魏樓水庫PCCP引水管道水壓試驗問題探討

郝紅新

（江西贛禹工程建設有限公司,江西 南昌 330200）

0 引言

根據相關規范,對于工作壓力超出0.1 MPa發供引水管道必須進行水壓試驗以檢驗管道結構強度,并對管道密封嚴密程度等作出科學判斷,通過以上嚴密性試驗進行管道滲水量測定的過程耗水量較大,所要求的后背承載力較高,與此同時,還需要完成堵頭制作、后背加固、管道注水、沖壓等輔助性環節,無形中增大了管道水壓試驗成本,對于水資源匱乏的地區并不適用。為此,本文針對魏樓水庫PCCP引水管道管材實際情況進行試驗方法的改進,僅進行管道接頭嚴密性試驗,既能保證管道驗收中水壓試驗順利進行,又能簡化試驗過程,降低試驗成本。

1 工程背景

魏樓水庫主要擔負著規劃年向菏澤市區主城區等區域164.66×104人提供生活飲用水、灌溉、防洪蓄水等任務。水庫永久性占地面積206.88 hm2,總庫容1560×104m3。水庫主要包括圍壩、泵站、涵洞、輸水管道等水工建筑物。防洪設計標準為50年一遇,抗震設計烈度為Ⅷ度。水庫設計總庫容1560×104m3,死庫容215×104m3、調節庫容1345×104m3,入庫泵站流量為9.0m3/s,規劃年入庫水量6663×104m3,日供水規模16.02×104m3,年供水量5848×104m3等。魏樓水庫輸水管道主要采用直徑2000 mm的預應力鋼筒混凝土（PCCP）管,該類型管道主要材料包括預應力鋼絲、鋼筒、混凝土等,其中,預應力鋼絲以環向方式纏繞在鋼筒混凝土管芯外側,在纏緊的預應力鋼絲外部施噴水泥砂漿,起到保護層的作用,通過帶承插口鋼環的柔性接頭等將其管節段之間牢固銜接,并應保證接頭密封的可靠性。在管道工程施工結束后,采用管道水壓試驗對該水庫PCCP壓力輸水管道及所包含的各類管件、閥門件、鎮墩等水工建筑物設計方案的合理性、施工安裝質量的綜合檢查以及管道各建筑物在正常供水狀態下結構強度及水密性驗證。

2 水壓試驗準備

根據設計要求,魏樓水庫PCCP引水管道正常工作時的管道壓力0.8 MPa,結合相關施工質量驗收規范的具體規定,當其管段內實際工作壓力比0.1 MPa高時則管道水壓試驗為必須進行之項目,并按照1.3 MPa[1]的設計試驗壓力展開試驗。結合魏樓水庫PCCP引水管道取水水源條件、壓力鋼管設計標高等參數實際取值,借助泵驗放氣原理以及已施工標段設計圖,進行管道輔助設備及準確試驗位置的合理確定,并將2 個水壓試驗段分別設置在雙向水壓試驗區,再進一步將試驗段分成南線試驗段和北線試驗段,按照這種劃分后,一共需要完成4 次水壓試驗。第一泵驗段南北線長度分別為1346.24 m和1344.03 m,第二泵驗段南北線長度分別為886.7 m和880.9 m。

3 封頭和內悶板設計

3.1 封頭設計

魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗采用密閉性試驗形式,所以必須在試驗管道兩個端頭處分別設置1 個封頭,就其型式而言有橢圓形和內悶板等。其中橢圓形封頭主要為單向形式設計,而內悶板則為雙向設計,能夠保證2 個試驗段同時使用。通過工期協調,四段水壓試驗段共設置三個橢圓形封頭和兩個內悶板。

根據設計要求,試驗水壓壓力1.3 MPa,則泵驗過程中引水管道橫斷面總推力為1320.75 t。泵驗管堵主要使用Q235 B型鋼材質橢圓形封頭,鋼材實際厚度34 mm,能承擔較高壓力,并能重復使用。根據相關規范中所規定的泵驗管堵橢圓形封頭的有關計算要求,當對封頭凹面施加一定壓力時其形狀系數[2]應按照下式確定：

橢圓形封頭允許工作壓力最大值為：

式中：K 為封頭凹面受壓時形狀系數；D1為封頭內直徑,取3600 mm；h1為封頭曲面深,取900 mm； [ pw]為封頭允許工作壓力最大值,取2.124 MPa； 2 [σ]t為試驗溫度下封頭材料許用應力,根據規范取113 MPa；φ為焊接接頭系數,根據規范,雙面焊對接接頭取1；δe為封頭厚度,取34 mm。

將相關參數取值帶入式（1）~式（2）可以得出,魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗橢圓形封頭形狀系數為1,允許工作壓力最大值為2.124 MPa>1.3 MPa,所以水庫PCCP引水管水壓試驗過程中所采用的橢圓形封頭完全可以承載試驗壓力。

