长距离重力流倒虹吸管道充水过程控制

(甘肃水投天水供水有限责任公司，甘肃 天水 741000)

1 工程概况

天水市城区引洮供水工程是甘肃省水利建设史上第一条长距离、大口径、水厂原水输水工程。输水管道设计采用地埋式单管输水，设计流量2.1m3/s，全线采用重力流输水。其中武山、甘谷县境内长42.11km的大倒虹吸最大设计管内压力达4.2MPa。本次充水的主要内容为其中已完工的秦州段倒虹管道。秦州段倒虹管道线路自2号隧洞出口汇流池起至藉口水厂止，全长20.11km，采用DN1400球墨铸铁管单管输水。汇流池出口处管中心设计高程为1556.48m，藉口水厂进厂位置处管道末端管中心设计高程为1352.78m，管道沿线呈“U”字形，最低点管中心线高程1322.95m，最大落差233.53m。全线设置消能箱一处，将倒虹段压力管道分为两个部分，其中汇流池至消能箱间的压力管道长5.51km，落差91.38m；消能箱至末端水厂的压力管道长14.60km，落差112.32m；消能箱至最低点总落差142.15m。管线沿程纵断面高程及阀门设备布置情况见图1。

2 水力机械设备布置情况

为保证工程输水管道系统的安全稳定运行，便于管道系统的流量调节，水压降低，设备检修，管道进排气，流量、压力等参数的监测，沿线同时还布置多处调

图1 秦州段倒虹管道沿程纵断面高程及阀门设备布置

流调压阀、隔断阀以及在线过程仪表监测设备。本段管道主要设备布置如下：

a.活塞式调流调压阀2组，通过开度大小调节来实现消能降压、流量调节，每组由1台DN1000和1台DN600调流阀并联组成(调流调压阀布置位置见图2)，分别设在消能箱进口前端和水厂进口前端。

图2 调流调压阀布置

b.检修偏心半球阀3组，起检修隔断作用。当输水管道出现事故爆管或者需要对某段管道进行检修时，把此段管道用双向硬密封偏心半球阀隔断，减少水量浪费，并保证其他部分管道依然充满水，利于检修后快速投入运行。隔断阀门根据事故抢修时允许的管段放空排水时间确定，并结合地形起伏和穿越河流或公路等情况确定。本段布置断阀门间距为5km左右，隔断阀开启和关闭的时间均为400s。管道首端隔断阀并联DN400旁通阀，用于管路系统空管充水流量控制。

c.放空阀3组，按照管道纵断面起伏位置及现场实际条件，在管道低点及临近河道处布置放空阀3处，用于管道排空。

d.超压泄压阀4组，每个调流调压阀和检修双向硬密封偏心半球阀前，设置一组超压泄压阀，防止当关闭阀门速度过快时，引起管道压力水锤过高破坏管道，超压泄压阀快开慢关。

e.复合式空气阀22组，按照每0.8km布置一台的原则，保证管道内的进排气，防止水锤现象的发生，每组空气阀均配备压力表。

f.压力在线检测设备5处，在每个检修隔断阀、调流调压阀前各设置一台压力变送器，用来监测管道工作压力和管道工作状态。

g.流量在线监测设备2处，在每个调流调压阀前设置三声道超声波流量计一台，用来检测管道流量状态。

3 充水过程

3.1 充水前准备

3.1.1 建立充水调度机构

充水前制定充水方案，制定阀门设备操作规程，建立由业主、设计、监理、施工、设备(材料)供应单位相关人员组成的充水调度指挥部，指挥部下设设备操作组和巡视抢险组。沿线各阀位安排有经验的技术人员值守，进行阀门设备操作与观察；巡视抢险组负责现场巡查、反馈巡视状况，并及时向指挥部反馈信息。指挥部组织制定充水方案、人员培训、发放调试方案系统图，明确各参与单位部门责任，建立应急机制。

3.1.2 充水前检查

a.充水前按照规范及相关要求，对管道系统中的杂物进行清理。

b.依据设计文件对水工建筑物和设备安装情况进行检查，确保满足设计文件要求。

c.充水前依据《给排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)要求进行管道水压试验。管道水压试验分6段进行，每段利用就近水源采用水泵抽水充水，在每段末端高点处设排气装置。由于水压试验过程中充水流量极小且每次充水长度不长，充水过程较为简单。

d.检查管线所有设备的密封性和动作性能，确保管线各设备密封可靠，能够正常启闭。

e.运行中各种压力、流量、阀门开启度、阀门控制等检测控制系统已安装调试完毕，达到运行要求。

f.供电、通讯等系统安装调试完毕，达到运行要求。

g.检查整条管线各个阀门的工作状态：首端检修球阀关闭、旁通阀开启、隔断阀开启、调流调压阀在20%的开度、放空阀关闭、超压泄压阀开启、空气阀正常开启。

3.2 管路充水

由于管线纵断面沿地面高程起伏较大，充水前管道内存在大量的气体，充水过程中既有上坡段又有下坡段。充水过程中气液两相并存持续时间较长，以致气、水运动状态和过程比较复杂。根据管线坡度的不同，可能是缓流，多数情况下可能是急流。在急流流态下充水时，将不可避免地发生水体掺气和高速水流挟气。充水过程中产生复杂的非恒定流，极易造成运行事故。所以，应采用小流速进行充水，以便最大程度排空管道中的气体，在充水试运行前还应进行水力过渡过程计算，并确定阀门设备开关规律。

