魏樓水庫(kù)PCCP引水管道水壓試驗(yàn)問(wèn)題探討

郝紅新

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，山西 南昌 330200)

0 引 言

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，當(dāng)供引水管道工作壓力超出0.1MPa時(shí)必須采用水壓試驗(yàn)法進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及密封嚴(yán)密性等的試驗(yàn)，就試驗(yàn)方法而言，應(yīng)對(duì)1km長(zhǎng)度以?xún)?nèi)試驗(yàn)管段注滿(mǎn)水，并在不超出工作壓力的試驗(yàn)條件下充分浸泡，管徑在1000mm以?xún)?nèi)時(shí)浸泡至少48h，管徑在1000mm以上時(shí)浸泡至少72h，再通過(guò)高壓泵向管道充壓；管道工作壓力在0.6MPa以下時(shí)試驗(yàn)壓力應(yīng)為工作壓力的1.5倍，當(dāng)管道工作壓力在0.6MPa以上時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)為工作壓力+0.3MPa，恒壓10min后檢查管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。進(jìn)行管道滲水量測(cè)定的嚴(yán)密性試驗(yàn)耗水量大，對(duì)后背承載力有較高要求，還需要堵頭制作、后背加固、管道注水、沖壓等輔助性環(huán)節(jié)，無(wú)形中增大了管道水壓試驗(yàn)成本，對(duì)于水資源匱乏的地區(qū)并不適用。為此，文章針對(duì)魏樓水庫(kù)PCCP引水管道管材實(shí)際情況進(jìn)行了試驗(yàn)方法的改進(jìn)，僅進(jìn)行管道接頭嚴(yán)密性試驗(yàn)，既能保證管道驗(yàn)收中水壓試驗(yàn)順利進(jìn)行，又能簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程，降低試驗(yàn)成本。

1 工程背景

魏樓水庫(kù)主要擔(dān)負(fù)著規(guī)劃年向菏澤市區(qū)主城區(qū)等區(qū)域164.66×104人提供生活飲用水、灌溉、防洪蓄水等任務(wù)。水庫(kù)永久性占地面積206.88hm2，總庫(kù)容1560×104m3。水庫(kù)主要包括圍壩、泵站、涵洞、輸水管道等水工建筑物。防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容1560×104m3，死庫(kù)容215×104m3、調(diào)節(jié)庫(kù)容1345×104m3，入庫(kù)泵站流量為9.0m3/s，規(guī)劃年入庫(kù)水量6663×104m3，供水規(guī)模16.02×104m3/d，供水量5848×104m3/a等。魏樓水庫(kù)輸水管道主要采用直徑2000mm的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土(PCCP)管，PCCP管主要由預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼筒、混凝土等復(fù)合材料所構(gòu)成，預(yù)應(yīng)力鋼絲環(huán)向纏繞在帶鋼筒混凝土管芯上，并在外部施噴水泥砂漿保護(hù)層，PCCP管節(jié)段之間通過(guò)帶承插口鋼環(huán)的柔性接頭銜接，接頭密封可靠性有保證。在管道工程施工結(jié)束后，采用管道水壓試驗(yàn)對(duì)該水庫(kù)PCCP壓力輸水管道及所包含的各類(lèi)管件、閥門(mén)件、鎮(zhèn)墩等水工建筑物設(shè)計(jì)方案的合理性、施工安裝質(zhì)量的綜合檢查以及管道各建筑物在正常供水狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及水密性驗(yàn)證。

2 水壓試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，魏樓水庫(kù)PCCP引水管道正常工作壓力0.8MPa，按照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》相關(guān)要求，工作壓力>0.1MPa必須進(jìn)行管道水壓試驗(yàn)，且試驗(yàn)壓力應(yīng)為1.3MPa[1]。根據(jù)魏樓水庫(kù)PCCP引水管道取水現(xiàn)狀、頂管標(biāo)高，應(yīng)用泵驗(yàn)放氣原理并結(jié)合標(biāo)段設(shè)計(jì)圖管道輔助設(shè)備及位置，在雙向水壓試驗(yàn)區(qū)設(shè)置2個(gè)水壓試驗(yàn)段，各試驗(yàn)段又劃分為南線(xiàn)和北線(xiàn)，故共進(jìn)行4次水壓試驗(yàn)。第1泵驗(yàn)段南北線(xiàn)長(zhǎng)度分別為1346.24m和1344.03m，第2泵驗(yàn)段南北線(xiàn)長(zhǎng)度分別為886.7m和880.9m。

3 封頭和內(nèi)悶板設(shè)計(jì)

3.1 封頭設(shè)計(jì)

魏樓水庫(kù)PCCP引水管水壓試驗(yàn)采用密閉性試驗(yàn)形式，故應(yīng)在試驗(yàn)管道兩端設(shè)置封頭，具體包括橢圓形和內(nèi)悶板2種形式。其中橢圓形封頭為單向形式，而內(nèi)悶板為雙向，可供兩個(gè)試驗(yàn)段同時(shí)使用。通過(guò)工期協(xié)調(diào)，四段水壓試驗(yàn)段共設(shè)置3個(gè)橢圓形封頭和2個(gè)內(nèi)悶板。

