长距离大口径输水管道（精选8篇）
长距离大口径输水管道 第1篇
保沧干渠工程是河北省南水北调配套工程。干渠采用管道输水, 管线经定州、安国、博野县成北部至蠡县, 在蠡县北王村北侧设调压井, 自调压井以后分为南、北两条干管, 南干至献县、河间, 北干至任丘、文安、 大城。南干全线和北干任丘以下段采用单管输水, 其余为双管输水, 管道总长242.265km, 设计最大引水流量9.9m3/s。
2现行规范与实际工况的适应性
压力管道的水压试验是输水管道在验收前必须履行的一个试验项目。目的是验证输水管道及配套建筑物是否满足设计工况的需要。
GB50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》中规定, 给排水管道安装完成后应进行管道的功能性试验:当管道工作压力大于或等于0.1MPa时, 应进行压力管道的水压试验;压力管道水压试验的分段长度宜大于1km;工作压力小于0.1MPa时, 进行无压力管道的严密性试验[1]。
在水压试验前需要做好水源的引接、后背和堵板的设计、进水管路、排水的疏导等工作。对于长距离大口径输水管道, 水压试验难度大。 由于其管道直径大, 需水量多, 存在水源不充足的问题;管道线路长, 不利于水源重复利用;受地质的影响, 比如原状土土质差或管位的限制, 没有条件制作后背;即便后背制作条件允许, 但是由于其型式复杂, 体积大, 拆除恢复时间长, 存在重复操作和一定程度上的经济浪费。
针对此类管道水压试验的难点, 我们进行探讨是否存在一种既能满足施工要求, 又能操作简便、经济合理的试验方法。
3水压试验方法的探讨
以保沧干渠南干线工程为例:南干线起点为调压井之后 (桩号SG0+000) 终点为河间 (献县) 分水口, 总长41.54km, 沿线设肃宁分水口、 河间 (含献县) 分水口, 全线为单排管径DN2000mm的PCCP管, 管道工作压力为0.6Mpa。沿线共设置排气井53座, 检修井7座, 放水井7座。
南干线工程输水管道距离长、口径大。对于这种特点的输水管道设计, 水压试验时就要综合考虑试验所需条件水源、排水、后背型式等。
南干线由于管道直径大, 水压试验需水量就大, 但是管道沿线可利用水源少。考虑实际水源问题水压试验长度会超过规范要求的1km。
按照规范中对后背的设计要求, 施工时需要在直管段预先保留一定长度原状土, 并现场浇筑混凝土对后背面进行平整, 等两侧管道水压试验完成后再拆除后背并安装管道。照此方法施工复杂、投资大、工期长。实际上保沧干渠作为南水北调的配套工程工期非常紧张, 而且沿线原状土土质较差不宜采用此种方法。
通过分析保沧干渠南干线工程的实际工况, 考虑打压试验的要求, 布置沿线的混凝土镇墩, 结合检修井设置, 利用沿线的检修井做后背, 示意图见图1。施工过程中按设计要求完成混凝土垫层的浇筑、管件安装以及混凝土镇墩浇筑, 为水压试验提供可靠的后背。最后安装检修阀, 利用检修阀做堵板进行水压试验, 不必单独做堵板。这种方法不影响上下沿线管道施工, 工期短、施工简单。
综合考虑水源、后背设计与PCCP管的工作内压, 南干线工程按检修井设置分成4.414km-6.80427km不等的7段进行水压试验。南干线水压试验分段布置见图2。此水压试验分段距离远大于规范要求的1km, 其可行主要是因为管道施工过程中, 做到了严格控制管道、阀门等零件生产、出厂质量检验;严格控制接头水压试验过程;严格控制管道供水工程安装施工与检测工序。只有全部合格, 采用长距离分段水压试验, 才能满足规范检验的要求。
长距离大口径输水管道水压试验由于工况的制约, 完全照搬规范存在很大的困难, 改进试验方法是非常必要的。该工程借用检修井做后背, 解决了地质条件不允许情况下后背制作困难的问题, 并证实了严格控制水压试验过程, 试验长度大于1km也是可行的。该工程水压试验的成功为类似工程提供了依据。
摘要：长距离大口径输水管道试压时, 受到水源、地质、工期等工程条件的限制, 若是按照相关规范实施可行性小、难度大。文章针对其特点, 对长距离大口径输水管道试验方法进行了探讨。
关键词：长距离大口径输水管道,水压试验,方法
参考文献
长距离大口径输水管道 第2篇
关键词：农田水利工程；长距离输水管道；设计探究
应用管道进行输水灌溉属于主要的农业灌溉方式，因为管道输水不但能够有效减少蒸发损失，还能够降低渗透量，进而使水的实际利用效率得到大幅度提升。输水管道灌溉具有极强的适用性，可以被应用在众多农业灌溉之中，可是针对农业灌溉而言，因为受到地形等众多因素的影响，必须对长距离的输水管道的实际应用所需要面临的问题进行考虑和分析。笔者根据实际工程案列对农田水利工程中输水管道的设计进行了探究，具体探究结果如下。
