淺析大口徑給水球墨鑄鐵管的水壓試驗

顧 海 通

(山西一建集團有限公司，山西 太原 030000)

1 大口徑球墨管水壓試驗合格的判斷依據

球墨鑄鐵管道安裝完畢之后，須進行管道水壓試驗，判斷管道安裝是否合格的依據有兩個：一是允許壓力降的數據；二是允許滲水量的數據，這兩個數據如果達到了設計圖紙的要求，管道安裝試驗為合格。

如果設計圖紙沒有要求，則需要根據實際情況，按照管材廠家提供的技術文件或者國家規范的要求確定以上兩個數值，兩個數值皆為判斷球墨鑄鐵管安裝是否合格的依據，不過現在的球墨鑄鐵管的接口形式和質量已經相當成熟，我們在進行大口徑球墨鑄鐵管水壓試驗時，通過查閱相關資料認為選擇允許壓力降數值符合要求即可，允許滲水量可選擇性的作為依據。所以，本文對于允許滲水量數值為依據的方法不再做探討。

2 試驗管段長度的選擇

試驗管段的長度選擇首先要尊重設計師的要求，如果設計師沒有要求，則不超過1 km。

3 水壓試驗的程序

3.1 水壓試驗后背的制作

水壓試驗后背準備是大口徑球墨鑄鐵管道最重要的工序，關系到水壓試驗的成功與否。后背由原土層及型鋼頂撐組成，原土層的土質必須經過確認，且由勘察單位提供相關參數，確認原土層能否作為水壓試驗后背。

3.2 試驗管段注水的要求

向試驗管段內注水時應從下游緩慢注入，注水時在試驗管段上游的管頂及管段中的高點設置排氣閥，將管道內的氣體排出。

注水時，須用壓力泵從低高程處緩慢注水，打開高程段的排氣閥，將試驗管段內氣體順利排出。

3.3 管道的浸泡

一般大口徑球墨鑄鐵管都有水泥砂漿襯里，試驗管段注滿水之后，需要將試驗管段進行充分浸泡，浸泡時間不得小于24 h。

有關試驗管段的高程起伏，管道內須有壓力，但壓力不得大于工作壓力，保證管道水量充足即可。

3.4 預試驗和主試驗

預試驗的目的是在試驗壓力下檢查管道接口、配件是否有漏水、損壞之處，確保主試驗的成功。

主試驗的主要目的是檢查在試驗壓力下，管道、管件的接口質量，管道支墩是否能起到相應的作用。

3.5 泄壓排水

大口徑管道的試壓用水量較大，以DN1 800口徑為例，每1 km需用試壓用水至少2 540 m3，試壓完畢排出時，破壞性較大。須預先設計排放地點，做好防護措施，避免破壞附近房屋、道路等設施。

4 大口徑球墨鑄鐵管水壓試驗的具體要求

4.1 試驗壓力與工作壓力的關系

工作壓力P≤0.5 MPa，試驗壓力為2P；工作壓力P>0.5 MPa時，試驗壓力為P+0.5 MPa。

4.2 預試驗階段

管道經過充分浸泡之后，利用水泵繼續注水加壓，將管道內水壓緩緩地升至試驗壓力并穩壓30 min，期間查看壓力降，隨時注水補壓，保持試驗壓力值，但注意，不得超過試驗壓力值。

穩壓期間，檢查管道、配件接口處是否有漏水、損壞的情況，如果發現有漏水、損壞的情況，應及時停止試壓，查明原因并采取措施后重新試壓。

4.3 主試驗階段

預試驗階段完成之后，停止注水補壓，穩定15 min，待15 min后觀察壓力降的數值，如果壓力降的數值不小于0.03 MPa，則可以將試驗管段壓力降至工作壓力，并恒壓觀察30 min，同時進行外觀檢查，無漏水現象，該試驗管段水壓試驗合格。

4.4 試驗期間的常見問題

注水加壓過程中，如果發現壓力表指針左右擺動、不穩，升壓較慢，可能是試驗管段內有空氣，需要檢查排氣閥，繼續排氣。

升壓過程中，要檢查后背、頂撐，發現異常現場立即停止。

5 大口徑球墨鑄鐵管水壓試驗的相關計算

水壓試驗前，需要對試壓后背、盲板、千斤頂等設備材料進行制作和選型，皆須根據管道規格、試驗壓力等數據進行計算。

5.1 大口徑球墨管試壓

后背支撐示意圖見圖1。

5.2 計算的邏輯關系

首先，根據管道口徑、試驗壓力，計算出試驗水體作用于末端堵板的力，單位為kN；

第二，根據勘察報告中土體的性質，以及溝槽開挖的深度，計算出試驗管段區域作為后背墻的土體的允許抗力，單位為kN/m；

第三，根據以上兩個數據，就可以計算出試驗管段區域作為后背土體的最小長度，此時試壓后背的計算完成；

第四，由于試壓管段的末端需要用盲板，須根據使用盲板的材料計算出盲板的最小厚度；

第五，試驗管段的盲板和后背之間需要用支撐型鋼及千斤頂，須計算出盲板支撐型鋼最小規格，以及所需千斤頂的規格和數量。此時大口徑球墨鑄鐵管道水壓試驗的計算部分基本完成。

