隧道消防管道爆管產生的原因分析

陳義森

（廈門路橋建設集團有限公司，福建 廈門 361026）

1 隧道消防管網爆管原因分析

隧道消防管網中的氣體主要有2部分，一部分是管網未充滿水時原來存在于管道中的；另一部分則是溶于水中的氣體在流動的過程中不斷地析出的。

當向空的管道內注水時，原來存在于管道中的氣體，尤其是在管道轉折處，由于管阻作用無法迅速傳送而被急劇壓縮，形成短暫的高壓氣體。在運行過程中，高壓氣體會向2個方向釋放壓力，一種是向管道下游傳送，繼續壓縮管道下游氣體，加速排氣裝置的排氣速度，這種壓力傳送在排氣順暢時，不會對管網造成損壞；另一種就是反作用于來自管道上游的水，由于氣體的可壓縮特性，導致水與氣體反復相互沖擊，沖擊力造成管道震顫，震顫程度與注水速度、注水壓力成正比，達到一定程度時就會使管道變形、錯位，直至固定裝置失效，繼而在管道薄弱處發生爆管。

另一方面，溶于水中的氣體，在管道內流動過程中不斷地從水中析出，形成氣泡上升到管壁，氣泡在水的推力作用下順水流向前運動。在管道上坡段，由于浮力的作用，氣泡流速大于水流速，小氣泡沿管壁一定寬度向前平行流動，經過最高點的排氣裝置時，管道內的大部分氣泡有條件排出，由于管壁處的紊流、流速和切線特性，使一些小氣泡越過排氣裝置順坡而行向下游流去，其運動方向與氣泡所受浮力的分力方向相反，這個浮力合力產生的阻力，使氣泡運動的速度減慢，后續氣泡撞擊前面氣泡而形成大氣泡，氣泡越大產生的浮力也越大。隨著氣體越積越多，水的過流截面縮小，氣體被壓縮，產生強大壓能，容易使管道產生跑冒滴漏甚至大面積爆管。

以上2種結果重則可使管道內的氣壓超過管材許用應力臨界點，發生爆管；輕則會使管道出現壓力不穩現象，并造成一系列管道壓力達標的假象，影響正常施工、驗收、運行的判斷。

無論是爆管還是管內壓力不穩，都對消防管網的正常運行帶來極大隱患，并影響到隧道的交通安全，必須準確分析判斷，及時消除。

2 隧道消防網管實例分析

某隧道全長5.02km，隧道內消防管網最高點與最低點高差達130m，隧道外供水管路采用對焊法蘭連接，隧道內采用溝槽式連接，在進行管道試壓與試運行時，先后6次發生因管道內氣體造成的事件，其中比較典型的是因管道內存在氣體造成的壓力不穩和爆管。

2.1 試壓時管道壓力始終不達標

2.1.1 事件過程：隧道引線分段試壓時，加壓泵工作2.4h，管道內壓力不上升。

2.1.2 事件分析：試壓段長800m，高差24m，試壓壓力為1.2MPa，全段檢查，無滲漏處，檢查最高處的消火栓箱內的放水閥，有水放出，無氣體排放現象。分析試壓過程：試壓時先是把管網內的水注滿到一定程度，再用加壓泵注水，使管內壓力達到試壓壓力；注水時主管道內的部分氣體向上游流動并經排氣裝置排出，部分氣體進入支管并被壓縮，通過人工操作箱體內的放水閥排出管道；試壓時施工人員從下游開始逐個從箱體內的放水閥開始放氣，直至有水放出再關閉放水閥，至此，通常被認為管網內的氣體已經排凈，卻往往忽視了試壓段最高端的支管與試壓泵接口段的氣體，如在試壓接口處沒有裝設排氣裝置，氣體是無法排放的，只能被壓縮；經現場測量，此段管長2.1m，松開打壓泵接口，有高壓氣體排出，壓力表指針急劇下降，反復此過程后，壓力表指針下降程度減小，因此分析認為此問題為管道內氣體排放不凈造成。

2.1.3 處理方法及效果：改裝試壓盲板，在盲板上引2根管出來，一上一下，上管加裝一排氣閥，下管與加壓泵相接，在注水過程中，各消火栓箱內的放水閥正常放氣，同時盲板上管的排氣閥也要打開，直至有水放出，再關閉開始加壓。經此改裝，此類現象再沒出現過，同時加壓速度也加快了很多。