一、工程介绍
此灌溉工程处于我市某镇区中，灌溉区域是半丘陵半平川的山区，实际海拔约为950米到1000米，是较为典型的半干旱与干旱气候。灌溉区域内的耕作层土壤主要是砂壤土以及壤土，壤土的实际容重是每立方厘米1.50克，田间持水率最大为27%。按照灌溉区域所具有的特点来看，此工程当中应该新打4眼机电井，新建4座井房，按照周围农灌井的相关测试资料显示，单井的实际出水量每小时大约为100立方米至160立方米。动水位在50米至55米间，井深是60米至68米，水质与灌溉要求相符合。通过对当地试验灌溉站的相关实验资料分析，明确平均灌水定额应该是42立方米。安装4台30千伏安的变压器，埋设6045米的管路，架设1.4米的低压线路，灌溉面积约1150亩[1]。
布置管路应该根据当地的实际情况，应用单井独立这种运行方式对管路进行布置，管路应该尽可能的靠近道路边和林带边，这样既能节约大量的耕地，还能够方便进行维修。管道应该采用树枝状管网形式进行布置，干支的两级应该固定管路，毛渠需要临时修建土渠，单井构成干支毛灌溉系统。按照实际情况，出水口间距应该是100米，支管间距也是100米。除此之外，因为此地块主要以砂壤土为主，渗漏量非常大，单口实际出水量一定不能太小，因此，一个轮灌组应该具有2个出水口，每个井的具体出水量应该设计为每小时125立方米，一个轮灌组中的出水口一定要分布在两条以上的支管上。
二、对水利进行计算
此管道工程的水力学计算内容具体如下：水头损失、管道的过流能力、分析水锤影响、管道压力线。
（一）对流量计算进行设计
计算公式：Q=Fm/Ttη此计算公式当中，Q代表单井的实际出水量（m3/h）；F代表单井的具体灌溉面积（亩）；T代表9天是一轮灌周期；t代表一天开机的时间约12小时到16小时；m代表平均的灌水定额（m3）；η代表灌溉的有效利用率η=η管·η毛·η田。
按照已经成功的管灌工程的相关測试，η管=0.95，此灌溉区域内主要就是砂壤土，根据分析可知η毛=0.9η田=0.77。计算成果见表1.
（二）水头的实际损失
1、沿程水头的实际损失
计算公式：hf沿=λLQM/dn此式中，hf沿代表沿程水头的实际损失（m）；L代表管路的具体长度（m）；d代表管道的内径长（m）；λ代表摩阻系数、m代表流量指数、n代表管径指数。
λ=0.948×105m=1.77n=4.77根据上述公式来对管网之中的不利管线进行确定，计算出沿程水头的实际损失，然后累加作为总损失。
2、局部水头的实际损失
将10%的沿程水头损失当做局部水头的损失，也就是hf局=0.1hf沿。
（三）管道的压力线
农田水利工程中长距离输水管道需要通过地段地形非常复杂的区域，并且总水头损失也非常大，确保运行过程中有压管道所有的点都不会有负压出现。如果管道内出现负压，那么管中的水流就会释放出气体，致使管道积气运行，既影响管道的运行效果，又会使管道供水能力无法满足设计要求。管道一旦出现负压，就会使管道的压力线在管顶线之下。计算过程中的压强水头、测压管水头、位置水头的数值都基于计算的实际基准面。计算基准面的公式早已被布置在压力管道之中，最后计算结果既能够确保管道所有断面处的具体压力线比此处管顶高，还能够保证此高度与规定要求相符合，进而确保管道在实际运行过程中能够适应压力的变化。
三、对配套管件和附属建筑物进行设计
因为此灌溉区域的地形坡差约为30%到40%，坡差非常的大，因此长距离的输水管道一直面临着静水压力这个问题，所以，人们通常应用设置消能池以及安装减压阀的方式来解决此问题。在每一个眼井管路的首段安装一个能够进行调节的安全阀，以有效预防给水栓在出水时，破坏给水栓或冲刷毛渠，每一个给水栓处都应该构建一个消能池，壁厚应该为10厘米，高度应该为62厘米、内径应该为80厘米，出水口应该为30*30厘米，底板应该使用C20的混凝土进行固定安装。
此外，此工程一共设计了33个给水栓，所有给水栓都是螺杆式的，水栓体和竖管间主要应用承插进行连接，应用铁丝来包箍，使用胶圈来止水。通常管道沟的深度应该设置在1.9米，底宽应该为0.6米。开挖的过程中毛渠应该按照实际地形情况以及设计流量进行修筑，以使修筑的毛渠达到不淤和不冲等要求。在水泵与管道的连接处设置压力表、逆止阀、安全阀和闸阀，井房内管路应该和地下的输水管直接相连。
结语：
总之，应用输水管道进行农业灌溉，具有众多的优点。因此在对长距离的输水管道进行设计的时候，一定要对灌溉区域的地形进行分析，特别是水锤的影响以及管道压力，以计算出精准的水力，为广大农民的农田灌溉服务。
参考文献：
[1]刘建红，郭东茹，齐向南等.寒冷地区供水工程长距离输水管道设计和施工[J].给水排水，2013，39（5）：98-101.
