魏楼水库PCCP引水管道水压试验问题探讨

郝红新

（江西赣禹工程建设有限公司,江西 南昌 330200）

0 引言

根据相关规范,对于工作压力超出0.1 MPa发供引水管道必须进行水压试验以检验管道结构强度,并对管道密封严密程度等作出科学判断,通过以上严密性试验进行管道渗水量测定的过程耗水量较大,所要求的后背承载力较高,与此同时,还需要完成堵头制作、后背加固、管道注水、冲压等辅助性环节,无形中增大了管道水压试验成本,对于水资源匮乏的地区并不适用。为此,本文针对魏楼水库PCCP引水管道管材实际情况进行试验方法的改进,仅进行管道接头严密性试验,既能保证管道验收中水压试验顺利进行,又能简化试验过程,降低试验成本。

1 工程背景

魏楼水库主要担负着规划年向菏泽市区主城区等区域164.66×104人提供生活饮用水、灌溉、防洪蓄水等任务。水库永久性占地面积206.88 hm2,总库容1560×104m3。水库主要包括围坝、泵站、涵洞、输水管道等水工建筑物。防洪设计标准为50年一遇,抗震设计烈度为Ⅷ度。水库设计总库容1560×104m3,死库容215×104m3、调节库容1345×104m3,入库泵站流量为9.0m3/s,规划年入库水量6663×104m3,日供水规模16.02×104m3,年供水量5848×104m3等。魏楼水库输水管道主要采用直径2000 mm的预应力钢筒混凝土（PCCP）管,该类型管道主要材料包括预应力钢丝、钢筒、混凝土等,其中,预应力钢丝以环向方式缠绕在钢筒混凝土管芯外侧,在缠紧的预应力钢丝外部施喷水泥砂浆,起到保护层的作用,通过带承插口钢环的柔性接头等将其管节段之间牢固衔接,并应保证接头密封的可靠性。在管道工程施工结束后,采用管道水压试验对该水库PCCP压力输水管道及所包含的各类管件、阀门件、镇墩等水工建筑物设计方案的合理性、施工安装质量的综合检查以及管道各建筑物在正常供水状态下结构强度及水密性验证。

2 水压试验准备

根据设计要求,魏楼水库PCCP引水管道正常工作时的管道压力0.8 MPa,结合相关施工质量验收规范的具体规定,当其管段内实际工作压力比0.1 MPa高时则管道水压试验为必须进行之项目,并按照1.3 MPa[1]的设计试验压力展开试验。结合魏楼水库PCCP引水管道取水水源条件、压力钢管设计标高等参数实际取值,借助泵验放气原理以及已施工标段设计图,进行管道辅助设备及准确试验位置的合理确定,并将2 个水压试验段分别设置在双向水压试验区,再进一步将试验段分成南线试验段和北线试验段,按照这种划分后,一共需要完成4 次水压试验。第一泵验段南北线长度分别为1346.24 m和1344.03 m,第二泵验段南北线长度分别为886.7 m和880.9 m。

3 封头和内闷板设计

3.1 封头设计

魏楼水库PCCP引水管水压试验采用密闭性试验形式,所以必须在试验管道两个端头处分别设置1 个封头,就其型式而言有椭圆形和内闷板等。其中椭圆形封头主要为单向形式设计,而内闷板则为双向设计,能够保证2 个试验段同时使用。通过工期协调,四段水压试验段共设置三个椭圆形封头和两个内闷板。

根据设计要求,试验水压压力1.3 MPa,则泵验过程中引水管道横断面总推力为1320.75 t。泵验管堵主要使用Q235 B型钢材质椭圆形封头,钢材实际厚度34 mm,能承担较高压力,并能重复使用。根据相关规范中所规定的泵验管堵椭圆形封头的有关计算要求,当对封头凹面施加一定压力时其形状系数[2]应按照下式确定：

椭圆形封头允许工作压力最大值为：

式中：K 为封头凹面受压时形状系数；D1为封头内直径,取3600 mm；h1为封头曲面深,取900 mm； [ pw]为封头允许工作压力最大值,取2.124 MPa； 2 [σ]t为试验温度下封头材料许用应力,根据规范取113 MPa；φ为焊接接头系数,根据规范,双面焊对接接头取1；δe为封头厚度,取34 mm。

将相关参数取值带入式（1）~式（2）可以得出,魏楼水库PCCP引水管水压试验椭圆形封头形状系数为1,允许工作压力最大值为2.124 MPa>1.3 MPa,所以水库PCCP引水管水压试验过程中所采用的椭圆形封头完全可以承载试验压力。

