長(zhǎng)距離輸水管道水壓試驗(yàn)方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)探析

馬志華

(河南省水利第一工程局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

目前，我國(guó)長(zhǎng)距離輸水管道工程水壓試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參照的規(guī)范是《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268—2008)[1]。但其中個(gè)別條款不適合長(zhǎng)距離輸水管道工程水壓試驗(yàn)，例如9.1.1條第1項(xiàng)規(guī)定：“壓力管道應(yīng)按本規(guī)范第9.2節(jié)的規(guī)定進(jìn)行壓力管道水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)分為預(yù)試驗(yàn)和主試驗(yàn)階段；試驗(yàn)合格的判定依據(jù)分為允許壓力降值和允許滲水量值，按設(shè)計(jì)要求確定；設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，選用其中一項(xiàng)值或同時(shí)采用兩項(xiàng)值作為試驗(yàn)合格的最終判定依據(jù)”；9.1.9條規(guī)定：“管道的試驗(yàn)長(zhǎng)度除本規(guī)范規(guī)定和設(shè)計(jì)另有要求外，壓力管道水壓試驗(yàn)的管段長(zhǎng)度不宜大于1.0km”；9.2.5條第2項(xiàng)規(guī)定：“水泵、壓力計(jì)應(yīng)安裝在試驗(yàn)段的兩端部與管道軸線相垂直的支管上”；9.2.7條規(guī)定管道安裝檢查合格后即可進(jìn)行回填土施工，管道頂部回填土留出接口位置；9.2.8條第2項(xiàng)規(guī)定：“試驗(yàn)管段不得用閘閥做堵板，不得含有消火栓、水錘消除器、安全閥等附件”。

針對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道工程戰(zhàn)線長(zhǎng)、口徑大、工況復(fù)雜的特點(diǎn)，筆者結(jié)合南水北調(diào)登封供水工程水壓試驗(yàn)實(shí)例，通過(guò)對(duì)水壓試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討和分析，試圖提出修改現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)條款的一些建議。

1 工程概況

南水北調(diào)登封市供水配套一期工程位于河南省境內(nèi), 南水北調(diào)中線16號(hào)口門位于河南省禹州市火龍鎮(zhèn)任坡村。從南水北調(diào)中線總干渠16號(hào)口門引水至河南省登封市告成鎮(zhèn)白沙飲水一級(jí)泵站前池，管線全長(zhǎng)33.5km，管線最大高差137m。

泵站至3+000、河道穿越、道路穿越及聯(lián)通閥管線為雙排涂塑復(fù)合鋼管，管道材質(zhì)為Q345C，管徑1000mm，管壁厚14mm；其余均為雙排球墨鑄鐵管，1000mm，檢修閥選用PN25雙向密封蝶閥。全線管道設(shè)計(jì)工作壓力為1.5MPa，試驗(yàn)壓力為2.0MPa。

2 水壓試驗(yàn)總體方案

2.1 準(zhǔn)備工作

根據(jù)閥井設(shè)計(jì)位置和現(xiàn)場(chǎng)交通實(shí)際情況，管線共劃分六個(gè)試驗(yàn)段，試驗(yàn)段長(zhǎng)度平均5km；選用兩個(gè)相同型號(hào)的壓力計(jì)，分別安裝在試驗(yàn)段兩端附近的排氣閥下方的定制短管上；管道安裝后及時(shí)按照設(shè)計(jì)進(jìn)行土方回填至原始地面，檢查管道附件及管道附屬設(shè)施，最后進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)。

在試驗(yàn)段一端的檢修空氣閥井內(nèi)，將空氣閥卸掉，臨時(shí)替換上定制的試壓盲板，經(jīng)過(guò)球閥后用壓力軟管引到井外，與加壓泵連接。

2.2 充水及排水

為能夠重復(fù)利用充水試壓段內(nèi)的試壓用水，按管線地勢(shì)，從高到低依次充水試壓，每段試壓完成后，開(kāi)啟兩端檢修閥，讓水自流到下一個(gè)試驗(yàn)段，直至試壓結(jié)束；試壓結(jié)束(或中間維修)需要全部排空管內(nèi)存水時(shí)，從試驗(yàn)段放空閥排出。

2.3 試壓

為減小檢修閥的單向受力，將試驗(yàn)段及其上下游相鄰試驗(yàn)段充滿水并加壓至1MPa(試驗(yàn)壓力的50%)，測(cè)算管腔內(nèi)存空氣量并采取排氣措施；然后將試驗(yàn)段兩端的檢修閥關(guān)閉，并作為試驗(yàn)段的兩端靠背繼續(xù)升壓工作。

當(dāng)壓力升至1.5MPa(工作壓力)時(shí)，開(kāi)始分級(jí)升壓；壓力升至2.0MPa(試驗(yàn)壓力)，必要時(shí)進(jìn)行壓力值修正；穩(wěn)壓15min后，當(dāng)壓力降值小于0.03MPa(GB 50268—2008規(guī)定的球墨鑄鐵管壓力降允許值)時(shí)，即判定試壓合格。