长距离大口径输水管道 第3篇
远距离大口径压力输水工程是城市供水系统中的一个重要组成部分, 由于是压力输水, 管道敷设受地形条件限制较小, 管道可以穿越河流、铁路、公路等障碍物将水输送至目的地, 工程应用较广。其主要特点是管线长、规模大、高扬程、多级提升、沿线地形复杂、投资费用大、水锤威胁较为严重、安全稳定性要求高。其建设和运营需要投入大量的资金, 施工周期长, 因此对其设计要点进行必要的分析和探讨, 无论从社会效益, 还是从经济效益上讲都是很有必要的。
2 管道根数的确定
输水管线根数的选择, 应视管道输水能力;近远期的供水量规划;线路长度;施工条件及备用水源情况等因素, 经综合经济比较确定。例如我院设计的青草沙金海、南汇支线工程中, 由于输水规模大, 沿线受水厂众多, 且金海水厂没有就地应急水源, 若采用单管输水, 一旦发生管道事故时, 对水厂的正常供水将产生重大的影响。因此采用双管供水, 并设置必要的联络管以保证事故时70%供水量的要求。
3 管道走向的确定
管道走向的选择, 是确定设计方案的关键所在, 决定了整个设计的合理性、工程的造价及施工的难易程度。由于线路长, 沿线牵涉面广, 在工程前期应进行大量的现场踏勘及相关用地协调工作, 落实管位, 在沿线地下管线复杂的城市区域可安排进行必要的地下管线物探, 使得走向方案具备可实施性, 以免在工程实施过程中频繁的改动管位, 不利于对工期及工程造价的控制。通过相关输水工程的设计和施工配合工作, 总结出以下几点选线原则。
(1) 符合城市总体规划及管道规划布局要求, 布置管线时尽量缩短管线, 但不一定最短就最好, 要综合考虑。
(2) 应尽可能减小与各种障碍物及其他工程的相互影响, 如遇河流、铁路、公路以及地质条件不利的地段则需进行防护。
(3) 尽量避免拆迁建筑物和占用农田, 以降低工程投资。
(4) 布线时水力条件好, 管理方便, 电耗低。
(5) 管线应尽量沿现状或规划道路埋设, 以便于将来维护管理 (抢修、放水) 。
(6) 为防止土壤对金属管道的腐蚀, 应避免通过土壤腐蚀性大, 导电率高的地段。
(7) 在方案设计阶段应将施工因素充分考虑到, 保证设计的合理性。
从上述原则可以看出, 选线时应本着技术上安全可靠、节约能耗、降低投资、便于施工和运营维护的原则出发, 并根据技术条件, 综合考虑, 多方案比较, 以求达到合理。
4 管材的比选
在远距离压力输水工程中管道占投资的比重较大, 因此管材的比选对节省投资、方便施工、安全运行意义很大。目前我国生产使用的适用于大口径承压输水的管材主要有钢管 (SP) 、预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 、玻璃钢夹砂管 (RPMP) 和球墨铸铁管 (DIP) 。因此, 将围绕上述四种管材就以下几个方面做技术经济比选。
4.1 材料物理性能
钢管强度高, 具有良好的韧性, 根据使用要求设计不同的管壁厚度, 耐压能力可大于2MPa, 抗拉强度大于420MPa, 管道内外承压能力高;球墨铸铁管耐压能力一般为2MPa, 承压能力较钢管稍差, 抗拉强度大于420MPa, 与钢管相同。预应力钢筒混凝土管耐压能力为3MPa, 可承受较高的内外压力;玻璃钢夹砂管为薄壁弹性管, 承受外压的能力较弱, 其环刚度为主要控制指标。一般埋地管环刚度采用5000~7500N/m, 特殊地段 (穿越公路等) 需采用10000N/m。
4.2 水力条件
大口径输水管由于其流量大、距离长, 输水能耗较大, 在保证输水的安全可靠的前提下, 应优先选择水力条件好的管材以节约运行成本。管壁粗糙度对减小水流阻力, 降低水头损失有着重要作用。钢管和球墨铸铁管的管壁粗糙系数n值为0.013预应力钢筒混凝土管的管壁粗糙系数n值为0.011, 玻璃钢夹砂管的管壁粗糙系数n值为0.009。可见玻璃钢夹砂管水力条件最好, 预应力钢筒混凝土管其次, 其他2种管材相当。
4.3 耐腐蚀性能
钢管的耐腐蚀能力较差, 内外壁需做除锈和防腐处理, 除锈和防腐层施工质量的好坏, 对使用年限有较大影响, 埋管土壤腐蚀性高时需配合进行电化学保护, 以提高防腐能力;球墨铸铁管采用水泥砂浆衬里, 管道外壁喷锌并涂煤沥青, 其成品具有良好的防腐性能;预应力钢筒混凝土管内部嵌置一层1.5mm厚钢筒, 在管芯上缠绕环向预应力钢丝, 并在其外部喷水泥砂浆保护层, 因此不需作内外壁防腐处理。玻璃钢夹砂管由于其管材本身具有优良的耐腐蚀性, 也不需作任何防腐处理。
4.4 施工适应性
