PCCP管道静水压试验方法及试验参数验算探讨

2016-06-05闵超丁华丽河南省水利第二工程局

河南水利与南水北调 2016年9期

□闵超□丁华丽（河南省水利第二工程局）

□闵超□丁华丽（河南省水利第二工程局）

南阳配套一标输水管线工程PCCP管线全程18.95km，管道内径2.20m，管道采用双胶圈密封，抗渗性能好，水头损失小，管道安装完成后，需进行静水压试验。试验的目的在于对PCCP压力输水管道工程中的管道、管件、阀件及镇墩等附属建筑物设计、施工、安装阶段的质量进行综合检验。通过管道静水压试验，验证管道及各附属建筑物在正常运行工况下的管道强度及水封严密性。

PCCP管道；静水压试验；试验目的；试验流程

1 概述

南阳配套一标位于邓州县境，标段全长18.95km，管材均为预应力钢筒混凝土管，管道内径为2.20m。管道静水压试验主要根据线路长度、设施配备情况，以及管线纵坡大小等综合考虑，可全线充水也可分段充水，根据实际情况，南阳配套一标充水试验分四段进行。

2 编制管道静水压试验方案的目的

水压试验的目的在于对PCCP压力输水管道工程中的管道、管件、阀件及镇墩等附属建筑物设计、施工、安装阶段的质量进行综合检验。通过管道水压试验，验证管道及各附属建筑物在正常运行工况下的管道强度及水封严密性。

3 成立静水压试验组织机构

为保证整个静水压试验分工明确，职责清晰，保证整个试验过程流程畅通，静水压试验前成立静水压试验领导小组，全面负责水压试验的组织实施工作，水压试验领导小组下设6个小组，分别为打压组、看护组、巡查组、检修组、数据采集分析组、后勤保障组。

4 试验前准备

4.1 试验前提

管道接口全部完成两次打压试验并验收合格；管内接口填充材料已验收完成；管道内确保清扫干净。各种阀件均安装完毕并通过初步验收，所有阀门（排空阀除外）均处于全开状态。镇墩、包封混凝土及构筑物达到设计强度的100%，管顶以上回填高度≥1.50m。

4.2 试验段划分

根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268－ 2008）9.1.9项，管道的试验长度除规范规定和设计另有要求外，压力管道水压试验的管段长度≤1km，因南水北调配套工程PCCP管道受距离长、管径大，水源、工期、靠背工程等条件限制，在实际工程施工中，不适宜采用＜1km分段水压试验，结合本标段实际情况，决定采用在全线管道逐个接头水压试验的基础上，采取长距离（＞1km）的分段方法，全线分四段进行水压试验。

4.3 试压水源

经现场调查，管道沿线无满足静水压试验用水量河道及河塘，为不延误工期，采用沿线灌溉水井用水。进水口视水源情况设在最近的空气阀进人孔上，注水和打压过程产生的气体最高处的空气阀进人孔和连接钢管顶部排气管排除。现场准备数台7.50kW水泵用于抽水。

5 试验设备

静水压试验由主要注水设备、仪器仪表、连接设备组成。

5.1 注水设备

注水设备采用低扬程注水泵，型号ISG80-160，DN100mm单级离心泵，电机额定功率7.50kW，扬程13.90m,流量50m3/h，用以从灌溉水井中抽水。

压力泵采用柱塞泵，型号为3DK-S柱塞泵，排出压力为70MPa时，其额定排量为54L/min。其注水管安装高压小量程的流量计，用电导线与流量数字显示表相连，用以计量管道加压时试压水的增加量或从管道中抽出的水量。注水管采用DN100mm×10mm钢管，焊接连接。流量计采用型号FME系列，分体式，带远传数字输出，准确地计量流量，显示L/s和累计量，准确度在0.10%以上。

5.2 仪器仪表

压力表精度≥1.50级，最大量程为试验压力的1.50倍，表壳的公称直径≥150mm。

5.3 连接设备

连接设备由DN2200承插式试压钢管、盲板、支撑短管组成，布置见图1。

图1 静水压试验设备连接图

5.4 后背墙

后背墙采用C25混凝土墙，混凝土墙和连接钢管之间采用20mm厚钢板缓冲。

6 试压钢管的选择

试压钢管采用DN2200带承插式的钢管。

6.1 力的计算（考虑水的自重）

6.1.1 管道充压后的轴向力，

式中：P为管道试验压力，按设计要求为0.60MPa，即600kN/m2；S为管道断面积(πR2)，R=2.20/2=1.10m。

6.1.2 埋地钢管上覆土层的单位长度顶、侧压力

式中：K1为土垂直压力系数，为0.80；ρ为土容重，取17.80kN/m3；H为管顶上覆土厚度，取3m（本工程挖深多为5.50m，管道直径为2.20m，覆土厚度平均取3m）；D为管道直径，为2.20m。

侧压F2=ρ×(H+D/2)×D×tg2(45°-θ/2)

式中：θ为土内摩擦角，取20°。

式中：W1为钢管自重，取1.30kN/m；W2为管内满水重量Rπr2，Rπr2=10×3.14×1.10×1.10=37.99kN；R为水的比重，为10kN/m3。