3 水壓試驗(yàn)方法探討

3.1 水壓試驗(yàn)段長(zhǎng)度劃分

長(zhǎng)距離輸水管道工程一般是指管線長(zhǎng)度超過(guò)10km的供水、引水工程。GB 50268—2008規(guī)定，為便于試驗(yàn)操作，壓力管道水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)段長(zhǎng)度不宜大于1.0km。

但是，長(zhǎng)距離輸水管道的工程特點(diǎn)是口徑大，沿途地形復(fù)雜，試壓段長(zhǎng)度過(guò)短，不僅所需封堵費(fèi)用高，而且管道合攏接頭多，施工安裝難度大；反之，如果水壓試驗(yàn)的管段過(guò)長(zhǎng)，則管道試驗(yàn)壓力受管腔內(nèi)存氣量的影響較大，并且不便于操作，而且一旦出現(xiàn)異常情況，應(yīng)急處理成本反而增大[2]。

根據(jù)檢修閥的設(shè)計(jì)參數(shù)，符合條件的檢修閥可做試壓堵板[3]，試壓段的最小長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)檢修閥井之間的距離確定。檢修閥井布置考慮了輸水系統(tǒng)的排水分水功能、管道分段檢修及排水時(shí)間等因素，宜每3～10km設(shè)置為一個(gè)試壓段[4]。

3.2 壓力表安裝位置對(duì)試驗(yàn)壓力的影響

長(zhǎng)距離輸水管道水壓試驗(yàn)一般利用檢修閥門作為靠背，試驗(yàn)段的兩端是雙向密封蝶閥。如果在閥門附近的主管道上開(kāi)孔安裝水泵或壓力計(jì)，勢(shì)必影響管道系統(tǒng)的強(qiáng)度和耐久性。所以，應(yīng)采用定制的連接件，將壓力表安裝在容易拆卸的閥件上。

由于水具有很小的壓縮性，即可認(rèn)為管腔內(nèi)液體是一種毫無(wú)空隙的連續(xù)體，在管道內(nèi)沒(méi)有空氣的情況下，管路系統(tǒng)的壓力波傳遞速度略小于聲速[5]。假設(shè)試驗(yàn)段的長(zhǎng)度為10km，從管道一端加壓，在有少量空氣的情況下，壓力波傳遞到另一端所需的時(shí)間不足60s。所以，當(dāng)試壓段長(zhǎng)度小于10km時(shí)，由于壓力傳遞時(shí)差造成的壓降(GB 50268—2008規(guī)定穩(wěn)壓測(cè)定時(shí)間15min)偏差可以忽略。

但是，管腔內(nèi)不可避免地存有少量空氣，使流體的體積彈性模量降低，從而降低壓力波傳遞速度；長(zhǎng)距離輸水管道本身是彈性體，管道升壓時(shí)，管壁會(huì)發(fā)生膨脹，壓力波傳遞速度降低。所以，當(dāng)管道試壓段過(guò)長(zhǎng)時(shí)，在同一時(shí)刻，安裝在不同位置的壓力表讀數(shù)存在一定的誤差。

3.3 管道頂部土方回填對(duì)管道的影響

隨著球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等承插口類型的管道接口質(zhì)量不斷提高，單口打壓[6]合格率接近100%，管線漏水大多是由于管道安裝后土方回填機(jī)械擾動(dòng)破壞造成的，包括挖掘機(jī)械對(duì)管身的碰撞破口或碾壓機(jī)械過(guò)重造成的管口橢圓滲漏；對(duì)于長(zhǎng)距離鋼質(zhì)管道來(lái)說(shuō)，大量的管道接口外露，水溫隨著外部環(huán)境溫度的變化而變化。

管道土方回填前進(jìn)行水壓試驗(yàn)，不但水溫變化會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，而且試驗(yàn)結(jié)果不能代表管道工作狀態(tài)下(回填土達(dá)到設(shè)計(jì)覆土深度)系統(tǒng)的質(zhì)量情況。所以試壓試驗(yàn)宜在土方回填完成后進(jìn)行整體試驗(yàn)。

4 水壓試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)分析

4.1 滲水量與降壓的關(guān)系

進(jìn)行管道水壓試驗(yàn)時(shí)，管腔內(nèi)充滿水以后，仍要繼續(xù)向管腔內(nèi)注水，才能在管腔內(nèi)產(chǎn)生水壓直至達(dá)到試驗(yàn)壓力，所以就需要向管道內(nèi)增補(bǔ)水量；反之，試驗(yàn)段泄壓時(shí)，就需要排出或滲漏出這些水量。以登封供水工程為例，管材為K12球墨鑄鐵管，管道內(nèi)徑1m，公稱壁厚0.018m，試驗(yàn)段長(zhǎng)度為10km，由于壓降所泄出的水量按式(1)[7]計(jì)算：

ΔV=VΔP(1/Ew+Di/enEp)

(1)

式中：ΔV為升壓所增加的水量,L；V為試壓管段總?cè)莘e,L；ΔP為升壓量,MPa；Ew為水的體積模量,MPa；Di為管材內(nèi)徑, m；en為管材公稱壁厚, m；Ep為管材彈性模量,MPa。