钢管施工时通常采用焊接刚性接口, 可用于开槽埋管施工和顶管施工, 施工时按规范焊接, 可确保管道严密, 但接口焊接时间较长, 其适应地形能力最强, 一般不需做管道基础处理, 对沟槽回填要求较低, 管配件种类多。球墨铸铁管施工时常用接口形式有滑入式 (T型) 柔性接口、机械式 (K型) 柔性接口、法兰型接口等, 目前输水管中常用滑入式 (T型) 柔性接口, 具有结构简单, 安装方便快速, 密封性较好等特点, 球墨管配件种类较多, 适用于开槽埋管施工。预应力钢筒混凝土管采用承插柔性接口, 其中大口径PCCP管采用双O型橡胶圈止水, 密封性能高, 每道接口可单独试压, 其重量为几种管材之最, 施工运输成本较高, 安装时需要大型起吊设备, 弯头等管配件需用钢制管件替代, 适用于开槽埋管施工。玻璃钢夹砂管为柔性接口, 施工时对基础处理及回填要求较高, 地形适应能力较差, 其管配件较少。以上几种管材除钢管外, 均需在转弯处设置支墩等止推设施, 以防接口脱出。
4.5 工程造价
根据相应材料价格及工程费用, 钢管、预应力钢筒混凝土管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管这四种管材的单位长度工程造价见图1 (比较时按开槽埋管施工考虑) 。
注:其中PCCP管未包括场外道路、桥梁等的加固费用。
4.6 综合比选
管材的选择一般要根据工程的规模, 管道的工作压力, 各种管材的特点, 口径适应范围、造价、施工条件、管道制造供货等方面综合考虑, 合理地选择管材。每项工程都具有自身的特殊性, 因此管材选用须有较强的针对性, 同一工程中根据沿线不同的情况可选用不同的管材。如我院设计的萧山东部区域供水工程, 设计规模为70万吨/日, 采用一根DN2800管道, 通过对各种管材进行技术经济比较, 结合当地管材生产供应情况后, 决定在地质条件较好的直线段上采用PCCP管敷设, 在地质条件差的线路上、管道较大转弯处或者穿越障碍物时, 使用钢管。
5 管道穿越障碍物的措施
由于远距离管道铺设中必然会遇到各种障碍物, 如河流、铁路、公路、立交、大型市政设施等, 因此必须辅之以相应工程穿过或跨越。
(1) 倒虹及管桥
管道穿越河道时, 一般可采用倒虹或者管桥。首先应考虑利用已有跨越构筑物设置管桥的可能, 如已建的桥梁等, 必须新建管线跨越设施时, 应根据河道断面特点, 水文地质情况和施工条件等因素而定。
一般说来, 对于水位较浅, 且冲刷不严重的河流, 为避免建成后对河道的通航、景观等造成影响, 宜采用倒虹管;如考虑便于运行维护, 在满足通航、景观要求的前提下, 也可采用管桥方案。
(2) 顶管
当遇到难以开挖施工或者重要的障碍物时, 常采用顶管, 如河道宽且通航要求高、重要道路、轨道交通等。根据环境条件限制的情况, 施工时可采用直线顶管和曲线顶管2种方案。
(3) 管道外加保护措施
当管道穿越铁路、重要公路、立交、大型电力隧道、高压燃气管道等重要设施时, 为避免影响正常交通及确保相关设施的安全运行, 根据相关法规、行业规范及规定的要求, 可采用管道外包混凝土或在管道外设置箱涵、套管的方式穿越。
6 经济管径的确定
经济管径的确定, 对输水工程的合理性和工程总造价的控制至关重要。在确定了设计方案和管材后, 可确定经济管径。经济管径分析计算的方法种类很多, 根据我院的工程实践, 目前常采用最低成本法, 即总投资现值比较法, 计算确定经济管径, 具体原则如下:
(1) 总投资现值=年经营成本换算为现值+投资现值, 即Pw=A (P/A, i, n) +P
式中:P-投资现值, 即管道铺设总费用 (万元) ;
A-年经营成本, 以运行电费计 (万元/年) 。
(2) 收益率取8%, 计算年限n取20年。
(3) 管道铺设总费用, 包括管材费、制作费、运输费、内外壁防腐费 (指钢管) 、施工费和绿化赔偿费等。
(4) 水量按管段的折扣水量计算。
(5) 运行电耗计算, 采用最高日、平均日、最低日水量分段计算, 以尽量反映实际运行电耗。
(6) 水量的计算原则考虑供水水量的逐步增加, 建成后前10年按总规模的80%, 后10年按总规模的100%考虑。
7 管道水锤防护措施
远距离压力输水工程由于管线长、压力高、流量大, 管中流速一般较大, 容易发生水锤事故。水锤发生的诱因主要是水泵机组突然失电停车、阀门误动作。其主要特点是管道内压力急剧变化、易发生爆管等事故。工程设计时, 可根据水力计算和水锤模拟的结果采取相应保护措施, 主要分为正压防护和负压防护2种, 常用以下几种方式:
(1) 双向调压塔
双向调压塔既可防止管路的负压破坏, 也能防止管路的正压破坏。其防护性能最好, 被动调节, 无需人工干预, 造价高、经济性较差, 地形合适可以选用。但对于高扬程输水系统而言, 由于运行水压较高, 如果采用调压塔防护塔的高度往往需要很高, 设置调压塔可能是不经济的, 易受地形影响。
(2) 单向调压塔