(1)

橢圓形封頭允許工作壓力最大值為：

(2)

式中：K為封頭凹面受壓時(shí)形狀系數(shù)；D1為封頭內(nèi)直徑，mm，取3600mm；h1為封頭曲面深，mm，取900mm；[pω]為封頭允許工作壓力最大值，MPa，取2.124MPa；[σ]t為試驗(yàn)溫度下封頭材料許用應(yīng)力，MPa，根據(jù)規(guī)范取113MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，雙面焊對(duì)接接頭取1；δe為封頭厚度，mm，取34mm。

將相關(guān)參數(shù)取值帶入式(1)-(2)可以得出，魏樓水庫(kù)PCCP引水管水壓試驗(yàn)橢圓形封頭形狀系數(shù)K為1，允許工作壓力最大值為2.124MPa>1.3MPa，所以水庫(kù)PCCP引水管水壓試驗(yàn)過(guò)程中所采用的橢圓形封頭完全可以承載試驗(yàn)壓力。橢圓形封頭結(jié)構(gòu)形式示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 橢圓形封頭結(jié)構(gòu)形式示意圖

3.2 內(nèi)悶板設(shè)計(jì)

內(nèi)悶板結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖2。以?xún)?nèi)悶板結(jié)構(gòu)整體構(gòu)建受力模型，并將其簡(jiǎn)化為邊界固定型彈性薄板后進(jìn)行受力情況分析，內(nèi)悶板結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化模型，見(jiàn)圖3。

圖2 內(nèi)悶板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 內(nèi)悶板結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化模型

將圓形內(nèi)悶板所承受荷載簡(jiǎn)化為均布荷載，并以中點(diǎn)荷載為平均荷載，即q0=1.3MPa。

3.3 拉壓應(yīng)力及剪應(yīng)力驗(yàn)算

由于圓形內(nèi)悶板中心為最大彎矩出現(xiàn)位置，根據(jù)彈性薄板理論，圓形內(nèi)悶板單位寬度所承受的彎矩的計(jì)算公式為：

(3)

式中：r為封頭半徑，mm，取1800mm。

所以，對(duì)于剛?cè)雽W(xué)的高一新生，用任命制選出的班干部往往存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。除了任命前做好調(diào)查、觀察、儲(chǔ)備、造勢(shì)外，還應(yīng)設(shè)定一個(gè)考核期，給普通同學(xué)、班干部多一個(gè)看清自己的機(jī)會(huì)，如此一來(lái)，才能選取出那些各方面素質(zhì)都比較突出的學(xué)生組成班委。接下來(lái)的工作，當(dāng)然還應(yīng)對(duì)班干部的思想和工作流程不斷的進(jìn)行培訓(xùn)和鍛煉，幫助他們?cè)诎鄡?nèi)樹(shù)立威信，提高他們的集體觀和工作能力。

則寬300mm的圓形內(nèi)悶板所承受的彎矩為：0.3m*526500N=157950N·m。

最大拉應(yīng)力為：

(4)

式中：Wzmax為圓形內(nèi)悶板彎曲截面系數(shù)最大值，取2388.05×103mm3。則最大拉應(yīng)力σmax1=66.14MPa≤[σ]-=205MPa。

最大壓應(yīng)力為：

(5)

式中：Wzmin為圓形內(nèi)悶板彎曲截面系數(shù)最小值，取1053.37×103mm3。則最大壓應(yīng)力σmax2為149.947MPa≤[σ]+=205MPa。

圓形內(nèi)悶板單位寬度所承受的最大剪應(yīng)力按下式確定：

(6)

則寬300mm的圓形內(nèi)悶板所承受的剪應(yīng)力為：300*1170N/mm=351000N。

圓形內(nèi)悶板截面任一點(diǎn)切應(yīng)力按下式確定：

(7)

式中：τ為圓形內(nèi)悶板截面任一點(diǎn)切應(yīng)力；Sz為截面面積對(duì)中性軸的靜矩，mm3，取1025.8×103mm3；b為截面寬，mm；Iz為截面對(duì)中性軸的慣性矩，mm3，取32493.01×104mm3。