2.2 試運行期間管網壓力不穩

2.2.1 事件過程：隧道內管網注水2d，壓力達到設計要求，高位水池水位平穩保持在2.5m線上，不再下降；但一夜之間，大部分管道壓力下降，部分管段壓力下降為零，開啟閥門，無水放出；檢查水池，水位下降至0.5m，水泵自動啟動。最初認為有人用水，調出施工段錄像，無用水現象，再注水至壓力穩定后，第2天再次出現類似現象，安排人員進行全程鋪地式檢查所有接口，發現有2處漏水點，但處理后，現象依舊。

2.2.2 事件分析：經計算用水量發現，2座500m3的水池，全滿狀態下要注滿近50km的管網 (其中2.4km為DN250管道，46km為DN200管道，其他為DN150與DN100管道)，加上水泵蓄水時間需要注水5d，扣除減壓閥調整時注的水，在管網不漏水的前提下，最少也要3d才能確保管網內水滿。在漏水點造成此現象的因素排除后，問題的關注點開始集中在管道內的氣體排放問題上，為了加速氣體的排放，操作人員都是打開消火栓頭進行排氣，發現有水流出并有壓力時就關閉栓頭，理論上應該說氣體已經基本排凈；現場抽取兩減壓閥間一段進行檢查試驗，把管網水注滿，壓力表達標，關閉2個減壓閥，在上游減壓閥下方第1個閥門處打開放水，水壓正常，但臨近閥門壓降不正常，速度過快，關閉放水閥門，再次注水至壓力表達標，閥門全開放水，發現噴出物為水氣結合物，多次進行類似放水過程，試驗管段壓力開始恢復正常，關閉保壓24h，管網壓力下降至符合規范要求。至此表明，此次事件也是由于管網內氣體未排盡，導致試壓過程中表壓達標假象。

2.2.3 處理方法及效果：由于隧道內已經有車輛通行，不能進行大面積放水，同時也考慮到水泵的運行要求，采取了不斷注水、不斷排氣的方式，管網初步注滿后，進行一次排氣，第2天檢查，有壓力下降時再進行注水再排氣至壓力恢復正常，經過一周的時間，管道壓力完全恢復正常狀態，沒有出現反復現象，抽取幾處閥門放水，再注水觀察24h，壓降符合規范要求，問題排除。

2.3 檢修時管道爆管，閥門井破裂

2.3.1 事件過程：高位水池出水管道在維修完畢開始注水時，發生爆管現象，爆管前均發生了強烈的管道震顫，并伴有劇烈響聲，隨即發生爆管，管道固定裝置雙道U型管卡全部損壞，并將下游隧道口閥門井沖垮。

2.3.2 事件分析：上游閥門井至隧道口閥門井管路長約1200m，管道為DN250內外涂塑鋼管，井內設DN250手動渦輪閘閥，此段管路敷設在山上，有多處轉折點，最高處均安裝有自動排氣裝置；管道連接方式為對焊法蘭連接，每2m一個管道支墩，每個支墩上有立體框式8×80角鋼支架，每個支架用雙道u型管卡固定管道，隧道口閥門井內的三通為轉換法蘭連接，并設兩個支架固定，符合設計要求；事故發生后，管卡全部松動，螺紋被拉平，轉換法蘭與閥門井壁被損壞。

分析認為：此問題為操作人員操作不當，放水時閥門打開過快，水池相對隧道口標高為96m，壓力很大，當閥門打開過快時，帶壓力的水迅速在管道內全截面下涌，檢修點處在管道轉折點處，轉折點是氣體最容易積存的地方，積存的氣體在很短的時間內被迅速壓縮到管道轉折點，注水時氣體因無法順暢排出而被迅速壓縮；由于氣體的可壓縮性，當氣壓過高時，通過轉折點向下擴散的壓能在三通處受到制約，因此大量的壓能就反沖向下涌的水，致使壓縮氣體與壓力水發生間斷性的強烈碰撞與沖擊，從而產生強烈震顫與聲響，導致固定裝置失效，轉換法蘭與閥門井壁損壞。

2.3.3 處理方法及效果：放水時緩開閥門，使水流不能占據管道的全截面，降低水流速度，使管道內的氣體慢慢地匯集到轉折點處或最高處從排氣閥中排出，當最高點排氣閥出水時，表明管道內已無氣體，水已充滿，此時可以將閥門全部打開。經此處理后，未再發生此類爆管現象。

3 結語

管道內氣體是在正常施工和正常運行狀態下最易導致爆管現象產生的因素之一，也是最危險的因素之一，但只要了解氣體在管道內造成爆管的原理，及時采取相應的措施，就可以避免爆管現象的發生。

[1]王雄華.消防管道水壓試驗事故的處理[J].石油工程建設.2001,8.