主要用于防护负压破坏, 对于正水锤没有防护作用。正常运行时, 止回阀关闭, 单向塔与主管道隔离, 因此与普通双向调压塔相比, 单向塔的高度可以大大降低。当管道中的压力低于单向塔正常水位时, 止回阀迅速打开, 通过短管向主管道补水, 抑制管道中出现负压。设置于输水管道驼峰等容易产生负压的区域。长距离输水工程如果采用单向塔防护, 通常需要多塔联用。
(3) 设置空气阀
空气阀通过正压工况下的快速排气和负压工况下的快速进气, 可用于正压防护和负压防护。管线正常运行时也可排出管中有害气囊 (微量排气) 。空气阀选型时, 宜取输水管道直径的1/8~1/5, 或经计算确定, 有效排气直径不得小于其公称通径的70%。空气阀的布置主要根据管路纵断面高程情况或经水锤防护计算确定, 在管道高点、长上、下坡管段处, 长水平管段处均需布置, 管道最大允许负压对空气阀的布置与数量至关重要。
(4) 超压泄压阀
根据管路系统的工作压力自动启闭, 当管道内压力超过泄压阀设定压力时, 自动开启泄压, 保证设备和管道内介质压力在设定压力之下。直径可取输水管道直径的1/5~1/4。
(5) 优化阀门关闭规律
采用两段折线关闭规律代替一段直线关闭规律, 两段折线关闭规律一般采用“先快后慢”, 可根据要求确定各阶段关闭时间。
设计时通过多措施联合水锤防护, 可为输水管线的安全运行提供有效的保障。
8 结语
远距离输水管线工程在供水系统中占有相当重要的地位, 设计不合理容易引起工程事故, 造成重大损失。因此如何制定技术可行、经济合理、安全可靠的设计方案, 是摆在工程设计人员面前的重要课题。本文通过对该类工程设计要点的介绍, 希望能对相似工程的设计提供一些帮助。
参考文献
[1]徐立新.长距离大口径输水管道的优化设计[C].天津市土木工程学会第七届年会优秀论文集.2005, 41一42
[2]陈涌城, 张洪岩.长距离输水工程有关技术问题的探讨[J].给水排水, 2002, (2) :1-4.
浅谈长距离输水管道压力试验 第4篇
关键词：输水管道,压力试验,加固措施
给水管道铺设完毕后, 要对管道系统进行压力试验这一环节, 它是管道工程质量检查与验收的一道重要工序。给水管道的压力试验按管道传承的介质可分为水压试验和气压试验, 按其目的可分为强度试验和严密性试验。通过压力试验, 能准确反映管道强度及渗漏情况, 在压力试验中要采取正确的方法和措施, 特别是对特殊地段及大落差地段的压力试验要确保试压安全, 不能使管材遭受破坏、发生安全事故。下面就以我们施工的襄渝二线ZH-1标段达州车站长距离输水管道水压试验为例进行探讨交流。
1 输水管线概况
襄渝二线ZH-1标段达州车站长距离输水管道全程长14.05 km, 管道材质采用DN300球墨铸铁管及DN315 PE给水管两种, 管道全程铺设位置高差起伏较大, 要穿越山地、河流、公路及隧道等地段。DN315 PE管道采用直埋的施工方法, 管顶覆土厚度不小于0.7 m, 管道接口为现场热熔对焊连接。既有线管道铺设以DN300球墨铸铁管道明铺为主, 采用C20混凝土支墩防护施工法, 管道连接采用橡胶圈承插柔性接口形式, 其纵向分布图见图1。
2 水压试验分段设置原则和要求
管道水压试验的分段长度:球墨铸铁管长度一般不大于1 000 m;PE管无节点连接的管道不大于1 500 m, 有节点的管道试验段长度不大于1 000 m。过河、穿越铁路、公路、大落差等特殊地段均单独进行试压, 灵活设置, 确保试验长度满足“规范”要求。对不同材质、不同工作压力的管材原则上不能混合进行压力试验, 否则易造成管道破坏。因襄渝二线长距离输水管道铺设受地形和地质的限制, 球墨铸铁管和PE管交叉使用, 这样对部分区段就必须混合进行管道压力试验, 因两种管材比重及与黏土的摩擦系数不同, 故在相同管段压力作用下产生变形不一致, 因此需对与球墨铸铁短管连接的PE法兰与球墨铸铁管采用管卡抱箍加固, 并设置混凝土全包支墩。否则会产生与PE管连接处的球墨铸铁管件接口拔出甚至管身产生环向开裂事故。
3 水压试验装置要求
3.1 试压管段的后背设计
DN300管端承受的压力:
P=PSπr2=1.3×1 000×3.14×0.152=91.8 kN。
其中, P为管端所承受的压力, kN;PS为试验压力, MPa;r为管内径, m。
管口的粘结力:
P1=πK1DLf=3.14×1.08×0.326×0.069×2.5×1 000=191.7 kN。
其中, P1为管口的粘结力, kN;D为管道插口外径, m;L为接口填料深度, m;f为接口单位面积粘结力, MPa;K1为粘结力修正值。
管道作用后背的力:
R=P-P1=91.8-191.7<0。
其中, R为管端传递给后背的作用力, kN;P为试压管段、管端所承受的压力, kN;P1为承插口填料粘结力, kN。