經(jīng)計(jì)算得，圓形內(nèi)悶板截面任一點(diǎn)切應(yīng)力τ=32.59MPa≤[τ]=120MPa。

4 試驗(yàn)控制及結(jié)果

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)設(shè)計(jì)，魏樓水庫(kù)PCCP引水管水壓試驗(yàn)分為預(yù)試驗(yàn)和主試驗(yàn)兩個(gè)階段。在預(yù)試驗(yàn)階段，將管道內(nèi)水壓緩慢升高至試驗(yàn)壓力后穩(wěn)壓1/2h，如果在穩(wěn)壓過(guò)程中發(fā)生壓力下降，則應(yīng)立即注水補(bǔ)壓，但不能超出設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力，并檢查引水管道是否存在損壞、漏水等情況，若有則應(yīng)立即停止試壓。在主試驗(yàn)階段，應(yīng)停止注水并補(bǔ)壓至設(shè)計(jì)值后穩(wěn)壓1/4h，若此期間無(wú)壓力下降，則應(yīng)將試壓壓力將至0.8MPa的工作壓力，保持恒壓1/2h后目測(cè)是否存在漏水等情況，若無(wú)，則水壓試驗(yàn)合格。

水壓試驗(yàn)所需設(shè)備包括1臺(tái)11.5kW七級(jí)離心泵，2inch閥門(mén)和輔助2inch進(jìn)水管道，1inch閥門(mén)和1inch排氣管道，4塊精度至少1.5級(jí)、量程最大為2.5MPa、表盤(pán)直徑≥150mm的彈簧壓力表。水壓試驗(yàn)排氣管設(shè)置在DN3600管向上的DN300喇叭排氣口處，雙泵驗(yàn)表和放透氣閥門(mén)設(shè)置在封頭臨時(shí)人孔上。

魏樓水庫(kù)PCCP引水管水壓試驗(yàn)具體操作時(shí)，先在管道內(nèi)注滿(mǎn)水浸泡至少24h，并安排技術(shù)人員觀察。待電氣設(shè)備、高壓泵、透氣閥門(mén)等均安裝無(wú)誤后將2inch管路及泵表管路閥門(mén)全部打開(kāi)。透氣時(shí)通過(guò)控制放氣閥門(mén)排氣，待管道內(nèi)所排出的水流不含氣泡且連續(xù)均勻后關(guān)閉放氣閥門(mén)。從0.1-1.3MPa劃分為六級(jí)并按照0.2MPa/級(jí)的要求升壓，并實(shí)時(shí)檢查管身及接口處，不存在異常后繼續(xù)升壓，直至試驗(yàn)壓力后將前2個(gè)閥門(mén)關(guān)閉并保壓觀察。將1.3MPa的試驗(yàn)壓力降至0MPa后保持1/4h，此后再將0.8MPa的試驗(yàn)壓力降至0MPa后保持1/2h，則泵驗(yàn)合格。開(kāi)啟放氣閥門(mén)后卸壓為零，最后打開(kāi)臨時(shí)人孔蓋板抽排水。

4.2 試驗(yàn)中注意的問(wèn)題

預(yù)試驗(yàn)在結(jié)束管道進(jìn)水后進(jìn)行，由于進(jìn)水加壓、排氣過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，應(yīng)按5-10min的時(shí)間間隔打開(kāi)排氣閥放氣，直至所排出水柱穩(wěn)定均勻且彈簧表指針?lè)€(wěn)定后結(jié)束。永久人孔、臨時(shí)人孔、排水管及排氣管等支管均采用法蘭、蓋板及5mm石棉橡膠板密封圈封閉，按照設(shè)計(jì)要求，閥門(mén)、伸縮節(jié)等附屬設(shè)施不進(jìn)行壓水試驗(yàn)。泵驗(yàn)過(guò)程中如果存在連接件滲水等問(wèn)題，必須立即停止泵驗(yàn)，降壓后緊固或更換處理，無(wú)誤后再泵驗(yàn)。

4.3 主水壓試驗(yàn)結(jié)果

魏樓水庫(kù)PCCP引水管水壓試驗(yàn)過(guò)程中DN3600mm試驗(yàn)段主水壓試驗(yàn)結(jié)果，主水壓試驗(yàn)結(jié)果匯總，見(jiàn)表1。該試驗(yàn)段試驗(yàn)過(guò)程耗水量9088.94m3，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，水壓試驗(yàn)符合規(guī)范要求，施工質(zhì)量有保證。

表1 主水壓試驗(yàn)結(jié)果匯總

5 結(jié) 論

綜上所述，魏樓水庫(kù)PCCP引水管水壓試驗(yàn)過(guò)程中，初次加壓前排氣環(huán)節(jié)控制至關(guān)重要，預(yù)試驗(yàn)初次加壓時(shí)必須保證各排氣閥充分排氣，直至彈簧表指針恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)且排氣閥中所排出的水柱連續(xù)穩(wěn)定為止。加壓過(guò)程中如遇連接件滲漏，則必須立即降壓至0MPa后進(jìn)行滲水部位加固補(bǔ)強(qiáng)處理?？紤]到引水管距離較長(zhǎng)，為避免充水后發(fā)生管段下沉，對(duì)焊縫造成破壞性應(yīng)力，應(yīng)在管段下方增設(shè)支墩。文章分析為類(lèi)似供引水工程長(zhǎng)距離PCCP引水管道水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有借鑒參考意義。