浅谈北疆某管道工程管道壁厚设计的控制要点

翟 钦

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 引言

北疆供水管道工程全长5.9 km,管径为DN1400 mm,大部分横穿戈壁沙漠,干旱少雨,冬季寒冷,地势高差较大。高水头长距离输水管道中钢管壁厚的选择是水利工程常见的工程难题。在管道运行管理过程中多种特殊情况产生的水锤及管道负压会对输水管道的安全运行带来巨大隐患,本文结合北疆供水管道工程的实例,建立水锤分析模型,对泵站事故停泵,管线内部水锤压力情况进行模拟,确定推荐水锤防护措施下管线水锤压力,通过锅炉公式确定管道壁厚。阐述长距离输水管道壁厚设计的质量控制要点。

2 工程概况

北疆某管道工程工程设计内容包括新建5.89 km管线及其构筑物,调节池及配套管线两部分,管线远期输水量达到20×104m3/d。管道按每天16 h运行,输水流量为3.47 m3/s。调节池设计容积为4.5万m3。输水管道由于流速发生剧烈变化而引起动量转换,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,即水锤现象,其水锤危害必须引起高度重视。本工程突然停泵,使管道压力增加,若排气不畅,由于气阻可能产生爆管；关阀时间控制不当,有可能使水锤压力增大。根据综合比选,供水管道管材选用钢管。管线从新建泵房处取水,末端接入新建调节池,管线全长5.9 km。钢管钢材采用Q235 B,管壁选用厚度为16.0 mm及18.0 mm两种。

3 供水管线水锤计算

3.1 水锤计算方法

（1）水锤计算特征线法

本工程水锤的计算是对整个工程抽水系统进行计算分析,包括管道内点、泵装置中的各部分（边界点）。在水锤计算中,管道系统内点的计算是求解水锤基本方程,即由运动方程和连续性方程组成的双曲型偏微分方程组[1]。

由式（1）和式（2）进行有限差分近似,可以得到对应于图1所示的水锤离散特征线方程：

图1 水锤计算特征线

解上述方程可得：

或

（2）压力变化计算公式一一儒科夫斯基方程：

式中：ΔH为压力变化量,m;c为波速,m/s；g为重力加速度,m/s2;ΔV为流速的变化量,m/s。

（3）波速计算公式：

式中：c为水锤传播速度；K为介质体积弹性模量,单位Pa；ρ为介质密度,kg/m3；E为管道的杨氏弹性模量,MPa；无量纲纲参数,其中,其中：D为管道内径（m）,δ为管道壁厚（mm）。经过计算水锤传播速度C=1098 m/s。

根据对上部管线不同工况下,进行水锤分析,分析稳态工况、事故工况及其他工况下管道及水泵运行的情况、水力坡度线以及管道内压力变化曲线。本工程在有弥合性水锤预防阀的情况下,管道内压力变化不大,无气化现象。

3.2 无防护措施事故停泵

图2是在设计工况时,无水锤防护措施,4台机组事故停机过渡过程的管路系统的压力包络线,最大压力196 m,出现在泵站出口处。最小压力-8 m,管线出现多处汽化。

图2 压力包络线

3.3 事故停泵-弥合性水锤预防阀-关阀

图3是在设计工况时,原定弥合性水锤预防阀防护,4台机组事故停机过渡过程的管路系统的压力包络线,最大压力196 m,出现在泵站出口处。最小压力-8 m,管线出现多处汽化,计算结果表明此方案需要调整[2]。

图3 压力包络线

弥合性水锤预防阀桩号：

0+560,1+050,1+650,2+400,3+150,3+950,4+600,5+200,5+600共9 个。

3.4 事故停泵-弥合性水锤预防阀-不关阀

由计算结果,设计水锤防护措施,桩号1+900,2+250,2+525,2+750,2+950,3+132,3+332,3+494,3+693,3+950,4+550共计11 处安装注气微排阀,每处两台,采用牛角布置,阀门进气口径为250 mm,排气口径8 mm。

