郝紅新

（江西贛禹工程建設(shè)有限公司,江西 南昌 330200）

0 引言

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,對(duì)于工作壓力超出0.1 MPa發(fā)供引水管道必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)以檢驗(yàn)管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,并對(duì)管道密封嚴(yán)密程度等作出科學(xué)判斷,通過(guò)以上嚴(yán)密性試驗(yàn)進(jìn)行管道滲水量測(cè)定的過(guò)程耗水量較大,所要求的后背承載力較高,與此同時(shí),還需要完成堵頭制作、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,本文針對(duì)魏樓水庫(kù)PCCP引水管道管材實(shí)際情況進(jìn)行試驗(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206.88 hm2,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50年一遇,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,日供水規(guī)模16.02×104m3,年供水量5848×104m3等。魏樓水庫(kù)輸水管道主要采用直徑2000 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土（PCCP）管,該類(lèi)型管道主要材料包括預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼筒、混凝土等,其中,預(yù)應(yīng)力鋼絲以環(huán)向方式纏繞在鋼筒混凝土管芯外側(cè),在纏緊的預(yù)應(yīng)力鋼絲外部施噴水泥砂漿,起到保護(hù)層的作用,通過(guò)帶承插口鋼環(huán)的柔性接頭等將其管節(jié)段之間牢固銜接,并應(yīng)保證接頭密封的可靠性。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引水管道正常工作時(shí)的管道壓力0.8 MPa,結(jié)合相關(guān)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范的具體規(guī)定,當(dāng)其管段內(nèi)實(shí)際工作壓力比0.1 MPa高時(shí)則管道水壓試驗(yàn)為必須進(jìn)行之項(xiàng)目,并按照1.3 MPa[1]的設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力展開(kāi)試驗(yàn)。結(jié)合魏樓水庫(kù)PCCP引水管道取水水源條件、壓力鋼管設(shè)計(jì)標(biāo)高等參數(shù)實(shí)際取值,借助泵驗(yàn)放氣原理以及已施工標(biāo)段設(shè)計(jì)圖,進(jìn)行管道輔助設(shè)備及準(zhǔn)確試驗(yàn)位置的合理確定,并將2 個(gè)水壓試驗(yàn)段分別設(shè)置在雙向水壓試驗(yàn)區(qū),再進(jìn)一步將試驗(yàn)段分成南線試驗(yàn)段和北線試驗(yàn)段,按照這種劃分后,一共需要完成4 次水壓試驗(yàn)。第一泵驗(yàn)段南北線長(zhǎng)度分別為1346.24 m和1344.03 m,第二泵驗(yàn)段南北線長(zhǎng)度分別為886.7 m和880.9 m。

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,所以必須在試驗(yàn)管道兩個(gè)端頭處分別設(shè)置1 個(gè)封頭,就其型式而言有橢圓形和內(nèi)悶板等。其中橢圓形封頭主要為單向形式設(shè)計(jì),而內(nèi)悶板則為雙向設(shè)計(jì),能夠保證2 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)置三個(gè)橢圓形封頭和兩個(gè)內(nèi)悶板。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,試驗(yàn)水壓壓力1.3 MPa,則泵驗(yàn)過(guò)程中引水管道橫斷面總推力為1320.75 t。泵驗(yàn)管堵主要使用Q235 B型鋼材質(zhì)橢圓形封頭,鋼材實(shí)際厚度34 mm,能承擔(dān)較高壓力,并能重復(fù)使用。根據(jù)相關(guān)規(guī)范中所規(guī)定的泵驗(yàn)管堵橢圓形封頭的有關(guān)計(jì)算要求,當(dāng)對(duì)封頭凹面施加一定壓力時(shí)其形狀系數(shù)[2]應(yīng)按照下式確定：

橢圓形封頭允許工作壓力最大值為：

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,取3600 mm；h1為封頭曲面深,取900 mm； [ pw]為封頭允許工作壓力最大值,取2.124 MPa； 2 [σ]t為試驗(yàn)溫度下封頭材料許用應(yīng)力,根據(jù)規(guī)范取113 MPa；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,取34 mm。

將相關(guān)參數(shù)取值帶入式（1）~式（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)為1,允許工作壓力最大值為2.124 MPa>1.3 MPa,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。

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,具體見(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可按下式計(jì)算：

式中：r為封頭半徑,取1800 mm。

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

最大拉應(yīng)力為：

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=66.14 MPa≤[σ]-=205 MPa。

最大壓應(yīng)力為：

式中：Wzmax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)力為σmax2=149.947 MPa≤[σ]+=205 MPa。

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：

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

圓形內(nèi)悶板截面任一點(diǎn)切應(yīng)力按下式確定：

式中：τ為圓形內(nèi)悶板截面任一點(diǎn)切應(yīng)力；Sz為截面面積與中性軸靜矩,取1025.8×103mm3；b為截面實(shí)際寬度,mm；Iz為截面對(duì)中性軸的慣性矩,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=32.59 MPa≤[σ]=120 MPa。

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)應(yīng)當(dāng)按照預(yù)試驗(yàn)階段和主試驗(yàn)階段分次進(jìn)行。在第一個(gè)階段,必須先將管道內(nèi)水壓緩緩升高,待其達(dá)到設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力后穩(wěn)壓持續(xù)1/2 h,若在此過(guò)程中出現(xiàn)壓力下降或壓力波動(dòng)等情況,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,必須暫停注水過(guò)程并同時(shí)補(bǔ)充壓力至設(shè)計(jì)壓力值后穩(wěn)壓持續(xù)1/4 h,如果不發(fā)生壓力下降或壓力波動(dòng)等現(xiàn)象,則應(yīng)將試壓壓力降至0.8 MPa的工作壓力,保持恒壓1/2 h后目測(cè)是否存在漏水。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24 h,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2 英寸管路及泵表管路閥門(mén)全部打開(kāi)。透氣操作的過(guò)程中應(yīng)通過(guò)對(duì)放氣閥門(mén)進(jìn)行控制以達(dá)到排氣的目的,并等到引水管道內(nèi)排出完全不含氣泡且流速流量均勻的水流時(shí)將放氣閥門(mén)徹底關(guān)閉。從0.1 MPa~1.3 MPa劃分為六級(jí)并按照0.2 MPa/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)壓力后將前兩個(gè)閥門(mén)關(guān)閉并保壓觀察。將1.3 MPa的試驗(yàn)壓力降至0 MPa后保持1/4 h,此后再將0.8 MPa的試驗(yàn)壓力降至0 MPa后保持1/2 h,則泵驗(yàn)合格。

4.2 試驗(yàn)中注意的問(wèn)題

引水壓力管道進(jìn)水完成后便開(kāi)始預(yù)試驗(yàn)操作,考慮到本供水工程管線長(zhǎng)、管徑大,所以需要的進(jìn)水加壓、排氣過(guò)程較長(zhǎng),打開(kāi)排氣閥放氣的時(shí)間間隔要求具體為5 min~10 min,等到排出水柱狀態(tài)穩(wěn)定形狀均勻,同時(shí)彈簧表指針不再抖動(dòng)情況下結(jié)束放氣過(guò)程。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DN3600 mm試驗(yàn)段主水壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,該試驗(yàn)段試驗(yàn)過(guò)程耗水量9088.94 m3,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0 MPa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。本文分析可為類(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。