由計(jì)算得出：在管道試壓時(shí)就可以推算出15min時(shí)降壓值為0.03MPa，滲水量為1.3L/(min·km)，GB 50268—2008表9.2.11允許滲水量為3.0 L/(min·km)。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出，在不考慮內(nèi)存空氣和水溫變化的影響時(shí)，管道水壓試驗(yàn)的允許壓力降標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)允許滲水量值標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格；管道水壓試驗(yàn)的壓力降和滲漏量成線性關(guān)系，試壓分段長(zhǎng)度對(duì)管道水壓試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有影響。

4.2 管道內(nèi)存空氣對(duì)壓力降的影響

長(zhǎng)距離輸水管道試壓段長(zhǎng)度宜劃分為1～10km，中間設(shè)計(jì)排氣閥。但在設(shè)計(jì)管線坡度比較平緩的管道工程中，由于施工誤差極容易形成反坡，導(dǎo)致充水時(shí)管頂最高點(diǎn)存氣且不能有效排除，壓力試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)壓力降數(shù)值進(jìn)行修正。見(jiàn)式(2)：

ΔW=Q[1/(P1+1)-1/(P2+1)]

(2)

式中：ΔW為由于管道內(nèi)殘余空氣，需要向管道內(nèi)多增補(bǔ)的水量, L；Q為管道內(nèi)殘余空氣體積, L；P1為測(cè)量初始?jí)毫? kgf/cm2；P2為測(cè)量結(jié)束壓力, kgf/cm2。

根據(jù)式(1)可以畫出P-V理論曲線[8]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際滲漏測(cè)量值畫出實(shí)際P-V曲線，經(jīng)過(guò)P-V理論曲線和P-V實(shí)際曲線對(duì)比，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道是否有泄漏或管道中是否存有大量的空氣；根據(jù)式(2)，按照向管腔內(nèi)注入水量的多少可以計(jì)算管腔內(nèi)存有多少空氣。

以5km長(zhǎng)DN1000球墨鑄鐵管為例，在管腔內(nèi)沒(méi)有空氣的情況下，穩(wěn)壓15min后，壓降0.3 kgf/cm2，根據(jù)式(1)計(jì)算可知滲水量為1.3L/(min·km)，泄漏總量為97.5L；在管腔內(nèi)存有1%空氣的情況下，壓降0.3 kgf/cm2，根據(jù)式(2)可以計(jì)算出因內(nèi)存空氣增加的滲水量為102L，泄漏總量為97.5+102=199.5L。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)管道內(nèi)存有大量空氣時(shí)，由于空氣容易被壓縮，致使升壓時(shí)需要另外注入大量的水，造成升壓過(guò)程比較緩慢，穩(wěn)壓時(shí)達(dá)到相同的壓降值所需要的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)[9]。

4.3 溫度對(duì)水壓試驗(yàn)的影響

試驗(yàn)段管道容積的變化受壓力和溫度影響，特別是鋼制管道管腔內(nèi)存有大量空氣時(shí)，管道外部環(huán)境溫度發(fā)生變化對(duì)管道的容積變化影響較大[10]。

對(duì)于球墨鑄鐵、PCCP等材質(zhì)承插口工藝輸水管道，如果大量管身外漏，在炎熱的夏季或寒冷的冬季，管道內(nèi)水溫和氣體溫度變化較大，必將影響水壓試驗(yàn)結(jié)果。所以，待管道頂部回填土全部完成后進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)，可以減少溫度變化對(duì)壓力值的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)長(zhǎng)距離輸水管道口徑大、線路環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，GB 50268—2008中有關(guān)水壓試驗(yàn)的部分條款不適用長(zhǎng)距離輸水管道水壓試驗(yàn)的實(shí)施及驗(yàn)收，建議及時(shí)制定試驗(yàn)規(guī)程或?qū)B 50268—2008進(jìn)行修訂：

a.建議將管道水壓試驗(yàn)段長(zhǎng)度修改為不宜大于10km。

b.試壓階段管道內(nèi)任意一點(diǎn)壓力的變化將迅速等值傳遞到另外任意點(diǎn)，壓力表的安裝位置對(duì)試驗(yàn)壓力值沒(méi)有任何影響。為避免壓力計(jì)損壞不被發(fā)現(xiàn)或試驗(yàn)段中間閥門忘記開(kāi)啟，應(yīng)采用兩個(gè)壓力計(jì)并分別安裝在試驗(yàn)段兩端附近。

c.靜水壓試驗(yàn)需在管道頂部回填土全部完成后，整體進(jìn)行水壓試驗(yàn)。但缺點(diǎn)是升壓時(shí)一旦漏水，不易查找漏點(diǎn)，所以長(zhǎng)距離輸水管道應(yīng)在開(kāi)工前制定管道測(cè)漏技術(shù)措施。

d.建議將水壓試驗(yàn)合格判定的依據(jù)改為允許壓力降值。

e.內(nèi)存氣體不能有效排出時(shí)，應(yīng)測(cè)定存氣量對(duì)壓力的影響，修正壓力表讀數(shù)或穩(wěn)壓時(shí)間。