輸水工程管道打壓試驗充水量確定及升壓泵選擇

馬傳波

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

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輸水工程管道打壓試驗充水量確定及升壓泵選擇

馬傳波

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

摘要：充水量計算是選擇升壓泵的關鍵。文章著重介紹管道打壓試驗時，管道變形體積增量的計算和水體積被壓縮量的計算，得出充水量計算方法，并結合工程實例，提出升壓水泵的選取原則，為管道打壓試驗時，充水量的確定及升壓泵的選擇提供參考依據。

關鍵詞：輸水工程；管道；打壓試驗；充水量；升壓泵

針對我國水資源分布不均，經濟社會發展受到限制的現狀，國家對水利事業的投入不斷加大，水利行業蓬勃發展，全國各地涌現出一大批輸水工程。作為常用的輸水介質，管道在輸水工程中的運用越來越廣泛。管道材料層出不窮，管道口徑越來越大，工作壓力也越來越高。保證輸水管道的安全運行，保障社會經濟的持續發展和人民群眾的生命和財產安全，是我們水利行業從業者所必須認真考慮的。

管道打壓試驗是管道安裝完成后，對管道安全性測試的必要手段，是管道工程日后運行的一次預演。而充水量的計算及水泵的選擇又是順利完成打壓試驗的重中之重。進行輸水工程管道打壓試驗時，管道在壓力作用下體積發生膨脹，而管道中的水體在壓力的作用下，體積被壓縮，管道膨脹增大的體積與水體被壓縮的體積之和，即為打壓試驗時需要的充水量。

1 管道變形體積增量計算

管線工程在打壓過程中，由于管道受到內水壓力，管壁必然產生變形。沒有固定端約束的管道存在環向和軸向兩個方向的變形。假設管道的試驗壓力為P，管道折算壁厚為δ，管道的初始長度為L，管道的初始直徑為D。管道材料的彈性模量為Ec，管道截面積為A，計算環向和軸向變形的體積增量。

1.1 管道環向變形體積增量計算

在內水壓力作用下，管道環向發生膨脹，假設環向單位長度的伸長量為△L′，那么則有下列等式：

管道環向總伸長量△L：

膨脹后管道直徑d：

膨脹后單位長度體積增加量△V1：

將式（2）代入式（3）：

1.2 管道軸向變形體積增量計算

在內水壓力作用下，如果管端封閉，在內壓的作用下，管道將沿軸向升長，單位長度軸向伸長變形△L，那么則有下列等式：

管道伸長后單位長度體積增加量△V2：

（不考慮因環向膨脹引起的面積變化）

比較式（4）和（5）可知，自由管道在內壓的作用下變形時，環向變形所產生的體積增量至少為管道軸向變形體積增量的4倍，即管道環向變形是管道體積增大的主要原因。且在實際打壓過程中，管端均有或多或少的約束，且有回填土摩擦力的存在，管道不可能自由伸長，即管道實際伸長量要遠遠小于自由管道伸長量，故由于管道伸長而引起體積的變量可忽略不計。

另外，打壓試驗時回填土對管道的變形也有束縛，但一般管道（PCCP，鋼管等）的彈性模量遠遠高于回填土的彈性模量，故在管道受內壓膨脹過程中，回填土對管道膨脹影響極小，基本可以不考慮回填土對管道膨脹的影響。

再仔細分析式（4）可以發現，該等式由加號兩側部分組成，且后側部分為前側部分的高階小量，因此在實際計算時，后側部分可忽略不計。即管道膨脹體積增量為：

2 水體積被壓縮量計算

由于水的體積壓縮模量與混凝土彈性模量幾乎處在同一量級，即管道的膨脹量與水的被壓縮量處在同一量級，因此在管道打壓試驗時，水的壓縮量也必須考慮。

假設水的體積模量為Ew，內壓為P時，單位長度管道水的壓縮量△V3：

3 充水量計算

打壓試驗的充水量V為管道膨脹增大的體積與水體被壓縮的體積之和，即

4 升壓水泵的選擇

打壓試驗時，由于管道的直徑和所需的試驗壓力各不相同，因此充水量也就不同。如升壓泵采用過大流量的泵，則充水時間短，但管道壓力升高較快，試驗過程不易控制，對管道的安全有影響。反之，采用過小流量的水泵，則試驗時間過于漫長，乃至影響整個工程的工期。所以升壓泵的選擇應結合實際工程情況，正確計算管道升壓所需的充水量，選擇合適的參數的水泵，下面結合工程實例，介紹升壓水泵的選取原則。

5 計算實例

以本工程為例，在實際打壓試驗時，試驗壓力為1.37MPa，當管道壓力超過0.6MPa時，為保證管道的安全性，壓力每升高20m做一次間隔。該打壓段約長1000m，管徑3.4m，管材為 PCCP，鋼筒厚度δ=1.5mm，砂漿厚度δ3=40mm，纏絲面積S1=4452mm2/m，管芯厚度d=255mm，鋼絲直徑d1=7mm，管芯混凝土標號C50，管芯混凝土彈性膜量Eh，S2混凝土管單位長度面積，壓力每升高20m，需注入水量計算如下：

鋼筒折算成C50混凝土的厚度δ1：

鋼絲折算成C50混凝土的厚度δ2：

由以上計算結果可知，鋼筒與鋼絲折算厚度折算厚δ1，δ2度遠小于管芯厚度δ，因此在計算時鋼筒與鋼絲折算厚度可以忽略不計，管道的折算厚度即為PCCP的管芯厚度。

加壓過程充水量及壓力變化理論值見表1。

表1 升壓過程充水量計算表

由上表可知，在一定的壓力范圍內，管道的壓力升高值與補水體積呈線性關系，即補水流量一定，則壓力上升一定。而水泵在壓力升高后，流量將發生變化。仔細分析，由于內壓低時管道承受能力較高，此時充水流量大并不十分影響管道的安全。管道升壓過程中的危險階段應是管道內壓接近試驗壓力的時刻，應以此時為控制階段。即水泵的揚程及流量的選擇應著重考慮管道高內壓時的充水速度。

以本工程為例，選泵的原則是管道從120m水頭加壓到137m水頭時管道的充水時間不小于10min，同時考慮水泵盡量在高效率區運行以減小水泵損耗和節省能量，故選擇一臺額定揚程為120m，額定流量為10m3/h左右的離心水泵即可滿足試驗要求。

6 結語

結合工程的實際情況，管道打壓試驗可分為2個步驟來實施，在充水初期，管道未充滿之前，可以選擇流量較大的水泵，較快速的向管內充水。管道充滿需升壓后，再根據計算，選擇合適的升壓泵充水升壓，這樣能夠充分節省打壓試驗所需的時間。

值得注意的是，一些工程在打壓試驗過程中存在管道內部空氣未排凈的情況。由于空氣比水容易被壓縮，導致在實際升壓試驗過程中，需要補充進去比計算值更多體積的水，才能達到設定的壓力值。我們并不能因出現這樣的情況而更選大流量的水泵，因為隨著管道內部壓力的不斷升高，空氣能被壓縮的量也逐漸減小，如果水泵流量過大，極有可能損壞管材結構，從而埋下安全隱患。

打壓試驗對管道的運行至關重要，而計算升壓所需充水量，選擇合適的升壓水泵是管道打壓試驗的重點。計算正確、選泵合適，不光能節省打壓試驗的時間，更能保證管道在打壓試驗中的安全，為工程以后的正常運行打下基礎。

參考文獻

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中圖分類號：TV672+.2

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0065-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.028

收稿日期：2015-03-02

作者簡介：馬傳波（1979年—），男，高級工程師。