长距离供水管道安全运行控制要点分析<br/>——以福州市某应急供水EPC工程为例

长距离供水管道安全运行控制要点分析
——以福州市某应急供水EPC工程为例

2020-08-12许奎清

福建建筑 2020年7期

许奎清

(福州城建设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

长距离供水管道在运行时，水泵、管道和阀门常常会受到水锤破坏，导致爆管事故，严重影响管线安全。水锤是在压力管道中因流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象。只要建设中各阶段均严格对水锤防护措施进行管控，水锤的破坏是可以被控制在安全范围内。但在实际工程总承包管理时，往往会在一些主要环节和关键技术上出现各种各样的控制缺失，致使原本可以避免的危害却一再发生。比如，设计时对水力模型分析经验不足，选择水锤防护的措施片面，排气阀选用和布设不合理；施工中质量主控项目不清晰，对管道试压的工法陌生；运行时不重视初次启动充水时的排气，工作人员的错误运行操作等等。

基此，本文拟结合福州市某工业园区应急供水EPC工程案例，以给排水专业角度，从工程总承包的设计、施工、运行等重要阶段开展系统和科学的分析，总结主要管控环节，归纳管理过程中水锤防护的技术控制要点，为同类项目提供可程管理经验借鉴。

1 项目概况

案例为福州某工业园区用水提供的应急备用水源，主要建设内容包括约13.5km的管道(DN800钢管)，以及一座4万t/d的预制一体化泵站(内设3台潜水泵：Q=600m3/h，H=43m，P=110kW)。输送介质为水库原水采用变频恒压方式供水，工作压力0.5MPa。泵站(A点)底面高程约2.5m，管道沿线最高点(G点)高程29.32m，管道终点高程2.39m，园区末端(I点)进水压力要求不低于0.2MPa，泵后管道沿线高程情况如图1所示。

图1 泵后管道沿线高程图

2 设计环节技术要点

2.1 水力过渡模型分析

长距离管道的水锤防护，从设计阶段就应提前考虑相关措施方案。在管线走向基本确定后，结合管道纵断面图，建立沿线高程图，并根据高程图分析水力模型特点，找出安全运行风险的控制要点，针对性地提出水锤防护措施。

案例项目总体输水方式为单级加压输水。但因地形、流态、压力和流速的不同，水力过渡模型又可细分为正常加压输水(A-G段)和类似重力流系统的有压重力输水(G- I段)。其中，加压输水段包含3处“拱背”状模型(B-C段、D-E段和F-G段)。在拱背处易产生水柱断流，出现气穴；另外，当加压输水段空管注水时会出现“U型管”模型，其水力流态近似多个U型管串联组成。同时，有压重力输水段中流态受地形和坡度影响变化大，可能出现非满流状态，而且重力流的水锤多为关阀水锤，宜通过末端阀门快慢二阶段关启控制或采用大小两阀门阶梯控制，以实现流速的均匀递减变化。有压重力输水段可分为陡坡段(G-H段)和平坦段(H-I段)两部分，经过G-H段的陡降，能进一步消减压差和势能，使平坦段水力过渡过程更安全可控。

2.2 水锤防控方案

水锤的防控需有针对性且系统综合性。针对性包括水泵、次高点、末端阀门和某段某处的保护措施等；系统性则指水锤防护的设计方案，包括安装复合式排气阀、二阶段缓闭止回阀、水锤预作用阀、调流调压阀、单向补水水池和调压塔等等。因传统单向水池与调压塔需在特定管线位置占地，对于征地困难的工程较少采用。

在明确项目水力过渡模型和水锤防控方案后，宜采用计算机动态数学模拟程序，对模型的恒定流态和瞬变流态系统进行模拟分析，对比不同工况和有无拒动状态，得出最大和最小的水锤压力值，以及发生的时间规律与位置关系，复核验算水锤防护措施的效果。最终目标是达到规范标准，将最高水锤限制在工作压力的1.3倍～1.5倍，并将负压控制在2m以内，甚至消除[1]。

2.3 复合式排气阀的设置要求

水锤防护设计方案中，性价比最高的措施是合理选用和设置复合式排气阀。

复合式排气阀的功能应含低压缓慢排气、低压快速进气和高压微量排气，其作用在于顺畅排出管内气体，也能防止管中出现负压，同时在水柱分离后弥合时能缓慢排气，起到类似缓冲气囊般的作用，减小水柱断流后的弥合水锤。这也是缓慢排气的要求。因此，排气阀并不是管径越大越好，得通过空管充水排气量计算、正常排气量复核、爆管进气量复核和泄水时进气量复核等4个步骤综合选型。

复合式排气阀不仅布置在各管段隆起处或下降的拐点处，而且在一般平缓段(坡度≤1‰)也应每0.5km～1.0km设置一个。结合案例，考虑G-H段管线坡度较陡，水力过渡过程复杂，因此在该中间起伏处以及坡后相对平缓的位置，增设进气排气阀，以保障顺畅排气。

3 施工环节技术要点

为保障长距离供水管道系统安全调试运行，结合项目特点，识别质量风险主要环节在钢管的内外防腐、管道的焊接、成品钢管质量、泵站筒体的渗漏、管道与池体的抗浮、陡坡管道的抗滑移、软弱基础地基处理等。

