长距离输水管道水压试验方法及验收标准探析

2022-12-28马志华

水利建设与管理 2022年10期

马志华

(河南省水利第一工程局集团有限公司，河南郑州 450000)

目前，我国长距离输水管道工程水压试验方法和验收标准参照的规范是《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)[1]。但其中个别条款不适合长距离输水管道工程水压试验，例如9.1.1条第1项规定：“压力管道应按本规范第9.2节的规定进行压力管道水压试验，试验分为预试验和主试验阶段；试验合格的判定依据分为允许压力降值和允许渗水量值，按设计要求确定；设计无要求时，应根据工程实际情况，选用其中一项值或同时采用两项值作为试验合格的最终判定依据”；9.1.9条规定：“管道的试验长度除本规范规定和设计另有要求外，压力管道水压试验的管段长度不宜大于1.0km”；9.2.5条第2项规定：“水泵、压力计应安装在试验段的两端部与管道轴线相垂直的支管上”；9.2.7条规定管道安装检查合格后即可进行回填土施工，管道顶部回填土留出接口位置；9.2.8条第2项规定：“试验管段不得用闸阀做堵板，不得含有消火栓、水锤消除器、安全阀等附件”。

针对长距离输水管道工程战线长、口径大、工况复杂的特点，笔者结合南水北调登封供水工程水压试验实例，通过对水压试验方法和验收标准进行探讨和分析，试图提出修改现行规范相关条款的一些建议。

1 工程概况

南水北调登封市供水配套一期工程位于河南省境内, 南水北调中线16号口门位于河南省禹州市火龙镇任坡村。从南水北调中线总干渠16号口门引水至河南省登封市告成镇白沙饮水一级泵站前池，管线全长33.5km，管线最大高差137m。

泵站至3+000、河道穿越、道路穿越及联通阀管线为双排涂塑复合钢管，管道材质为Q345C，管径1000mm，管壁厚14mm；其余均为双排球墨铸铁管，1000mm，检修阀选用PN25双向密封蝶阀。全线管道设计工作压力为1.5MPa，试验压力为2.0MPa。

2 水压试验总体方案

2.1 准备工作

根据阀井设计位置和现场交通实际情况，管线共划分六个试验段，试验段长度平均5km；选用两个相同型号的压力计，分别安装在试验段两端附近的排气阀下方的定制短管上；管道安装后及时按照设计进行土方回填至原始地面，检查管道附件及管道附属设施，最后进行整体水压试验。

在试验段一端的检修空气阀井内，将空气阀卸掉，临时替换上定制的试压盲板，经过球阀后用压力软管引到井外，与加压泵连接。

2.2 充水及排水

为能够重复利用充水试压段内的试压用水，按管线地势，从高到低依次充水试压，每段试压完成后，开启两端检修阀，让水自流到下一个试验段，直至试压结束；试压结束(或中间维修)需要全部排空管内存水时，从试验段放空阀排出。

2.3 试压

为减小检修阀的单向受力，将试验段及其上下游相邻试验段充满水并加压至1MPa(试验压力的50%)，测算管腔内存空气量并采取排气措施；然后将试验段两端的检修阀关闭，并作为试验段的两端靠背继续升压工作。

当压力升至1.5MPa(工作压力)时，开始分级升压；压力升至2.0MPa(试验压力)，必要时进行压力值修正；稳压15min后，当压力降值小于0.03MPa(GB 50268—2008规定的球墨铸铁管压力降允许值)时，即判定试压合格。

3 水压试验方法探讨

3.1 水压试验段长度划分

长距离输水管道工程一般是指管线长度超过10km的供水、引水工程。GB 50268—2008规定，为便于试验操作，压力管道水压试验的试验段长度不宜大于1.0km。

但是，长距离输水管道的工程特点是口径大，沿途地形复杂，试压段长度过短，不仅所需封堵费用高，而且管道合拢接头多，施工安装难度大；反之，如果水压试验的管段过长，则管道试验压力受管腔内存气量的影响较大，并且不便于操作，而且一旦出现异常情况，应急处理成本反而增大[2]。

根据检修阀的设计参数，符合条件的检修阀可做试压堵板[3]，试压段的最小长度应根据检修阀井之间的距离确定。检修阀井布置考虑了输水系统的排水分水功能、管道分段检修及排水时间等因素，宜每3～10km设置为一个试压段[4]。