5.3 試驗水體作用力計算

試驗水體作用于盲板的壓力利用下式計算：

F=P×A。

其中，F為試壓水體作用于后背的力，N；A為試壓管道截面面積，m2；D為管道直徑,m；P為試驗壓力，Pa。

5.4 后背墻的允許抗力計算

根據GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范后背土墻允許抗力可按下式計算：

其中，Ep為后背墻每米寬度上的被動土壓力，kN/m；γ為后背土的重力密度,kN/m3；H為后背墻高度,m；h為后背墻頂端至地面高度,m；Kp為被動土壓力系數，建議按此式計算Kp=tg2(45°+φ/2),φ為后背土體的內摩擦角，該數據可以參考設計圖紙或者地質勘查報告；c為后背土體的粘聚力，該數據可以從設計圖紙或地質勘查報告查閱。

5.5 后背墻的寬度

后背墻受力寬度可參考下式計算：

B≥1.2R/Ep。

其中，B為后背受力寬度，m；1.2為安全系數。

5.6 關于盲板的計算

為了便于制作，試壓盲板可采用Q235C的鋼制作。其許用應力為113 MPa(20 ℃)，屈服強度為235 MPa(20 ℃)。

根據《管道施工實用手冊》，帶加強肋平板式盲板選用厚度公式：

其中，S為盲板厚度，mm；P為試驗壓力，MPa；Dc為加強肋筋最大有效內切圓直徑，mm；σ為Q235鋼板材料許用應力，可參考取值113 MPa；C為厚度附加系數，參考取值3 mm～5 mm。

5.7 關于盲板與千斤頂之間型鋼支撐的計算

盲板與千斤頂之間需要型鋼來緩沖，防止盲板被破壞。

口徑DN1 800左右的球墨鑄鐵管采用的型鋼建議選用20b以上工字鋼加工制作，制作成“田”型。

根據盲板最大受力F的數值，可以從《五金手冊》查20號工字鋼的抗壓強度為215 N/mm2，腿寬102 mm，盲板在最大受力的情況下，計算出緩沖型鋼與盲板之間的最小受力面積，建議采用下式計算：

其中，A為最小受力面積，mm2；F為試驗壓力下用于盲板的力，kN；S為型鋼的抗壓強度215 N/mm2。

用工字鋼制作“田”字型頂鐵，計算出頂鐵接觸面積超過A的計算值，即可為符合要求。

5.8 千斤頂選型

可根據最大試驗壓力作用在盲板上的力來計算，結果數據單位為N，再換算為t，即可計算出使用千斤頂的規格和數量，千斤頂的數量只可為偶數，不可為奇數。

6 大口徑球墨鑄鐵管試壓應注意的幾個問題

1)壓力管道水壓試驗前，除接口外管道兩側及管頂以上回填高度須大于0.5 m，以防止管節移動及雨季漂浮,采用自錨接口的球墨鑄鐵管線則全部回填至設計高程后進行水壓試驗；

2)管道支墩在水泥養護要達到設計的水泥強度后才可進行水壓試驗；

3)在雨季施工時，安裝的接口經現場工程師用探尺檢測合格后，為防止接口處局部地基沉降等，建議管身及接口處可以在試壓前回填至覆土標高；

4)大口徑管道在雨季期間施工，建議每天開挖管溝長度要與每天安裝管子數量及回填長度相匹配。

7 大口徑球墨鑄鐵管水壓試驗的局限性及思考

大口徑球墨鑄鐵管水壓試驗時，作用在后背支撐的力量極大，以DN1 800的管道，試壓壓力為2.8 MPa為例，作用在后背上的力超過7 000 kN，一旦發生事故，最周邊人員或設施的破壞力極大，有很大的危險性，水壓試驗過程中，后背頂撐、管道兩端嚴禁站人。

大口徑球墨鑄鐵管道試壓用水的需求量很大，而且試壓用水的要求為可飲用水，以DN1 800規格的管道，10 km的距離試壓用水的需求量約為253 000 m3，為水資源帶來極大的浪費，泄水過程中也會給周圍環境帶來沖擊。對于水資源缺乏的地區來說，具有很大的局限性。

雨季施工時，溝槽內容易積水，為回填壓實工作帶來阻礙，管道水壓試驗難度更大，造成成本增加。

8 結語

大口徑球墨鑄鐵管用水體作為試壓介質并不是最好的選擇，比如日本等國已經開發出成熟的單口試壓方式，簡單便捷，但是我國尚沒有支持采取該試壓方式的相關標準。筆者將繼續對此領域進行深入的考察、思考，尋找更便捷、可靠、環保的水壓試驗方式，同時也呼吁各管材生產廠家、上級管理部門共同來解決此問題。