王 帥 王慶國(guó)

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610200)

0 引言

市政供水系統(tǒng)是維持城市正常生活、生產(chǎn)秩序的生命線，也是公共安全的重要保障。城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)的運(yùn)行可靠與否，同城鄉(xiāng)人民的生活、工作、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)方面息息相關(guān)[1，2]。管道爆管事件的發(fā)生，不僅造成水源浪費(fèi)，供水中斷，道路被沖，影響交通，直接影響供水企業(yè)和用戶的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)責(zé)任單位也將面臨嚴(yán)重的信譽(yù)危機(jī)。因此，市政供水系統(tǒng)的爆管研究具有非常重要的社會(huì)，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。

本文通過總結(jié)現(xiàn)有資料，從溫度變化、管段年齡、管路銹蝕和管材這四個(gè)方面對(duì)給水管網(wǎng)突發(fā)性爆管問題進(jìn)行探討，并在此基礎(chǔ)上提出改善策略。

1 爆管原因分析

1.1 氣溫變動(dòng)與爆管

溫度是能夠促發(fā)給水管網(wǎng)突發(fā)性爆管的一個(gè)主要原因，且通常來講氣溫越低，爆管次數(shù)越多。將我國(guó)某市區(qū)2004年～2006年3年DN400以上管徑的爆管資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[3]，整理得到爆管事故月份分布規(guī)律(見圖1)。發(fā)現(xiàn)從10月份～1月份這四個(gè)寒冷月份的爆管率占全年爆管比例一半，即當(dāng)溫度較低時(shí)爆管發(fā)生率急劇攀升。我國(guó)學(xué)者張玉先[4]、舒青松等[5]對(duì)其進(jìn)行了深入研究，歸結(jié)起來有以下兩點(diǎn):

1)國(guó)內(nèi)常用的市政管材分為兩類:金屬管與非金屬管材。兩種管材線膨脹系數(shù)較大，即溫度每改變1℃，管線的長(zhǎng)度改變量較大，則其因溫度變化而產(chǎn)生的縱向應(yīng)力就越大。而供水管道能承受的各種壓力中，縱向應(yīng)力的損害最大[4]，故而溫度變化易引起爆管。

2)管網(wǎng)的施工季節(jié)，往往是溫度較高的夏季，管線的縱向形變較大。到了冬季環(huán)境溫度和水溫驟然降低，管道縱向就會(huì)收縮，形成一個(gè)極大的縱向拉伸應(yīng)力從而破壞管道[5]。

圖1 爆管發(fā)生月份所占比重

1.2 管路年齡與爆管

大多數(shù)產(chǎn)品的故障率隨時(shí)間的變化曲線形似浴盆，故將故障率曲線稱為浴盆曲線[6]。對(duì)于水管而言也是如此。整個(gè)管段的生命周期可以分為三個(gè)階段:早期故障階段，偶然故障階段及耗損故障階段。

第一階段是安裝后的初期階段，爆管的主要原因是施工與管材質(zhì)量。此時(shí)爆管率較高，一旦發(fā)生爆管，則需修復(fù)。修復(fù)后爆管頻率會(huì)逐漸減少。

第二個(gè)階段是穩(wěn)定階段，管道的運(yùn)作相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)管路進(jìn)入“黃金年齡”，爆管率較低。只有當(dāng)外部載荷過大或某些特殊原因發(fā)生時(shí)，才會(huì)發(fā)生爆管。此時(shí)的爆管常由不堪重負(fù)、水壓變動(dòng)等等外界因素所致。

第三階段是老化階段，因?yàn)楣懿牡乃ダ虾屯嘶?，在這一階段的爆管的頻率顯著增加[7]。

1.3 管路腐蝕與爆管

城市供水管網(wǎng)DN400以上常用金屬管，金屬管由于保護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩匾壮霈F(xiàn)管路腐蝕現(xiàn)象。管路的腐蝕所引起的爆管，主要有以下兩個(gè)因素:

1)金屬管路腐蝕生銹將會(huì)造成管路的承壓能力急劇下降，誘發(fā)爆管事故的發(fā)生;

2)管道一旦發(fā)生局部腐蝕，所受水的壓力分布便處于不均勻狀態(tài)。這種受力不均勻狀態(tài)將會(huì)加速管道腐蝕從而加速穿孔腐蝕速率。伴隨著穿孔腐蝕的發(fā)生發(fā)展這種受力不均勻狀態(tài)漸漸轉(zhuǎn)化為局部的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中越大爆管也就越容易發(fā)生。

1.4 管路材料與爆管

1)鑄鐵管。

目前已有研究證實(shí)[8]，爆管管材中，鑄鐵管居多，鑄鐵發(fā)生爆管時(shí)管齡一般在20年～30年，在鑄鐵管中，以我國(guó)早年使用的連續(xù)澆鑄鑄鐵管爆管事故率最高，其次為直澆灰鑄鐵管、離心澆鑄鑄鐵管，而近幾年采用的球墨鑄鐵管發(fā)生爆管現(xiàn)象極少。