3.2 压力表安装位置对试验压力的影响

长距离输水管道水压试验一般利用检修阀门作为靠背，试验段的两端是双向密封蝶阀。如果在阀门附近的主管道上开孔安装水泵或压力计，势必影响管道系统的强度和耐久性。所以，应采用定制的连接件，将压力表安装在容易拆卸的阀件上。

由于水具有很小的压缩性，即可认为管腔内液体是一种毫无空隙的连续体，在管道内没有空气的情况下，管路系统的压力波传递速度略小于声速[5]。假设试验段的长度为10km，从管道一端加压，在有少量空气的情况下，压力波传递到另一端所需的时间不足60s。所以，当试压段长度小于10km时，由于压力传递时差造成的压降(GB 50268—2008规定稳压测定时间15min)偏差可以忽略。

但是，管腔内不可避免地存有少量空气，使流体的体积弹性模量降低，从而降低压力波传递速度；长距离输水管道本身是弹性体，管道升压时，管壁会发生膨胀，压力波传递速度降低。所以，当管道试压段过长时，在同一时刻，安装在不同位置的压力表读数存在一定的误差。

3.3 管道顶部土方回填对管道的影响

随着球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管等承插口类型的管道接口质量不断提高，单口打压[6]合格率接近100%，管线漏水大多是由于管道安装后土方回填机械扰动破坏造成的，包括挖掘机械对管身的碰撞破口或碾压机械过重造成的管口椭圆渗漏；对于长距离钢质管道来说，大量的管道接口外露，水温随着外部环境温度的变化而变化。

管道土方回填前进行水压试验，不但水温变化会影响试验结果，而且试验结果不能代表管道工作状态下(回填土达到设计覆土深度)系统的质量情况。所以试压试验宜在土方回填完成后进行整体试验。

4 水压试验验收标准分析

4.1 渗水量与降压的关系

进行管道水压试验时，管腔内充满水以后，仍要继续向管腔内注水，才能在管腔内产生水压直至达到试验压力，所以就需要向管道内增补水量；反之，试验段泄压时，就需要排出或渗漏出这些水量。以登封供水工程为例，管材为K12球墨铸铁管，管道内径1m，公称壁厚0.018m，试验段长度为10km，由于压降所泄出的水量按式(1)[7]计算：

ΔV=VΔP(1/Ew+Di/enEp)

(1)

式中：ΔV为升压所增加的水量,L；V为试压管段总容积,L；ΔP为升压量,MPa；Ew为水的体积模量,MPa；Di为管材内径, m；en为管材公称壁厚, m；Ep为管材弹性模量,MPa。

由计算得出：在管道试压时就可以推算出15min时降压值为0.03MPa，渗水量为1.3L/(min·km)，GB 50268—2008表9.2.11允许渗水量为3.0 L/(min·km)。经过对比可以看出，在不考虑内存空气和水温变化的影响时，管道水压试验的允许压力降标准值相对允许渗水量值标准严格；管道水压试验的压力降和渗漏量成线性关系，试压分段长度对管道水压试验验收标准没有影响。

4.2 管道内存空气对压力降的影响

长距离输水管道试压段长度宜划分为1～10km，中间设计排气阀。但在设计管线坡度比较平缓的管道工程中，由于施工误差极容易形成反坡，导致充水时管顶最高点存气且不能有效排除，压力试验时需要对压力降数值进行修正。见式(2)：

ΔW=Q[1/(P1+1)-1/(P2+1)]

(2)

式中：ΔW为由于管道内残余空气，需要向管道内多增补的水量, L；Q为管道内残余空气体积, L；P1为测量初始压力, kgf/cm2；P2为测量结束压力, kgf/cm2。

根据式(1)可以画出P-V理论曲线[8]，根据现场实际渗漏测量值画出实际P-V曲线，经过P-V理论曲线和P-V实际曲线对比，可以及时发现管道是否有泄漏或管道中是否存有大量的空气；根据式(2)，按照向管腔内注入水量的多少可以计算管腔内存有多少空气。

以5km长DN1000球墨铸铁管为例，在管腔内没有空气的情况下，稳压15min后，压降0.3 kgf/cm2，根据式(1)计算可知渗水量为1.3L/(min·km)，泄漏总量为97.5L；在管腔内存有1%空气的情况下，压降0.3 kgf/cm2，根据式(2)可以计算出因内存空气增加的渗水量为102L，泄漏总量为97.5+102=199.5L。

根据以上计算结果可以看出，当管道内存有大量空气时，由于空气容易被压缩，致使升压时需要另外注入大量的水，造成升压过程比较缓慢，稳压时达到相同的压降值所需要的时间相对延长[9]。