根据有关工程实际经验和《城市供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》，在向有压管道充水时，充水当量流速应控制在0.3～0.5m/s左右，充水流量不超过设计流量20%。太低的流速带不走管道的存气，不利于管道排气，也使充水时间过长；太高流速可能使管道充水速度大于排气速度，造成气堵，引起压力震荡。基于上述原则，根据设计阶段水力过渡过程计算分析，本次充水流量控制在800m3/h。

本段管道被消能箱分成两部分，充水时先向下段充水，充水步骤如下：

a.首端DN1400隔断阀关闭，旁通管开启，利用旁通阀控制流量进行充水。

b.当末端水厂处调流调压阀出水后缓慢关闭末端调流调压阀，向管道充水。

c.待4号消能箱即将达到设计水位时，缓慢关闭消能箱前调流调压阀，直到汇流池水位达到设计，缓慢关闭首端旁通管球阀，再关闭进水口。

d.在压力管道充满水后，根据《给排水管道工程施工及验收规范》(GB50268—2008)要求，满管保压24h，若整个过程中管道全段未出现异常，则表明管道充水成功。

3.3 充水前及充水过程中注意事项

a.充水前必须进行打压试验，管道安装完成后的打压试验是检查管道安装情况的重要手段，为避免在充水过程中管道系统出现渗漏，发生意外情况，在充水前必须对整个管道系统按照相关规范要求进行分段打压。

b.充水流量控制，由于本段管线利用应急引水枢纽作为水源进行供水，引水枢纽进水口未安装流量监测设备，所以在充水过程中要严格监控消能箱前流量监测设备，根据此处流量监控值适当调整进水闸门开度，达到预定充水流量。

c.空气阀工作状况监测，管道沿线各阀井处布设观察人员，对空气阀工作状况进行检查、监测，同时对确保空气阀补排气正常，发现异常情况立即向指挥部报告。

d.消能箱处观察人员要时刻关注消能箱水位，避免消能箱溢流或拉空。

e.充水过程中依据管路纵断面高程和沿线压力监控值来判断充水位置，加强对未充满段空气阀工作状况监测。

f.调流调压阀和隔断阀的每次开关闭动作都要按照阀门开启、关闭规律进行，以免发生开阀水锤、关阀水锤或断流弥合水锤，造成设备损坏和爆管事故。

4 常见问题及处理措施

4.1 管道中排气不彻底

由于管道线路较长，沿线地形起伏较大、中间有多个U形段，充水前管道内有大量气体存在，管道内气液并存状态持续时间较长，以致管道内容易产生气囊，为尽最大可能排出管道内气体，充水过程中要注意观测管道沿线压力表监测数值。观测点压力监测值=管道内水位高程-观测点位置的高程；如管道中含滞留气团，则观测点压力监测值<管道内水位高程-观测点位置的高程。当管道中含有滞留气团时，应多次反复打开、关闭末端调流调压阀至相应开度。

4.2 关阀水锤

在充水过程中，阀门设备及管道接头漏水、设备故障、管道出现故障或者充水结束等，都需要关阀末端调流调压阀停水，如果关阀操作不当，水流受阻回流碰撞，碰撞水头不断叠加，造成管道内压力急剧升高，从而形成关阀水锤。同时，由于管道起点至管道最低点高差达112m，一旦因操作不当造成关阀水锤，后果不堪设想。因此沿线控制阀门的关闭规律要经科学计算进行确定，本段管道阀门设备开关规律在设计阶段进行了水锤模拟计算，并根据计算结果提出了建议的阀门关闭规律。因此在任何状况下，阀门设备启闭均严格按照规定程序操作。

4.3 断流弥合水锤

由于管道沿线起伏较大，中间有多个U形段，形成多个驼峰，导致这些部位容易聚集气体。如果这些部位排气不畅将会造成管道内气堵，严重时会断流。大量气体聚集易造成爆管事故；或者整个输水管路系统中压力普遍下降，一旦压力降至当时水温的气化压力以下，管道中水将气化，水流连续性遭到破坏，造成水柱分离，当分离水柱重新弥合时，如排气过快将会形成弥合水锤，严重时造成爆管。因此应通过水力过渡过程计算分析确定补排气阀布置位置及阀门型式，在充水过程中各空气阀处设置观察人员，密切监控空气阀工作状况及压力变化情况，并随时向指挥部报告。

5 结 语

长距离重力流倒虹吸管道充水过程中流态比较复杂，为尽量避免充水过程中事故产生，在充水前除了进行分段打压试验外，还应对水工建筑物、阀门设备等检查调试，建立充水调度管理机构，制订应急方案；充水过程中应着重对空气阀是否工作、各观测点压力情况进行密切监控；充水完成后试运行中要严格按照水力过渡过程计算分析结果，进行阀门设备启闭操作。