经过核算, 在此情况进行压力试验, 管端后背不需要进行加固。
3.2 管内注水及排气
管内存气是由管线的高程起伏造成的, 如果管内存有气体进行水压试验, 滞留在管道内的气体形成气囊会影响测试效果, 甚至由于管内气体受到压缩还可能导致爆管。故在灌水时应从下游缓缓注入, 并在试验管段的上游管顶及管段中的凸起点设排气阀, 排除管内气体;管道灌水时水流速度不可太快, 应使管道的灌水量与管道的排气量相匹配。若出现以下情况时, 可认为管内气体未排除干净:对注满水的管道升压时, 试压泵不断向管内充水, 但升压很慢;压力表指针随手压泵柄上下摇动而摆幅较大, 读数也不稳定;灌水排气, 要使排出的水流中不带气泡, 水流连续, 速度不变, 作为排气彻底的标志。
3.3 压降与渗水量
在进行水压试验时, 管道内充满水后还要继续注水, 方可达到试验压力要求, 主要因为管内的水和未排净的空气受压密度增大而体积缩小及管壁受水压后产生徐变。按“规范”推算出对球墨铸铁管进行试压, 每升压1 kgf/cm2, 需要注入的水量约为管内无压时水量的1/1 000。为此, 在试压时就可以从10 min的降压值推算出渗水量。推算公式参考如下:
Δw=πD
其中, Δw为管道水压试验升压P时需增补的水量;D1为管道内径, cm;T为管道平均壁厚, cm;L为管道长度, m;E为管材的弹性模量, kg/cm2, 取0.9×106;β为水的压缩系数, cm2/ckgf, 取0.475×10-4。
3.4 试压装置
试压装置主要包括加压泵、逆止阀、压力表及表阀等。试压泵有手动式和电动式, 对于试压管道长度小于1 000 m且落差不超过30 m, 现场无电源条件的情况下宜采用手动式;补水量大、距离较长, 且落差较大宜采用电动式。 弹簧计压力表计时精度不应低于1.5级, 最大量程宜为试验压力的1.3倍～1.5倍, 表壳的公称直径不应小于150 mm, 使用前校正。另外, 试验管段不得采用闸阀做堵板, 不得含有消火栓、安全阀、水锤消除器、自动排气阀等附件, 在管道的这些附件处应设堵板, 将所有的敞口封堵。
4水压试验的判定
本工程输水管道设计工作压力为0.8 MPa, 按规范试验压力为P+0.5 MPa即为1.3 MPa。系统压力试验有强度试验和严密性试验, 试验前3天要对试验段管道充水浸泡, 并要打开管端顶处排气阀门排气, 管道内气体排完后, 关闭排气阀门, 将管道内水充满, 停止充水, 充水在不大于工作压力条件下充分浸泡后再进行试压。压力试验分两步进行:第一步是升压, 第二步是按强度试验要求进行检查。管道每次升压0.2 MPa, 要求对试验段管道进行检查, 检查后背支墩, 管身接口无异常现象后, 再继续升压, 每升一次, 都要检查一次。升压至试验压力后, 保持10 min, 压降不大于0.05 MPa, 检查管道接口、管身无损坏及漏水现象, 认为管道强度水压试验合格。其次还要进行管道的严密性试验, 严密性试验有两种:放水法和注水法。管道严密性试验时, 不得有漏水现象, 同时实测渗水量不大于“规范”规定允许值时为合格。管道内径不大于400 mm的, 且长度不大于1 000 m的试验段管道, 在试验压力下, 10 min压降不大于0.05 MPa时, 可认为管道严密性试验合格。
5特殊地段压力试验方法
1) 对铁路既有线长大隧道内管道压力试验我们采取了气压试验, 因为该隧道长2 430 m, 隧道每隔60 m处设置避人洞1座, 对避人洞处管道采取45°弯头下翻, 故该段管道注水后存有大量空气, 考虑到既有线行车安全和维护方便, 管材采用PE管, 但PE管在试压过程中会带来诸多不便, 主要因为排气是最大困难, 为此对PE管的连接形式作了调整, 在每隔500 m位置处设法兰连接1处, 在试压时对该处安装带有排气装置钢质法兰短管进行排气, 管道每安装500 m后立即对该段进行压力试验。
2) 对落差较大的地段, 对同一材质管道试压时, 应以地形高程起伏作为区段划分原则, 压力试验的装置设备应设置在试验管段的最低处, 最高处安装排气阀。因为沿线地势产生的高差, 使得试验段灌水结束后低洼段管道内的静压值较高, 最低端管道内压力达到0.7 MPa, 若试压装置设置在顶端, 当压力达到试验压力1.3 MPa时, 低洼段管道承受压力已达到2.0 MPa, 这样将会使管材受到破坏, 并存在诸多安全隐患。
6结语
以上为该工程在水压试验中需要解决和注意的一些问题, 同时通过对本工程的水压试验, 使得我们对长距离、大落差及其他特殊地段的压力管道水压试验采用的方法和措施也有一定经验积累, 特别是对不同管材混合试压时应采取的加固措施作为新的问题予以交流。
参考文献
[1]TB 10209-2002, 铁路给水排水施工规范[S].
