長距離重力流倒虹吸管道充水過程控制

(甘肅水投天水供水有限責任公司，甘肅 天水 741000)

1 工程概況

天水市城區引洮供水工程是甘肅省水利建設史上第一條長距離、大口徑、水廠原水輸水工程。輸水管道設計采用地埋式單管輸水，設計流量2.1m3/s，全線采用重力流輸水。其中武山、甘谷縣境內長42.11km的大倒虹吸最大設計管內壓力達4.2MPa。本次充水的主要內容為其中已完工的秦州段倒虹管道。秦州段倒虹管道線路自2號隧洞出口匯流池起至藉口水廠止，全長20.11km，采用DN1400球墨鑄鐵管單管輸水。匯流池出口處管中心設計高程為1556.48m，藉口水廠進廠位置處管道末端管中心設計高程為1352.78m，管道沿線呈“U”字形，最低點管中心線高程1322.95m，最大落差233.53m。全線設置消能箱一處，將倒虹段壓力管道分為兩個部分，其中匯流池至消能箱間的壓力管道長5.51km，落差91.38m；消能箱至末端水廠的壓力管道長14.60km，落差112.32m；消能箱至最低點總落差142.15m。管線沿程縱斷面高程及閥門設備布置情況見圖1。

2 水力機械設備布置情況

為保證工程輸水管道系統的安全穩定運行，便于管道系統的流量調節，水壓降低，設備檢修，管道進排氣，流量、壓力等參數的監測，沿線同時還布置多處調

圖1 秦州段倒虹管道沿程縱斷面高程及閥門設備布置

流調壓閥、隔斷閥以及在線過程儀表監測設備。本段管道主要設備布置如下：

a.活塞式調流調壓閥2組，通過開度大小調節來實現消能降壓、流量調節，每組由1臺DN1000和1臺DN600調流閥并聯組成(調流調壓閥布置位置見圖2)，分別設在消能箱進口前端和水廠進口前端。

圖2 調流調壓閥布置

b.檢修偏心半球閥3組，起檢修隔斷作用。當輸水管道出現事故爆管或者需要對某段管道進行檢修時，把此段管道用雙向硬密封偏心半球閥隔斷，減少水量浪費，并保證其他部分管道依然充滿水，利于檢修后快速投入運行。隔斷閥門根據事故搶修時允許的管段放空排水時間確定，并結合地形起伏和穿越河流或公路等情況確定。本段布置斷閥門間距為5km左右，隔斷閥開啟和關閉的時間均為400s。管道首端隔斷閥并聯DN400旁通閥，用于管路系統空管充水流量控制。

c.放空閥3組，按照管道縱斷面起伏位置及現場實際條件，在管道低點及臨近河道處布置放空閥3處，用于管道排空。

d.超壓泄壓閥4組，每個調流調壓閥和檢修雙向硬密封偏心半球閥前，設置一組超壓泄壓閥，防止當關閉閥門速度過快時，引起管道壓力水錘過高破壞管道，超壓泄壓閥快開慢關。

e.復合式空氣閥22組，按照每0.8km布置一臺的原則，保證管道內的進排氣，防止水錘現象的發生，每組空氣閥均配備壓力表。

f.壓力在線檢測設備5處，在每個檢修隔斷閥、調流調壓閥前各設置一臺壓力變送器，用來監測管道工作壓力和管道工作狀態。

g.流量在線監測設備2處，在每個調流調壓閥前設置三聲道超聲波流量計一臺，用來檢測管道流量狀態。

3 充水過程

3.1 充水前準備

3.1.1 建立充水調度機構

充水前制定充水方案，制定閥門設備操作規程，建立由業主、設計、監理、施工、設備(材料)供應單位相關人員組成的充水調度指揮部，指揮部下設設備操作組和巡視搶險組。沿線各閥位安排有經驗的技術人員值守，進行閥門設備操作與觀察；巡視搶險組負責現場巡查、反饋巡視狀況，并及時向指揮部反饋信息。指揮部組織制定充水方案、人員培訓、發放調試方案系統圖，明確各參與單位部門責任，建立應急機制。

3.1.2 充水前檢查

a.充水前按照規范及相關要求，對管道系統中的雜物進行清理。

b.依據設計文件對水工建筑物和設備安裝情況進行檢查，確保滿足設計文件要求。

c.充水前依據《給排水管道工程施工及驗收規范》(GB 50268—2008)要求進行管道水壓試驗。管道水壓試驗分6段進行，每段利用就近水源采用水泵抽水充水，在每段末端高點處設排氣裝置。由于水壓試驗過程中充水流量極小且每次充水長度不長，充水過程較為簡單。

d.檢查管線所有設備的密封性和動作性能，確保管線各設備密封可靠，能夠正常啟閉。

e.運行中各種壓力、流量、閥門開啟度、閥門控制等檢測控制系統已安裝調試完畢，達到運行要求。

f.供電、通訊等系統安裝調試完畢，達到運行要求。

g.檢查整條管線各個閥門的工作狀態：首端檢修球閥關閉、旁通閥開啟、隔斷閥開啟、調流調壓閥在20%的開度、放空閥關閉、超壓泄壓閥開啟、空氣閥正常開啟。

3.2 管路充水

由于管線縱斷面沿地面高程起伏較大，充水前管道內存在大量的氣體，充水過程中既有上坡段又有下坡段。充水過程中氣液兩相并存持續時間較長，以致氣、水運動狀態和過程比較復雜。根據管線坡度的不同，可能是緩流，多數情況下可能是急流。在急流流態下充水時，將不可避免地發生水體摻氣和高速水流挾氣。充水過程中產生復雜的非恒定流，極易造成運行事故。所以，應采用小流速進行充水，以便最大程度排空管道中的氣體，在充水試運行前還應進行水力過渡過程計算，并確定閥門設備開關規律。