在防护措施下,机组在不关阀的事故停泵过渡过程中,如图4 为管路系统的压力包络线,压力最高点在水泵出口处,最大压力为192.528 m,见图5；压力最低点在桩号3+624 处,最小压力为-4.70 m,见图6。整个管道无汽化现象。

图4 压力包络线

图5 压力最高点压力随时间变化曲线

图6 压力最低点压力随时间变化曲线

如图7 泵转速和出口流量随时间变化图,事故停泵后14.8 s后开始倒转,泵的最大倒转速度为22.4 r/s,未超过水泵额定转速,事故停泵后9.4 s后开始倒流,最大倒转流量为0.58 m3/s。

图7 泵转速和出口流量随时间变化曲线

3.5 事故停泵-弥合性水锤预防阀

事故停泵水锤的防护措施除采用3.4 工况中安装的11 个注气微排阀,还对管线中安装的多功能水泵控制阀、主管调流阀和支路中的液控半球阀进行联合关阀操作。方案二为：多功能水泵控制阀采用两阶段关阀,在事故停泵后9.4 s内快速关闭阀门的90%开度,在接下来的47 s后缓慢全关；主管调流阀维持稳态时的开度；对支管的半球阀要求在停泵后180 s内将阀门由全开关至全关。

图8 是防护措施下管路系统的压力包络线。压力最高点在水泵出口处,最大压力为192.528 m,见图9。压力最低点在桩号3+628处,最小压力为-4.71 m,见图10。整个管道无汽化现象,建议采用此关阀方案。

图8 压力包络线

图9 压力最高点压力随时间变化曲线

图10 压力最低点压力随时间变化曲线

如图11 泵转速和出口流量随时间变化图,由图可得泵的最大倒转速度16.4 r/s,未超过水泵额定转速,最大倒转流量为0.47 m3/s。如图12 主管调流阀进口压力随时间变化曲线,可得调流阀在300 s后,压力相对平稳。

图11 泵转速和出口流量随时间变化曲线

图12 主管调流阀进口压力随时间变化曲线

4 供水管线壁厚计算

管壁厚度按管壁承受内水压力的锅炉公式：

式中：Po为直径向均布压力,N/mm2；r为钢管（钢衬）内半径,mm；to为钢管（钢衬）管壁计算厚度,mm。

式中：P为均匀内水压力,N/mm2；r1为钢管内半径,mm；

为焊缝系数；[σ]为钢管材料的允许应力；管壁厚度应比计算值至少增加2 mm,对泥沙磨损、腐蚀较严重的钢管,应专门论证。

由于地处严寒地区。根据《工业金属管道设计规范》（GB 50316-2000）,本工程钢材采用Q235 C钢,允许应力[σ]按规范降低33%,焊缝系数 取0.9。

通过供水管线水锤计算结果可以得出本工程在水锤防护措施全部启用时最大水锤压力为192.528 m；水锤防护措施全部失效时最大水锤压力为196 m。故本次管道壁厚计算水锤压力选用为200 m。

管壁厚度的计算,见表1。

表1 管道结构计算

5 总结

通过对本工程水锤工况计算分析,以及充分考虑当地自然环境,水质情况,基本确定管道设计壁厚的选用,满足了承压要求。主要总结如下：

（1）本工程防护措施采用弥合性水锤预防阀,具体桩号如下：1+900,2+250,2+525,2+750,2+950,3+132,3+332,3+494,3+693,3+950,4+550 共计11 处,每处两台,采用牛角布置,阀门进气口径为250 mm,排气口径8 mm；按照相关设计标准的规定,考虑到充水过程及正常工作中排气的需要,主管间隔800 m～1000 m左右安装一个进排气阀。

（2）主管选用材质为Q235 C的DN1400 螺旋缝焊接钢管,壁厚16 mm。

6 结论

本文依托北疆某供水系统工程,探讨严寒地区长距离高水头管道壁厚选择问题,以管道不同水锤防范措施下水锤计算为基础,进行了详细阐述,在众多水锤防范措施中选择出适合本工程的水锤预防措施,同时给出了高水头长距离管道壁厚选择的一整套流程和方法,具有较强的工程指导意义。