鑄鐵管屬于金屬管道，耐腐蝕性較差?；铱阼T鐵管脆性高，但強(qiáng)度低。且其連接部分為剛性連接，無法承受由于溫度變化、地面沉降以及其他載荷，接口部位極易發(fā)生爆管[9]。同時(shí)，由于我國(guó)早期使用的管道鑄鐵管較多，根據(jù)上述“管路年齡與爆管”的分析，目前很多鑄鐵管極有可能已經(jīng)到達(dá)使用周期的“耗損故障階段”，發(fā)生爆管的可能性較大。這也是鑄鐵管相比其他管材爆管率較高的又一原因。

2)塑料管。

近年來，隨著塑料行業(yè)在國(guó)內(nèi)的蓬勃興起，一批質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的塑料管材已在市場(chǎng)中占有了較高的份額。其中以聚氯乙烯管材(PVC)和聚乙烯管材(PE)在給水管路中應(yīng)用的最廣，目前，國(guó)內(nèi)新建設(shè)給水項(xiàng)目中DN400以下的管道大多數(shù)都采用這兩種管材。

PVC管質(zhì)輕耐用，色澤美觀，光亮平滑，耐老化，使用壽命長(zhǎng)，物化性能優(yōu)良，耐化學(xué)腐蝕，抗沖強(qiáng)度高。因而是一種頗為流行并且也被廣泛應(yīng)用的一種管材。但其也有自身的缺點(diǎn):脆性較大、剛度不夠。在實(shí)際使用過程中，如果未按規(guī)范要求進(jìn)行管路施工，則爆管率大大增加。

PE管擁有良好的衛(wèi)生性能、卓越的耐腐蝕性能、長(zhǎng)久的使用壽命、較好的耐沖擊性、可靠的連接性能、良好的施工性能。近幾年在給水管線設(shè)計(jì)施工中倍受青睞。但PE管采用熱熔或電熔接口，在施工過程中因施工不當(dāng)會(huì)使日后使用過程中爆管幾率大大增加。

2 爆管防治對(duì)策

2.1 改善供水管的制造工藝，合理的選擇，探索新的管型

鑄鐵管是供水管理想的材料。然而，灰口鑄鐵管由于制造過程中的技術(shù)因素，極易產(chǎn)生爆管的危害。因此，建議使用球墨鑄鐵管，因?yàn)樗懈叩睦鞆?qiáng)度，更好的韌性，更耐沖擊，爆管概率極低。

2.2 防止管道溫度應(yīng)力

應(yīng)嚴(yán)格按最新“國(guó)標(biāo)”進(jìn)行設(shè)計(jì)施工以最大限度防止管道溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。同時(shí)，寒冷季節(jié)對(duì)管路進(jìn)行施工調(diào)試的時(shí)候，應(yīng)做好保溫防凍措施。有條件的地區(qū)可以采用氣壓試驗(yàn)。對(duì)于有較大溫度變化的管線，應(yīng)特別注意管段自身形變產(chǎn)生應(yīng)力的消除。

合理設(shè)置管道伸縮節(jié)，避免過大的管道溫度應(yīng)力。

通過對(duì)不同管材的線膨脹系數(shù)分析可知，金屬管(常用鑄鐵管與鍍鋅鋼管)相比非金屬管(常用UPVC)線膨脹系數(shù)要小得多。尤其是鑄鐵管中的球墨鑄鐵管線膨脹系數(shù)是UPVC管的1/7，同時(shí)因溫度產(chǎn)生的應(yīng)力相比其他非金屬管要小得多。所以在因溫度產(chǎn)生管線應(yīng)力較大的片區(qū)，推薦使用球墨鑄鐵管。

2.3 對(duì)管道進(jìn)行日常維護(hù)

時(shí)時(shí)觀察管道的通水特性，加強(qiáng)對(duì)管道的日常維護(hù)。一旦管道通水能力下降，必須馬上采取措施恢復(fù)其正常流量。注意防止金屬管道的腐蝕尤其是穿孔腐蝕的發(fā)生，防止爆管事故的發(fā)生。

3 結(jié)語

城鎮(zhèn)供水突發(fā)性爆管事故嚴(yán)重威脅人民的生產(chǎn)生活，而爆管的發(fā)生又與多種因素密切相關(guān)。但若從管路管段年齡、溫度變化、管路銹蝕以及管材等角度出發(fā)，對(duì)爆管事故進(jìn)行深刻剖析，找出它們的相關(guān)關(guān)系并逐漸形成爆管的防治對(duì)策，控制城市管網(wǎng)的爆管率在一個(gè)較低的范圍也是很有可能的。

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