給水管道水壓試驗中存氣量對試驗的影響分析

劉乃力

0 引言

給水管道是供水系統中最重要的設施，其投資約占供水系統的70%，其質量直接關系到供水安全、供水水質、供水成本等，故其安裝施工的最后一道程序——水壓試驗就顯得尤為重要。

GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗收規范(以下簡稱《規范》)中規定:壓力管道在主試驗階段:1)升壓至試驗壓力，穩定15min，當15min后壓力下降值不超過規范中表9.2.10-2的允許降壓數值時;2)將壓力降低至工作壓力并保持恒壓 30 min，進行外觀檢查若無漏水現象，則水壓試驗合格。

從以上規定可以看出，水壓試驗主要分兩個階段，①階段合格后方可進行②階段試驗，本文著重討論①階段，主要議題是:穩定15m in后，壓降值小于《規范》規定允許值，是否①階段就算合格。《規范》未對管道存氣引起的試壓影響作分析，本文主要對管道存氣的影響加以研究，分析其對工程合格的判定帶來的偏差，進一步探討存氣帶來的工程隱患。

1 議題的提出

本人在多年的供水企業管理中發現，管道試壓經常有這樣的情況:加壓過程極其緩慢，但檢查全線管道卻無明顯漏水現象，停泵后壓力值基本穩定，這大多是管道存氣引起的。

那么，存氣對管道試壓有什么影響，影響多大，補水量與升壓是什么關系。穩定 15m in后壓降值小于《規范》規定的允許值是否說明①階段試壓合格。滲水量與壓降又是什么關系。這些問題從定性上分析似乎并不困難，但要做定量回答就不容易了，有必要對管道存氣做深入細致的分析討論。

2 管道存氣的分析

由于水的壓縮量很小，為了討論方便，本文忽略水在不同壓力下的體積變化。管道作水壓試驗時，管內充滿水以后，還要繼續向管內注水，才能在管內產生水壓和達到要求的壓力，管內水量相應增多了，是由于:1)管壁受水壓而產生封拉壓力，環向伸長，管子的斷面積相應增大，整條管道的容積增加;2)管內的存氣受壓密度增大，也就是體積比原來無壓時縮小了，因而就需要向管內增補水量。相反，管子要降壓時，就必須放出或滲漏掉這些水量。此外，升壓時管道向兩側伸長也能增大容積，增加補水量，但由于受兩端靠背千斤頂控制，其伸長長度可忽略不計，故在本文中也不考慮。以上是定性的分析，下面做定量的計算。

1)管道內沒有氣體時，補水量與升壓的關系:

其中，ΔW為管道水壓試驗升壓P(kgf/cm2)時需增補的水量;D1為管道內徑，cm;T為管道平均壁厚，cm;L為管道長度，m; E為管材的彈性模量，kg/cm2，取0.9×106;β為水的壓縮系數，kgf/cm2，這里取0。

下面以DN 400球磨鑄鐵管為例，計算每升壓1 kgf/cm2時補水量ΔW的值以及ΔW占總水量 W的比例。設管道長度 1 km，DN400球磨鑄鐵管內徑為D1=403mm，平均厚度T=12mm，代入式(1)可以計算出ΔW=5 L，而不難算出管道容積W=12 724 L，ΔW占W的比例為0.000 385(0.038 5%)。ΔW與P成正比，同理可以計算出升壓(或降壓)0.3 kgf/cm2時(該數值是2008版《規范》規定數值，在老版本中規定是0.5)，ΔW為1.5 L。反過來，在實際試壓中就可以從15min的降壓值P推算出引起壓降的泄漏水量ΔW了。

2)管內存有空氣對試壓的影響。管內存氣是由管線的高程造成的，一般情況下，供水管道基本平行于道路路面、隨道路高低起伏而起伏。任何一處只要兩端都有比它低的地方，這里就可能存氣，成為可能的存氣點。一般設計上在重要的存氣點設置排氣閥，在施工規程中也要求在不能自由排氣的高點設置排氣閥，以排除管內空氣。我們熟悉的氣體的狀態方程如下:

其中，P為氣體絕對壓強;V為氣體體積;T為氣體絕對溫度; K為常數。

根據式(2)可以推導出我們今天的補水量方程:

其中，ΔW為管道水壓試驗時，由于管內存氣，需要向管內多增補的水量，或降壓時，需要多排出或滲漏掉的水量，L;V為管道水壓試驗時，升壓前管內的存氣量，L;P為管道水壓試驗的壓強，kgf/cm2。

根據式(3)計算，1 000 L空氣，水壓試驗加壓到10 kgf/cm2時，被壓縮的體積為909.1 L，空氣體積變為 90.9 L，因此就要比管內沒有空氣時多注入 909.1L水。相反，降壓時必須多排水，同樣可以計算出從10 kgf/cm2降到9.7 kgf/cm2時就要比管內無氣時多滲漏2.6L水。同樣以1 km長DN 400球磨鑄鐵管為例，可以換算出在含氣量達1%時，壓降0.3 kgf/cm2需多滲漏3.3 L水。

3 存在空氣對管道試壓的影響

1)當存有大量空氣時，由于空氣容易被壓縮(10 kgf/cm2時約被壓縮到 1/10)，致使升壓需另外注入大量的水，造成其過程極其緩慢，升壓時間往往是正常情況的數倍乃至更長，這就造成了管道設施長時間處于危險狀態(試驗壓強遠高于工作壓強)，大大增加了安全事故隱患的發生概率，故在升壓前一定要做好排氣工作。

2)我們仍以1 km長DN 400球磨鑄鐵管為例，升至試驗壓力開始計時，沒有空氣的情況下，穩定15min后壓降0.3 kgf/cm2(前面已計算出泄漏量為 1.5 L)①階段試壓合格。同樣是這條管道，若含有1%的空氣，同樣壓降0.3 kgf/cm2的時間就要遠大于15min了(因為滲漏量要達到1.5+3.3=4.8 L時，壓降才會達到0.3 kgf/cm2，而滲漏4.8 L水的時間一定比滲漏1.5 L水的時間長很多)。這樣就引出一個重要的問題:若對一條存有1%空氣的1 km長DN 400球磨鑄鐵管道進行水壓試驗，穩定15min后壓降0.3 kgf/cm2，其水壓試驗結果在表面上似乎符合《規范》中不大于0.3 kgf/cm2的規定，這時①階段試壓是否合格，本人大膽認為其不合格。因為其滲水量約為 4.8 L，換句話說若這條管道中無氣，穩定15min其壓降勢必遠遠大于0.3 kgf/cm2以上(大約在1.0 kgf/cm2)，嚴重超出《規范》規定。雖然上面的計算沒有考慮水受壓的變形(β值)，有一定的誤差，如果將β值考慮進去，還會對計算結果加以修正，但是分析的趨勢和方法是正確的。

由以上分析可以看出，在實際工程中，若不分有氣還是無氣，均套搬《規范》中的15min壓降0.3 kgf/cm2的數值，會把不合格工程當作合格工程驗收。另外，實際工程中的管道不可能一點存氣量也沒有，《規范》中也沒有對存在少量空氣如何判定其合格做具體描述，本人呼吁廣大供水施工及管理工作者能在這方面做更深入探討，并能在行業內達成共識，切實解決管道施工中的水壓試驗問題。

[1] 陳中政.坦桑尼亞供水四期項目長輸管線階段試壓方法[J].山西建筑，2010，36(2):191-192.