长距离输水管道设计若干问题探讨 第5篇
近年来, 随着水质污染、水源短缺现象的日益突出, 越来越多的城市、乡镇采用长距离管道输水来解决城市供水、农灌泵站供水的问题。长距离管道输水模式打破了传统模式下不同区域条件分割的供水局面, 将水资源重新分配, 对保障城市供水、促进各产业经济发展起到了积极作用。随着社会经济的进步, 国内各产业得到了快速发展。在追求经济效益的同时, 往往忽略了对于环境的保护。由于缺乏统一规范的污水处理设施, 各种工业污水不经净化直接排入河流, 致使我们生活环境周围的水质急剧恶化, 许多城市、乡镇周围的引用水水源已沦为排污水沟。加上近年来全球气候干旱, 边远地区的小型河流逐渐干涸, 不少乡镇已经出现了吃水难的问题。长距离管道输水不仅有效解决了引用水源水质水量的问题, 同时带动了供水产业的发展, 促进了大型供水企业的形成。大型水务公司在大规模的输水管道工程建设中发挥着显著作用, 有效降低了工程造价, 节约了社会成本。同时以自身为依托, 拓宽融资渠道, 保证了工程不会因资金不足而导致工期滞后。大型供水企业与小型企业相比, 工艺设备先进、技术人员素质普遍较高、生产控制自动化。不仅规范了输水管道工程建设, 同时带领长距离输水管道的设计研究步入了更高的层次。
长距离输水管道设计合理与否, 对于工程的投资、建设、运营管理等方面影响极大。设计中, 任何一个环节出错都可能导致输水管道无法投入正常使用, 一个优秀的长距离输水管道设计应从以下几个方面出发。
一、输水管道系统设计
区域供水是一个系统工程, 在满足主要供水目标100%供水量的同时, 需要对途径的水源匮乏地区进行给水分流, 确保供水效率的最大化。现代长距离输水管道多采用双管供水, 在其中一条管道出现故障时, 另一条管道作为备用, 以满足70%以上供水量的要求。优化管道系统设计可以大大缩减项目资金, 提高日后运营的经济效益, 对于水资源的整体规划配置非常重要。
二、输水方式选择
综合考虑当地的自然环境和社会经济条件, 在保证水质和水量的前提下, 选择合理的长距离输水方式。早些年的输水工程, 大多利用天然地形, 采用明渠 (槽) 开挖的形式。随着全球气候的变化, 生活污水和工业污水对环境的污染日益严重, 明渠 (槽) 以及天然河道输水不仅不能保证给水量, 同时在输送途中也易受环境的污染。因此, 现代输水工程多采用长距离封闭式的专用管道输水模式。
输水方式分重力流和压力流两种, 在地势条件允许的情况下, 应充分利用自然水头, 尽可能采用能耗更低、更经济的重力流输水模式。对于不得不采取压力流的情况, 应进行管道水锤防护设计, 确保管道不会因内部压力骤变而损坏。
三、长距离输水管道路由选择
输水管道的造价占有整个输水工程造价相当大的比例, 管道路径的选择直接关系到管道长度的大小, 对于整个工程的经济合理性影响巨大。管道路由设计必须综合地理、环境、社会等各方面因素, 应对多方案进行比较, 不断优化得到最终方案, 输水管道路由设计应遵循以下原则:
1. 尽量选择直线, 保证输水距离最短, 并减少水流对于弯角的冲击;
2. 避开城市、乡镇等建筑物密集区, 降低管道施工难度;
3. 尽量沿公路周边布设, 降低施工运输成本, 同时方便日后的维护工作;
4. 避开断层、岩溶等地质不良区段, 选择地形、地质较好的管道铺设环境, 降低地基处理难度, 保障安全运营;
5. 减少与规划建设道路之间的交叉, 避免冲突发生;
6. 把握“人与自然和谐发展”的理念, 少占农田、少伐树, 将施工中对环境的不良影响降到最低。
四、管道材料的选择
进行管道材料的比选对于节省项目投资、方便施工、安全运营同样具有非常重要的意义。管材选择的一般依据有输水工程的规模、管道输水的方式、管径的大小、输水距离的长短、工期、重要性以及地形、地质、地貌、当地生产条件等因素。目前, 长距离输水管道采用的管材有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筋砼管 (PCP) 、预应力钢筒砼管 (PCCP) 、玻璃钢管等, 各自的优缺点如表1。
长距离输水管道管材选择要遵循的原则有:满足强度要求, 能抵抗内部水压力以及外荷载的作用;当地具备管材的生产条件, 运输方便, 制造周期短;耐久性能优异, 使用周期长, 维修工作量少;造价低, 符合经济性的要求。
此外, 长距离输水管道设计中还应注意的问题有管道防腐、管道基础处理及沟槽支护、压力输水管道内的水锤防护、管道穿越障碍物 (公路、铁路、河流) 等。
五、结语
近年来, 为缓解国内各地区普遍出现的水源匮乏的问题, 我国修建了许多大型的水利工程, 南水北调工程就是其中的代表。通过跨流域的水资源重新配置, 大大缓解了我国北方水资源严重短缺的问题。其中, 长距离输水管道是调水工程重要的组成部分, 合理的设计对于工程项目的经济合理性具有至关重要的作用, 综合考虑自然环境条件以及社会环境因素进行管材选择、路由设计、管道防护以及其他环节的处理是设计人员必须认真面对的问题。
参考文献
[1]于德强.区域供水的成效及长距离输水管道设计中的若干问题探讨[J].给水排水, 2004.
[2]袁恒太.长距离输水管道设计中几个问题的探讨[J].山西水利, 2003.