图1 椭圆形封头结构形式示意图

3.2 内闷板设计

内闷板结构形式见图2,以内闷板结构整体构建受力模型,并将其简化为边界固定型弹性薄板后进行受力情况分析,具体见图3。

图2 内闷板结构示意图

图3 内闷板结构受力简化模型

将圆形内闷板所承受荷载简化为均布荷载,并以中点荷载为平均荷载,即1.3MPa。

3.3 拉压应力及剪应力验算

由于圆形内闷板中心为最大弯矩出现位置,根据弹性薄板理论,圆形内闷板单位宽度所承受的弯矩可按下式计算：

式中：r为封头半径,取1800 mm。

则宽300 mm的圆形内闷板所承受的弯矩为：0.3 m×526500 N=157950 N·m。

最大拉应力为：

式中：Wzmax为圆形内闷板弯曲截面系数最大值,取2388.05×103mm3。则最大拉应力σmax1=66.14 MPa≤[σ]-=205 MPa。

最大压应力为：

式中：Wzmax为圆形内闷板弯曲截面系数最小值,取1053.37×103mm3。则最大压应力为σmax2=149.947 MPa≤[σ]+=205 MPa。

圆形内闷板单位宽度所承受的最大剪应力按下式确定：

则宽300 mm的圆形内闷板所承受的剪应力为：300×1170=351000 N。

圆形内闷板截面任一点切应力按下式确定：

式中：τ为圆形内闷板截面任一点切应力；Sz为截面面积与中性轴静矩,取1025.8×103mm3；b为截面实际宽度,mm；Iz为截面对中性轴的惯性矩,取32493.01×104mm3。

经计算得,圆形内闷板截面任一点切应力=32.59 MPa≤[σ]=120 MPa。

4 试验控制及结果

4.1 试验过程

根据设计,魏楼水库PCCP引水管水压试验应当按照预试验阶段和主试验阶段分次进行。在第一个阶段,必须先将管道内水压缓缓升高,待其达到设计试验压力后稳压持续1/2 h,若在此过程中出现压力下降或压力波动等情况,则应立即注水补压,但不能超出设计试验压力,并检查引水管道是否存在损坏、漏水等情况,若有则应立即停止试压。在主试验阶段,必须暂停注水过程并同时补充压力至设计压力值后稳压持续1/4 h,如果不发生压力下降或压力波动等现象,则应将试压压力降至0.8 MPa的工作压力,保持恒压1/2 h后目测是否存在漏水。水压试验排气管设置在DN3600 管向上的DN300 喇叭排气口处,双泵验表和放透气阀门设置在封头临时人孔上。

魏楼水库PCCP引水管水压试验具体操作时,先在管道内注满水浸泡至少24 h,并安排技术人员观察。待电气设备、高压泵、透气阀门等均安装无误后将2 英寸管路及泵表管路阀门全部打开。透气操作的过程中应通过对放气阀门进行控制以达到排气的目的,并等到引水管道内排出完全不含气泡且流速流量均匀的水流时将放气阀门彻底关闭。从0.1 MPa~1.3 MPa划分为六级并按照0.2 MPa/级的要求升压,并实时检查管身及接口处,不存在异常后继续升压,直至试验压力后将前两个阀门关闭并保压观察。将1.3 MPa的试验压力降至0 MPa后保持1/4 h,此后再将0.8 MPa的试验压力降至0 MPa后保持1/2 h,则泵验合格。

4.2 试验中注意的问题

引水压力管道进水完成后便开始预试验操作,考虑到本供水工程管线长、管径大,所以需要的进水加压、排气过程较长,打开排气阀放气的时间间隔要求具体为5 min~10 min,等到排出水柱状态稳定形状均匀,同时弹簧表指针不再抖动情况下结束放气过程。泵验过程中如果存在连接件渗水等问题,必须立即停止泵验,降压后紧固或更换处理,无误后再泵验。

4.3 主水压试验结果

魏楼水库PCCP引水管水压试验过程中DN3600 mm试验段主水压试验结果见表1,该试验段试验过程耗水量9088.94 m3,根据试验结果,水压试验符合规范要求,施工质量有保证。

表1 主水压试验结果汇总

5 结论

综上所述,魏楼水库PCCP引水管水压试验过程中,初次加压前排气环节控制至关重要,预试验初次加压时必须保证各排气阀充分排气,直至弹簧表指针恢复稳定状态且排气阀中所排出的水柱连续稳定为止。加压过程中如遇连接件渗漏,则必须立即降压至0 MPa后进行渗水部位加固补强处理。考虑到引水管距离较长,为避免充水后发生管段下沉,对焊缝造成破坏性应力,应在管段下方增设支墩。本文分析可为类似供引水工程长距离PCCP引水管道水压试验设计具有借鉴参考意义。