淺談北疆某管道工程管道壁厚設(shè)計(jì)的控制要點(diǎn)

翟 欽

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

1 引言

北疆供水管道工程全長(zhǎng)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(shì)高差較大。高水頭長(zhǎng)距離輸水管道中鋼管壁厚的選擇是水利工程常見(jiàn)的工程難題。在管道運(yùn)行管理過(guò)程中多種特殊情況產(chǎn)生的水錘及管道負(fù)壓會(huì)對(duì)輸水管道的安全運(yùn)行帶來(lái)巨大隱患,本文結(jié)合北疆供水管道工程的實(shí)例,建立水錘分析模型,對(duì)泵站事故停泵,管線(xiàn)內(nèi)部水錘壓力情況進(jìn)行模擬,確定推薦水錘防護(hù)措施下管線(xiàn)水錘壓力,通過(guò)鍋爐公式確定管道壁厚。闡述長(zhǎng)距離輸水管道壁厚設(shè)計(jì)的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

2 工程概況

北疆某管道工程工程設(shè)計(jì)內(nèi)容包括新建5.89 km管線(xiàn)及其構(gòu)筑物,調(diào)節(jié)池及配套管線(xiàn)兩部分,管線(xiàn)遠(yuǎn)期輸水量達(dá)到20×104m3/d。管道按每天16 h運(yùn)行,輸水流量為3.47 m3/s。調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)容積為4.5萬(wàn)m3。輸水管道由于流速發(fā)生劇烈變化而引起動(dòng)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(shí)間控制不當(dāng),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(xiàn)從新建泵房處取水,末端接入新建調(diào)節(jié)池,管線(xiàn)全長(zhǎng)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(xiàn)水錘計(jì)算

3.1 水錘計(jì)算方法

（1）水錘計(jì)算特征線(xiàn)法

本工程水錘的計(jì)算是對(duì)整個(gè)工程抽水系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析,包括管道內(nèi)點(diǎn)、泵裝置中的各部分（邊界點(diǎn)）。在水錘計(jì)算中,管道系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)的計(jì)算是求解水錘基本方程,即由運(yùn)動(dòng)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(jìn)行有限差分近似,可以得到對(duì)應(yīng)于圖1所示的水錘離散特征線(xiàn)方程：

圖1 水錘計(jì)算特征線(xiàn)

解上述方程可得：

或

（2）壓力變化計(jì)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(jì)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(wú)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(guò)計(jì)算水錘傳播速度C=1098 m/s。

根據(jù)對(duì)上部管線(xiàn)不同工況下,進(jìn)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(yùn)行的情況、水力坡度線(xiàn)以及管道內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)。本工程在有彌合性水錘預(yù)防閥的情況下,管道內(nèi)壓力變化不大,無(wú)氣化現(xiàn)象。

3.2 無(wú)防護(hù)措施事故停泵

圖2是在設(shè)計(jì)工況時(shí),無(wú)水錘防護(hù)措施,4臺(tái)機(jī)組事故停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的管路系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線(xiàn),最大壓力196 m,出現(xiàn)在泵站出口處。最小壓力-8 m,管線(xiàn)出現(xiàn)多處汽化。

圖2 壓力包絡(luò)線(xiàn)

3.3 事故停泵-彌合性水錘預(yù)防閥-關(guān)閥

圖3是在設(shè)計(jì)工況時(shí),原定彌合性水錘預(yù)防閥防護(hù),4臺(tái)機(jī)組事故停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的管路系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線(xiàn),最大壓力196 m,出現(xiàn)在泵站出口處。最小壓力-8 m,管線(xiàn)出現(xiàn)多處汽化,計(jì)算結(jié)果表明此方案需要調(diào)整[2]。

圖3 壓力包絡(luò)線(xiàn)

彌合性水錘預(yù)防閥樁號(hào)：

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

3.4 事故停泵-彌合性水錘預(yù)防閥-不關(guān)閥

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

在防護(hù)措施下,機(jī)組在不關(guān)閥的事故停泵過(guò)渡過(guò)程中,如圖4 為管路系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線(xiàn),壓力最高點(diǎn)在水泵出口處,最大壓力為192.528 m,見(jiàn)圖5；壓力最低點(diǎn)在樁號(hào)3+624 處,最小壓力為-4.70 m,見(jiàn)圖6。整個(gè)管道無(wú)汽化現(xiàn)象。

圖4 壓力包絡(luò)線(xiàn)

圖5 壓力最高點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖6 壓力最低點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

如圖7 泵轉(zhuǎn)速和出口流量隨時(shí)間變化圖,事故停泵后14.8 s后開(kāi)始倒轉(zhuǎn),泵的最大倒轉(zhuǎn)速度為22.4 r/s,未超過(guò)水泵額定轉(zhuǎn)速,事故停泵后9.4 s后開(kāi)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(shí)間變化曲線(xiàn)

3.5 事故停泵-彌合性水錘預(yù)防閥

事故停泵水錘的防護(hù)措施除采用3.4 工況中安裝的11 個(gè)注氣微排閥,還對(duì)管線(xiàn)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(jìn)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(mén)的90%開(kāi)度,在接下來(lái)的47 s后緩慢全關(guān)；主管調(diào)流閥維持穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)度；對(duì)支管的半球閥要求在停泵后180 s內(nèi)將閥門(mén)由全開(kāi)關(guān)至全關(guān)。

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

圖8 壓力包絡(luò)線(xiàn)

圖9 壓力最高點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖10 壓力最低點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

如圖11 泵轉(zhuǎn)速和出口流量隨時(shí)間變化圖,由圖可得泵的最大倒轉(zhuǎn)速度16.4 r/s,未超過(guò)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(jìn)口壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn),可得調(diào)流閥在300 s后,壓力相對(duì)平穩(wěn)。

圖11 泵轉(zhuǎn)速和出口流量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖12 主管調(diào)流閥進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

4 供水管線(xiàn)壁厚計(jì)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?jí)毫?N/mm2；r為鋼管（鋼襯）內(nèi)半徑,mm；to為鋼管（鋼襯）管壁計(jì)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(yīng)力；管壁厚度應(yīng)比計(jì)算值至少增加2 mm,對(duì)泥沙磨損、腐蝕較嚴(yán)重的鋼管,應(yīng)專(zhuān)門(mén)論證。

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

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

管壁厚度的計(jì)算,見(jiàn)表1。

表1 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

5 總結(jié)

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

（1）本工程防護(hù)措施采用彌合性水錘預(yù)防閥,具體樁號(hào)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(jì)11 處,每處兩臺(tái),采用牛角布置,閥門(mén)進(jìn)氣口徑為250 mm,排氣口徑8 mm；按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,考慮到充水過(guò)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(gè)進(jìn)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(yán)寒地區(qū)長(zhǎng)距離高水頭管道壁厚選擇問(wèn)題,以管道不同水錘防范措施下水錘計(jì)算為基礎(chǔ),進(jìn)行了詳細(xì)闡述,在眾多水錘防范措施中選擇出適合本工程的水錘預(yù)防措施,同時(shí)給出了高水頭長(zhǎng)距離管道壁厚選擇的一整套流程和方法,具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)意義。