圖1 橢圓形封頭結構形式示意圖

3.2 內悶板設計

內悶板結構形式見圖2,以內悶板結構整體構建受力模型,并將其簡化為邊界固定型彈性薄板后進行受力情況分析,具體見圖3。

圖2 內悶板結構示意圖

圖3 內悶板結構受力簡化模型

將圓形內悶板所承受荷載簡化為均布荷載,并以中點荷載為平均荷載,即1.3MPa。

3.3 拉壓應力及剪應力驗算

由于圓形內悶板中心為最大彎矩出現位置,根據彈性薄板理論,圓形內悶板單位寬度所承受的彎矩可按下式計算：

式中：r為封頭半徑,取1800 mm。

則寬300 mm的圓形內悶板所承受的彎矩為：0.3 m×526500 N=157950 N·m。

最大拉應力為：

式中：Wzmax為圓形內悶板彎曲截面系數最大值,取2388.05×103mm3。則最大拉應力σmax1=66.14 MPa≤[σ]-=205 MPa。

最大壓應力為：

式中：Wzmax為圓形內悶板彎曲截面系數最小值,取1053.37×103mm3。則最大壓應力為σmax2=149.947 MPa≤[σ]+=205 MPa。

圓形內悶板單位寬度所承受的最大剪應力按下式確定：

則寬300 mm的圓形內悶板所承受的剪應力為：300×1170=351000 N。

圓形內悶板截面任一點切應力按下式確定：

式中：τ為圓形內悶板截面任一點切應力；Sz為截面面積與中性軸靜矩,取1025.8×103mm3；b為截面實際寬度,mm；Iz為截面對中性軸的慣性矩,取32493.01×104mm3。

經計算得,圓形內悶板截面任一點切應力=32.59 MPa≤[σ]=120 MPa。

4 試驗控制及結果

4.1 試驗過程

根據設計,魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗應當按照預試驗階段和主試驗階段分次進行。在第一個階段,必須先將管道內水壓緩緩升高,待其達到設計試驗壓力后穩壓持續1/2 h,若在此過程中出現壓力下降或壓力波動等情況,則應立即注水補壓,但不能超出設計試驗壓力,并檢查引水管道是否存在損壞、漏水等情況,若有則應立即停止試壓。在主試驗階段,必須暫停注水過程并同時補充壓力至設計壓力值后穩壓持續1/4 h,如果不發生壓力下降或壓力波動等現象,則應將試壓壓力降至0.8 MPa的工作壓力,保持恒壓1/2 h后目測是否存在漏水。水壓試驗排氣管設置在DN3600 管向上的DN300 喇叭排氣口處,雙泵驗表和放透氣閥門設置在封頭臨時人孔上。

魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗具體操作時,先在管道內注滿水浸泡至少24 h,并安排技術人員觀察。待電氣設備、高壓泵、透氣閥門等均安裝無誤后將2 英寸管路及泵表管路閥門全部打開。透氣操作的過程中應通過對放氣閥門進行控制以達到排氣的目的,并等到引水管道內排出完全不含氣泡且流速流量均勻的水流時將放氣閥門徹底關閉。從0.1 MPa~1.3 MPa劃分為六級并按照0.2 MPa/級的要求升壓,并實時檢查管身及接口處,不存在異常后繼續升壓,直至試驗壓力后將前兩個閥門關閉并保壓觀察。將1.3 MPa的試驗壓力降至0 MPa后保持1/4 h,此后再將0.8 MPa的試驗壓力降至0 MPa后保持1/2 h,則泵驗合格。

4.2 試驗中注意的問題

引水壓力管道進水完成后便開始預試驗操作,考慮到本供水工程管線長、管徑大,所以需要的進水加壓、排氣過程較長,打開排氣閥放氣的時間間隔要求具體為5 min~10 min,等到排出水柱狀態穩定形狀均勻,同時彈簧表指針不再抖動情況下結束放氣過程。泵驗過程中如果存在連接件滲水等問題,必須立即停止泵驗,降壓后緊固或更換處理,無誤后再泵驗。

4.3 主水壓試驗結果

魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗過程中DN3600 mm試驗段主水壓試驗結果見表1,該試驗段試驗過程耗水量9088.94 m3,根據試驗結果,水壓試驗符合規范要求,施工質量有保證。

表1 主水壓試驗結果匯總

5 結論

綜上所述,魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗過程中,初次加壓前排氣環節控制至關重要,預試驗初次加壓時必須保證各排氣閥充分排氣,直至彈簧表指針恢復穩定狀態且排氣閥中所排出的水柱連續穩定為止。加壓過程中如遇連接件滲漏,則必須立即降壓至0 MPa后進行滲水部位加固補強處理。考慮到引水管距離較長,為避免充水后發生管段下沉,對焊縫造成破壞性應力,應在管段下方增設支墩。本文分析可為類似供引水工程長距離PCCP引水管道水壓試驗設計具有借鑒參考意義。