农村安全饮水工程配水管道充水及水压试验方案探讨

杨丽娜

(乌鲁木齐鑫盛开源工程项目管理有限公司，新疆 伊犁 835000)

1 工程背景

特克斯县农村安全饮水管网提升改造工程位于新疆伊犁哈萨克自治州特克斯县境内，配水管网全长15.5 km，检查井37座，排水井4座，水表井87座。喀拉尕什特村配水管网全长18.1 km，检查井34座，排气井4座，排水井3座，管道跨路34处；库木托别村11 km主管网改造，13.5 km入户管网改造，建设配套检查井、阀门井。

待农村安全饮水管网提升改造工程配水管道安装完成至管道运行前，必须通过管道打压试验进行安全性测试，也是对管道实际运行过程的一次模拟。充水量的确定和升压水泵的选型是打压试验顺利进行的重要环节，在升压试验过程中，配水管道在压力的影响下出现一定程度的膨胀，管道内水体因受到压力的作用体积被压缩。配水管道水压试验所需充水量就是水体压缩后的体积和管道膨胀所增大体积之和。

为节省升压试验时间，本饮水管网提升改造工程采用两阶段管道试验方案，即在充水的初期，在管道尚未充满时，采用大流量水泵快速充水；待管道充满后升压的过程中，改用流量较小的升压泵升压处理。考虑到打压过程中，空气比水更容易压缩，如果配水管道内存在未排除的空气，则空气被快速压缩后需要补充比计算值更多的水才能达到压力设定值，这样，会增大配水管道被损坏的可能性。

2 试验准备

2.1 试压区段划分

根据管壁厚度、供水压力等级及阀室场站的地理位置和距离远近进行试压区段划分。本试验根据试压单元进行阀室间距的确定，若阀室间距比规范[1]所规定的试压距离最大值(35 km)和高差(30 m)大，则应进行试压区段的划分。

在配水管道各阀门井下游增设试压墩，试压墩共设置5处，以试压墩为节点将配水管网水压试验管道划分为6段，试验过程按照单根管道进行。从上游至下游将各试验管段分别标号为1#～6#管段。将封堵板设置在试压墩下游，和配水管道内壁焊连，并在其上下游端增设连通性钢管和阀门等压力调控装置。将试压墩位置的封堵板按照所对应的配水管道阀门井进行标号，分别为1#～5#，设置简图见图1。

图1 充水试验区段划分示意图

2.2 管道试压准备工作

在开始该饮水工程配水管道升压试验前，应进行管道、升压设备、各管段阀门及压力表等有关仪器设备等的全面检查，无误后方可开始试验。在试验过程中压力表的标定刻度应为试验压力的2.0～2.5倍，精度为1.5级，压力试验仪应按设计要求分别安装在试压管段两端，且校验合格，误差应控制在±1℃以内。按照各管段设计试验压力在管道组装、焊接、下沟、回填完成后分别进行阀门的单独试压，在试压过程中采用椭圆形封头封堵试压管段，并对全部焊缝采用超声波和X射线探伤。配水管道试压的环境温度应不低于5℃。

3 管段变形体积增量的确定

对配水管网施压的过程中，管段受到内水压力变化的影响，管段壁会发生变形。对于缺乏固定端约束的配水管段其管壁还会发生环向和轴向两种形式的变形。

3.1 管段环向变形体积增量

在管道内水压力的影响下，管段会发生环向膨胀，且管段所发生的环向单位伸长量可表示如下：

(1)

式中：ΔL′为管段所发生的环向单位伸长量，m；P为配水管段管内压力，MPa；D为管道直径初始值，mm；L′为管段长度初始值，mm；Ec为管道弹性模量；δ为管段壁厚，取1.5 mm。

该农村安全饮水工程配水管道在充水实验中环向伸长量总量按下式计算：

(2)

式中：ΔL为配水管道环向伸长量总量，mm；其余参数同前。

饮水工程配水管道充水膨胀后管道直径d及单位管段体积增量ΔV1分别计算如下：

(3)

(4)

将式(3)代入式(4)可得：

(5)

3.2 管段轴向变形体积增量

饮水工程配水管网若管端封闭，则管道在内水压力的影响下将沿轴向伸长变形，单位管段轴向伸长变形量ΔL按下式确定：

(6)

式中：f为材料比例系数；A为配水管道截面积，m2；其余参数同前。

则不考虑管段环向膨胀变形所引起体积变化的情况下，配水管段伸长变形后单位长度内体积增量ΔV2为：

(7)

比较式(5)和式(7)不难发现，在饮水工程配水管道充水试验过程中，因内水压力的影响而导致管段发生变形的，环向变形所导致的体积增大量是轴向变形所引起体积增大量的至少4倍，因此，内水压力所导致的环向变形是饮水工程配水管道变形及体积增大的主要原因。本工程而配水管网充水施压的过程中，已对管端施加约束，管道伸长量实际值比管道自由伸长量值小，可忽略不计。

农村安全饮水工程配水管网充水试验施压时回填土也会制约和束缚管道变形过程，但是钢管、PCCP管等管道弹性模量比回填土弹性模量大，所以配水管道在内水压力的作用下，回填土对管道膨胀变形的影响很小，几乎可以不考虑[2]。

再次分析式(5)可以看出，等号右端包括两部分，且第二部分是第一部分的高阶小量，所以对于本农村安全饮水工程配水管网充水试验而言，第二部分可忽略不计，则配水管道因内水压力膨胀变形后体积的增量可简化表示为：