根據有關工程實際經驗和《城市供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》，在向有壓管道充水時，充水當量流速應控制在0.3～0.5m/s左右，充水流量不超過設計流量20%。太低的流速帶不走管道的存氣，不利于管道排氣，也使充水時間過長；太高流速可能使管道充水速度大于排氣速度，造成氣堵，引起壓力震蕩。基于上述原則，根據設計階段水力過渡過程計算分析，本次充水流量控制在800m3/h。

本段管道被消能箱分成兩部分，充水時先向下段充水，充水步驟如下：

a.首端DN1400隔斷閥關閉，旁通管開啟，利用旁通閥控制流量進行充水。

b.當末端水廠處調流調壓閥出水后緩慢關閉末端調流調壓閥，向管道充水。

c.待4號消能箱即將達到設計水位時，緩慢關閉消能箱前調流調壓閥，直到匯流池水位達到設計，緩慢關閉首端旁通管球閥，再關閉進水口。

d.在壓力管道充滿水后，根據《給排水管道工程施工及驗收規范》(GB50268—2008)要求，滿管保壓24h，若整個過程中管道全段未出現異常，則表明管道充水成功。

3.3 充水前及充水過程中注意事項

a.充水前必須進行打壓試驗，管道安裝完成后的打壓試驗是檢查管道安裝情況的重要手段，為避免在充水過程中管道系統出現滲漏，發生意外情況，在充水前必須對整個管道系統按照相關規范要求進行分段打壓。

b.充水流量控制，由于本段管線利用應急引水樞紐作為水源進行供水，引水樞紐進水口未安裝流量監測設備，所以在充水過程中要嚴格監控消能箱前流量監測設備，根據此處流量監控值適當調整進水閘門開度，達到預定充水流量。

c.空氣閥工作狀況監測，管道沿線各閥井處布設觀察人員，對空氣閥工作狀況進行檢查、監測，同時對確保空氣閥補排氣正常，發現異常情況立即向指揮部報告。

d.消能箱處觀察人員要時刻關注消能箱水位，避免消能箱溢流或拉空。

e.充水過程中依據管路縱斷面高程和沿線壓力監控值來判斷充水位置，加強對未充滿段空氣閥工作狀況監測。

f.調流調壓閥和隔斷閥的每次開關閉動作都要按照閥門開啟、關閉規律進行，以免發生開閥水錘、關閥水錘或斷流彌合水錘，造成設備損壞和爆管事故。

4 常見問題及處理措施

4.1 管道中排氣不徹底

由于管道線路較長，沿線地形起伏較大、中間有多個U形段，充水前管道內有大量氣體存在，管道內氣液并存狀態持續時間較長，以致管道內容易產生氣囊，為盡最大可能排出管道內氣體，充水過程中要注意觀測管道沿線壓力表監測數值。觀測點壓力監測值=管道內水位高程-觀測點位置的高程；如管道中含滯留氣團，則觀測點壓力監測值<管道內水位高程-觀測點位置的高程。當管道中含有滯留氣團時，應多次反復打開、關閉末端調流調壓閥至相應開度。

4.2 關閥水錘

在充水過程中，閥門設備及管道接頭漏水、設備故障、管道出現故障或者充水結束等，都需要關閥末端調流調壓閥停水，如果關閥操作不當，水流受阻回流碰撞，碰撞水頭不斷疊加，造成管道內壓力急劇升高，從而形成關閥水錘。同時，由于管道起點至管道最低點高差達112m，一旦因操作不當造成關閥水錘，后果不堪設想。因此沿線控制閥門的關閉規律要經科學計算進行確定，本段管道閥門設備開關規律在設計階段進行了水錘模擬計算，并根據計算結果提出了建議的閥門關閉規律。因此在任何狀況下，閥門設備啟閉均嚴格按照規定程序操作。

4.3 斷流彌合水錘

由于管道沿線起伏較大，中間有多個U形段，形成多個駝峰，導致這些部位容易聚集氣體。如果這些部位排氣不暢將會造成管道內氣堵，嚴重時會斷流。大量氣體聚集易造成爆管事故；或者整個輸水管路系統中壓力普遍下降，一旦壓力降至當時水溫的氣化壓力以下，管道中水將氣化，水流連續性遭到破壞，造成水柱分離，當分離水柱重新彌合時，如排氣過快將會形成彌合水錘，嚴重時造成爆管。因此應通過水力過渡過程計算分析確定補排氣閥布置位置及閥門型式，在充水過程中各空氣閥處設置觀察人員，密切監控空氣閥工作狀況及壓力變化情況，并隨時向指揮部報告。

5 結 語

長距離重力流倒虹吸管道充水過程中流態比較復雜，為盡量避免充水過程中事故產生，在充水前除了進行分段打壓試驗外，還應對水工建筑物、閥門設備等檢查調試，建立充水調度管理機構，制訂應急方案；充水過程中應著重對空氣閥是否工作、各觀測點壓力情況進行密切監控；充水完成后試運行中要嚴格按照水力過渡過程計算分析結果，進行閥門設備啟閉操作。