級后穩(wěn)壓≥10min、（為保持壓力，允許向管內(nèi)補水），檢查試驗管有無滲漏處，情況正常時方可繼續(xù)升壓；試壓管段注滿水且水壓達(dá)到0.60MPa壓力時，保持壓力不變，充分浸泡72h或以上。

在浸泡≥72h后繼續(xù)升壓至試驗壓力，停止注水補壓，穩(wěn)定15min，當(dāng)15min后壓力下降≤0.03MPa時，將試驗壓力降至浸泡壓力并保持恒壓30min，管身及接口無破損及漏水現(xiàn)象，即為合格。在試驗壓力穩(wěn)定15min內(nèi)，若壓力降＞0.03MPa，視為不合格。

10.2 管道排水

10.2.1 排水疏導(dǎo)措施

打壓成功后，從節(jié)約用水資源角度考慮，如果下一個打壓段能及時跟上，且排水管道內(nèi)的水質(zhì)滿足供水管道打壓用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可以從管道內(nèi)用潛水泵將水抽至另一個試驗段。方法為隔著盲板在鋼管上開孔，管節(jié)內(nèi)的水排到下一試驗段管道內(nèi)，取出盲板，修補開孔。

10.2.2 余水排除措施

待試壓合格后，試壓余水由水泵直接抽出，順原農(nóng)田自然水系排出。

11 管道沖水注意事項

管道升壓時，管道的氣體應(yīng)排除；升壓過程中，發(fā)現(xiàn)壓力表擺動、不穩(wěn)，且升壓較慢時，應(yīng)重新排氣后再升壓。分級升壓，每升一級應(yīng)檢查后背、支墩、管身及接口，無異?，F(xiàn)象時再繼續(xù)升壓。水壓試驗過程中，后背頂撐、管道兩端嚴(yán)禁站人。水壓試驗時，嚴(yán)禁修補缺陷；遇有缺陷時，應(yīng)做出標(biāo)記、卸壓后修補。

12 結(jié)語

南陽配套一標(biāo)是本局承接的第一個長距離PCCP管道項目，管道安裝已完成，應(yīng)業(yè)主要求完工后需進(jìn)行管道靜水壓試驗，文章結(jié)合本標(biāo)段實際情況，對靜水壓試驗方法、試壓管道布置、后背墻處理等進(jìn)行了探討，另外，若試壓段較多，后背墻混凝土可采用預(yù)制混凝土塊以降低成本。

（責(zé)任編輯：劉青）

C93

A

1673-8853（2016）09-0090-03

2016-07-07