质量验收的主控项目，最主要是功能性试验(水压试验，也叫试压)，验收应100%合格。只有试验合格，才可投入运行。同时，试验压力一般为工作压力P的2倍，而规范允许水锤是1.5倍工作压力，比值间留有0.5倍的安全富余压变。因此，试压合格的管道，对水锤的危害抵抗力会更强。

试压分为预试验和主试验两阶段，判定依据分为允许压力降值或允许渗水量值，可二选一，常用压力降值判定。

结合案例，工作压力P为0.5MPa时，试验压力为1MPa(规范要求P+0.5，且不小于0.9)，钢管的允许压力降值为0，DN800焊接接口钢管允许渗水量为1.35 L/min·km。[2]

具体工序如下：

①试压准备：试压安装示意图如图2所示。管道试压分段进行，每段不宜超过1km。注水时，从下游缓慢注入，在管段的高点设排气阀。钢管在焊接接口完成后1h后进行试压。选用弹簧压力计，量程试验压力1.3～1.5倍，精度高于1.5级。不得用闸阀做盖板(或堵板)，注水完成后，钢管浸泡24h以上。

图2 管道试压安装示意图

②试压过程：首先预试验，将水压缓慢升至试验压力，并稳压30min，若期间压力下降则注水补压。该阶段主要目的是检查接口和配件等处有无损坏与漏水。若无损坏与漏水，即可进入主试验阶段。

主试验阶段，在试验压力下稳压15min(期间不得注水补压)，当15min后无压力下降，则将压力降至工作压力，并恒压30min检查有无漏水现象。若无则表面试压合格；若采用渗水量判断，则在试验压力下补水恒压2h以上，通过补水量换算与允许渗水量对比，小于允许值则试压合格。

4 运行环节技术要点

4.1 初次充水启动的操作

初次充水启动是保证管道系统安全稳定运行的重要环节，而其关键在排气顺畅。若充水速度过慢，除了致使通水时间太长，也不利于管道排气，会导致管内积气，成为系统运行时的安全隐患；若充水速度太快，快于排气速度时，会导致管道气体堵塞，引起水压波动，影响过水能力。同时，初次充水启动时，水力过渡过程复杂且多变，不可预见的影响因素多，因此应编制初次充水启动操作规程，并请有经验的运行人员进行现场指导[3]。一般初次充水速度控制在0.3～0.5m/s，效果最好，太低的流速无法排净管道内的气体。结合案例，按DN800管径换算后流量约540～900 m3/h之间，初次充水流量选取600m3/h，即一台潜水泵工频充水运行。充水操作前，检查全部排气阀是否灵敏有效，保证能正常使用。在充水过程，调度人员沿线(上游向下游)跟踪充水状态，通过排气阀的启停，判断水流位置和排气状况。同时，可以开启全部泄水阀辅助判断水流位置，以助于顺畅排气和清洗管内杂质，在泄水阀出水20s后关闭。管道满水的判断，可通过末端排气阀终止排气，且末端压力表持续稳定升压并超过0.2MPa。

4.2 正常运行过程中操作

长距离供水管道日常安全稳定的运行，关键在控制管内流速与排气，避免急剧快速的变化而导致水锤破坏。正常运行中，技术管控要点，主要在于阀门开关和水泵启停过程的操作控制。

①阀门开关操作：阀门操作时，主要在于避免开阀水锤和关阀水锤，注意控制启闭的速度，做到缓开缓闭。开阀和关阀操作应按规定程序进行，避免速度过快而产生水击。水泵出水电动蝶阀的关闭操作宜执行快慢两阶段关闭规律，第一阶段快关至65°～75°，第二阶段可5～7倍于快关时间，缓慢关闭至全关。

②停泵过程操作：每台水泵停机时，均应按照先关阀门、后停泵的操作顺序，注意在阀门关闭后停泵间隔不得太长。如案例中水泵功率为110kW，其关阀后停泵间隔不得大于3min。对于有降频分档停泵操作的(即通过变频控制，逐档调低水泵流量，直至关停)，要注意关闭时间控制。

③启泵过程操作：水泵启动分为初次通水启动、正常启动和事故停泵再启动3种情况。时常产生含气的断流水锤，其主要原因是管道中存在积气，启泵时充水速度大于排气速度，出现断流水柱弥合撞击。启泵时，按照先关阀、后启动水泵顺序操作，关阀情况下水泵(功率≤110kW)持续运行时间不得大于3min。同时，特别注意突发的事故停机后再次启泵的操作，因为突然停泵过程产生的压力波，往往会使管道中产生大量气体。因此，要控制再次启动时的充水速度，并检查沿线排气阀的排气状态，确保管道内气体排净后，再逐步增加至正常流量，才能保证安全运行。

结合案例，初次充水排气是在单泵工频下进行，因此，事故停泵后先启动一台水泵排气，完成后再陆续启动其他水泵，进行工况运行。在启泵操作中，不仅仅针对整个机组事故停泵后重启时需进行排气，在每次机组启动前，均得按此流程进行排气操作。