(8)

若本工程配水管段管内压力设计值分别取0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa，管径为3.4 m，管道弹性模量为1.27，将相关参数取值代入式(8)便可计算出配水管道因内水压力膨胀变形后体积的增量。

4 充水量的确定

配水管网膨胀量和水体受压缩量处于相同量级，所以水体压缩模量和混凝土弹性模量量级几乎相同，为此，在进行本饮水工程配水管网充水试验的过程中必须考虑到水体压缩模量的因素。单位管段内水体压缩量按下式确定：

(9)

式中：ΔV3为单位管段内水体压缩量；Ew为水体积模量，取2.06×1011；V为试验过程中的充水量，m3。

根据理论分析，充水试验过程中管道内充水量为管道膨胀后体积的增大量和水体受压体积之和，表示如下：

V=V2+V3

(10)

式中：V2为管道膨胀后体积的增大量，m3；V3为水体受压体积，m3。

特克斯县农村安全饮水管网提升改造工程充水施压试验过程中试压压力设计值最大为1.4 MPa，且当管段内压力大于0.6 MPa时，出于管道安全方面的考虑，以管段内压力每升高20 m为间隔。工程施压管段长1 km，管径为3.4 m，使用PCCP管材，管段壁厚1.5 mm，砂浆厚40 mm，管芯厚255 mm，钢丝直径7.0 mm，管芯混凝土标号C50，管芯混凝土弹性模量，则配水管段内试验压力每升高20 m的注水量应按以下步骤确定。

将钢筒折算为C50混凝土的厚度δ1，公式为：

(11)

式中：Eh为芯混凝土弹性模量，取3.45×1010；其余参数同前。

经计算，本引水工程配水管段钢筒折算为C50混凝土后厚度为0.000896 m。

将钢丝折算为C50混凝土的厚度δ2，公式为：

(12)

式中：S1为缠丝单位长度面积，取4452 mm2/m；S2为混凝土管单位长度面积，根据混凝土管直径计算，mm2/m；其余参数同前。

经计算，钢丝折算为C50混凝土的厚度0.000298 m。

由上述计算结果看出，钢筒和钢丝折算厚度非常小，其与本工程配水管段壁厚δ相比，可忽略不计，即配水管段的折算厚度就是PCCP管的壁厚。

根据式(7)和式(10)所得出的配水管网试验充水量和压力变化计算结果汇总情况见表1。

表1 配水管网试验充水量和压力变化取值结果

根据表1的结果，在既定的试验压力范围内，随着配水管段内压力值的增大，充水量呈增加趋势，当压力升高后，水泵流量随之改变，且当管段内充水压力处于较低水平时，管道承压能力较高，充水量对管道安全运行的影响并不十分明显。但当管道内充水压力升高至接近试验压力时，管道升压过程的危险程度将持续增加，这是强控制的重要阶段，应根据管道内充水压力升高的充水速度确定水泵扬程和流量。

5 升压水泵的选型

如果所使用升压泵流量过大，则充水时间和管道压力升高时间缩短，试验过程控制难度增大，不利于管道安全。相反，若所使用的升压泵流量过小，则会延长充水时间和升压时间，影响试验效率和工期。故应根据工程实际、相关规范和类似工程经验，进行管道升压充水量的合理确定，并据此进行水泵选择，尽可能保证水泵在高效率状态运行[3]，以降低能耗，提升试验效率。通过表1的分析结果可以看出，在既定的压力范围内，管道压力升降值和补水体积之间存在线性关系，而当水泵升压后，流量则发生较为明显的变化。当内压较低时管道的承受能力较高，此种情况下的充水流量对管道安全并无较大影响，而管道升压过程中管道内压接近试验压力的时刻对管道安全影响较大，为此，应选择该阶段为控制阶段。可见，水泵扬程及流量选择时必须重点考虑管道内内压较高时的充水速度。

水泵扬程按照下式确定：

(13)

式中：H为水泵扬程，m；p2为泵出口处水流压力，Pa；p1为泵进口处水流压力，Pa；ρ为水流密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；v2为泵出口处水流流速，m/s；v1为泵进口处水流流速，m/s；z2为出口高度，m；z1为进口高度，m。

对于本工程而言，配水管道内内压较高的时段即为从120 m水头加压至135 m水头的时段，将工程配水管道具体试验数据代入上式，可得出离心水泵的额定扬程为120 m。

配水管道充水试验所选水泵的额定流量按下式确定：

(14)

式中：Q为水泵额定流量，m3/h；P为轴功率，kW；η为泵效，%；H为扬程，m。

将试验过程中设计泵效率、轴功率等数据代入式(14)可知，应当选择额定流量10 m3/h的离心水泵，既能达到设定压力值，又能在实际升压试验中按照流量计算结果补充更多体积的水。

6 结论

按照本文所提出的饮水工程配水管道充水试验方案，能有效解决新疆伊犁哈萨克自治州特克斯县农村安全饮水管网提升改造工程配水管网施工结束后管道的施工质量及安全性的检测问题。按照本试验方案，充水试验管段分段处的封堵板仅承受上下游的充水压力差，能有效降低封堵板所承受的试验荷载，并使封堵板结构设计大大简化。此外，该充水试验方案安全可靠、操作简单，能有效控制试验时间，可以为类似农村供饮水工程管道水压试验提供借鉴参考。