6.2 摩擦f抵抗轴向力F的最小钢管段长度L

式中：K2为安全系数，取1.60；L≥1.60×2279.64/58.14 =62.74。

工程PCCP管段试压时试压钢管按70m选取可以满足要求。

试压管道的试压钢管采用带承插口的DN2200钢管，试压钢管一端跟试压管道连接，一端由焊接盲板，为了与后背墙之间形成可靠的支撑，我们采用一根DN1800的钢管连接后背墙钢板与盲板之间，支撑钢管与盲板焊接。作为进/出水口的D100mm的钢管焊接在试压管道最高端，DN40mm排气钢管焊接在试压管道最低端，进/出水口钢管和排气钢管上分别安装球阀、流量计及压力表。

7 试压盲板的选择

试压盲板采用δ40mm的钢板，钢板上采用75mm×5mm工字钢焊接成井字型加劲板，作为试压盲板。

8 后背墙的选择

管道在进行水压试验时，在水的压力作用下管道将产生巨大的推力，该推力全部作用在试压段的后背上，如后背不坚固，管道将产生很大的纵向位移，损坏压兰和固定螺栓，管道甚至产生环向开裂，极易引起安全事故。后背设在原状土上，土质松软时应采取加固措施；后背墙面应平整并于管道轴线垂直。根据本标段设计图纸，每千米管线间最大的高差≤2m，此处为了安全，我们取2m的高差对加压状态下水对盲板的压力F进行验算。

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

后坐墙的整体强度需保证在试压过程中水的压力作用下不被破坏且不产生滑移。后坐墙尺寸设计为直立式混凝土墙，混凝土强度为C25现浇混凝土，墙体高6m，埋地深度1.50m，背后填土3m，混凝土墙厚2m，宽度为6m，基础坐落在原状土上，地面部分和地下部分同时浇筑。施工时，先在由此计算此混凝土墙需要的混凝土方量为：V=2×6×6=72m3。

8.1 对墙体进行稳定性验算

验算圆管与墙体接触处墙体的抗剪强度

圆管与墙体接触处墙体的受剪面积S=3.14×（1.8÷2）2= 2.54m2;

剪应力R=2279.64kN÷2.54m2=896.44kPa=0.90MPa，小于墙体抗剪强度（C25混凝土为4.20MPa），故结构安全。

8.2 验算墙体与地面线接触处墙体截面抗剪强度

S=6×2=12m2(地面埋深按2m考虑)。

剪应力R=2279.64kN/12m2=189.97kPa=0.19MPa，＜墙体抗剪强度(4.20MP)，故结构安全。

8.3 抗倾覆性（滑位）

后背墙能否稳定，在试压过程中能否不滑动，关键在于后背墙体后回填土料是否密实，本工程计划在后背墙浇注完成后，墙背后回填砂砾，压实度95%，湿密度≥20kN/m3。

在试压压力的作用下，墙后填土受被动土压力作用，根据郎金被动土压力计算公式

故被动土压力Pp=1080×6=6480kN。

土压力与墙体自重相对于墙趾的力矩：N1=6480×1+72 ×2.3（kg/m3）×1=6646kN.m。

管道试压产生的压力对墙趾的力矩：N2=2279.64kN× 2.60=5927kN.m

N1＞N2,故试压过程中墙体不会发生倾覆（滑位）。

9 通水试压试验流程

通水试压流程见图2。

图2 通水试压试验流程图

10 PCCP管道试压充水

10.1 管道冲水

根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268－2008）9.1.6条，单口水压试验合格的大口径预应力钢筒混凝土管，设计无要求时，可免去预试验阶段，而直接进入主试验阶段。试压现场通过DN100的供水管道或者空气阀进人孔（两者取试验段最高点），向管内缓慢充水，注水流速在0.30m/s之内，以减少余留空气量，及以免使管道发生水锤等现象，对管道造成损坏。充水时，管内空气通过的空气阀进人孔或者试压短管上的排气孔外排（两者取试验段最高点），将排气阀打开，认真进行排气，排出的水流中不带汽泡，水流连续，速度均匀时，表明气已排净；管道注满水后，在无压情况下充分浸泡；对所有封堵、试压设备和管路进行检查修正，并确定监测方法。

充满水后，通过试压管道上的DN100进/出水管道用多级泵向管内注水，逐步缓慢分级升压（每级0.20MPa），每升一级后稳压≥10min、（为保持压力，允许向管内补水），检查试验管有无渗漏处，情况正常时方可继续升压；试压管段注满水且水压达到0.60MPa压力时，保持压力不变，充分浸泡72h或以上。

在浸泡≥72h后继续升压至试验压力，停止注水补压，稳定15min，当15min后压力下降≤0.03MPa时，将试验压力降至浸泡压力并保持恒压30min，管身及接口无破损及漏水现象，即为合格。在试验压力稳定15min内，若压力降＞0.03MPa，视为不合格。

10.2 管道排水

10.2.1 排水疏导措施

打压成功后，从节约用水资源角度考虑，如果下一个打压段能及时跟上，且排水管道内的水质满足供水管道打压用水质量标准，可以从管道内用潜水泵将水抽至另一个试验段。方法为隔着盲板在钢管上开孔，管节内的水排到下一试验段管道内，取出盲板，修补开孔。

10.2.2 余水排除措施

待试压合格后，试压余水由水泵直接抽出，顺原农田自然水系排出。