长距离输水管道直接加压的工程实践 第6篇
运城市引黄济运工程1999年动工建设,当年竣工通水。该工程水源地位于永济市蒲州老城以西的黄河滩地上,水源由井泵抽水汇流后进入提升泵站,经加压后通过1 000 mm的预应力钢筋混凝土管将水送至牛头岭调蓄水池。牛头岭与城市水处理厂高差20.174 m,通过一根1 000 mm的预应力钢筋混凝土管自流进入城市供水处理厂,管路全长67.6 km。该工程原设计近期日供水4万m3,远期在牛头岭至水厂37+403.15～37+437.336处建加压站一座,远期日供水6万m3。工程运行后,由于该管线自流能满足日供水3万m3,加上其他水源供水量,基本满足城市用水需求。因此,加压泵站一直没有建设。随着城市的发展和用水量的增长,至2007年,城市水源接近满负荷运行,于是决定兴建加压泵站,满足城市用水需求。
2 工程概况
2.1 工程设计内容
根据原工程设计,加压站为管道直接加压,无蓄水池。在桩号37+403.15处设1 000 mm钢分支管,将输水管道分为两根1 000 mm的钢管,在桩号37+437.336处并联为一根1 000 mm输水管道。原工程施工时,在两钢分支管镇墩间已安装了一根钢管。本次工程设计内容包括安装一根1 000 mm的钢管,并在该管道上直接加装水泵,建设厂房及附属设施。
2.2 工程特点
1)泵站为管道中途直接加压,无蓄水池。2)泵站吸水管较长,约为37.4 km。泵后压力管线较长为30.2 km。3)管径较大,为1 000 mm预应力钢筋混凝土管。4)管线低流量时,全线自流运行;高流量时,管线部分自流运行,部分加压运行。
2.3 工程设计需解决的问题
1)由于该泵站为管道直接加压,无蓄水池,这种运行方式在输油管道上有成熟经验,但管径小于600 mm。长距离大口径的输水管道中途直接加压仍无先例,无经验可以借鉴。2)该泵站吸水管较长,为37.4 km,加压泵在启动瞬间,吸水管中水流流速加大,长距离的吸水管道中的水流可能会出现拉断现象。3)由于吸水管道较长且有多座进排气阀井,吸水管道的水体中存在气体;水泵在运行过程中流速变化也会产生气体。如果这些气体不能及时排出,将会引起管道气爆。当气体随水流进入泵体不能及时排出,泵体中的空气含量达到2%时,水泵将无法正常运行。4)日供水量小于3.5万m3时,输水管线靠重力自流供水;日供水量大于3.5万m3时,通过加压泵供水。
2.4 加压泵站的设计
2.4.1 加压泵站的设计思路
为应对连续加压可能出现的问题,我们采取了以下措施:
1)为及时排出管道水流中的气体,将上游管道上的8处气阀和下游管道上的4处气阀更换为GWP-100进排气阀,气阀井根据现场情况进行加高。这些气阀安装于高速排气的地方,充水时高速排出管道中的空气,不怕吹堵,在管道放空时吸入空气保持排水畅通,正常工作压力下微量排气,在有可能产生水锤时使空气自动进入避免产生负压,防止和减少水锤危害。
2)在水泵顶部设置手动排气阀,根据水泵出口的压力表观测值(压力小于设计值)进行排气,防止泵体中空气超量,保证水泵正常运行。
3)根据计算,当日供水量由3.5万m3变为4万m3(水泵开启)时,水泵进口处水流为正压,不会发生汽化。为解决启泵时流量突然加大,而管道中水不能及时补给造成水体断裂,增设了变频调速设备,变频调速转速从487 r/min无极调到980 r/min,流量由4万m3/d逐渐变到6万m3/d,能够保证泵站的安全运行不同流量时的调速结果见表1。
4)泵站运行考虑日供水小于3.5万m3时,满足自流供水,在37+401.5处垂直分叉设1 000 mm旁通管,旁通管上安装D944X-10电动蝶阀(1号蝶阀),经厂房检修后,在37+439处垂直于下游管道连接。日供水超过3.5万m3时,启动加压泵。
2.4.2 加压泵站的设计方案
加压泵站的设计方案见图1。
2.5 加压泵站的运行设计
1)水泵设计运行工况(以1号机组为例),当供水量不大于3.5万m3/d时,2号、5号蝶阀关闭,利用旁通管供水。当供水量大于3.5万m3/d时,进行加压,水泵运行时可利用旁通管阀门和泵加压管阀门的联动,使出口流量平缓变化,使流速变化率降至较低。即打开2号、3号、5号阀门,待水全部充满管道时,启动1号机组加压,采用变频调速使泵的转速从487 r/min无极调到980 r/min,流量由4万m3/d逐渐变到6万m3/d。同时分三次打开4号蝶阀,当4号蝶阀开启后,上游流速加大水压小于0.25 MPa(通过水泵前真空压力表观测),1号蝶阀关闭1/4开度,延时60 s后,关闭阀门开度的1/3,再延时60 s后,再关闭阀门开度的1/2,最后再延时60 s后,全部关闭1号阀门。整个管线处于加压状态。当水泵停机后,上游进水管的压力大于0.25 MPa,1号蝶阀分四阶段打开,然后关闭管线上2号、5号蝶阀,管线处于自流运行状态。2)水泵运行后,在打开4号蝶阀的过程中,随时观察吸水侧的真空压力值,在不出现负压的情况下,缓慢开启蝶阀,以免造成吸水管路流速变化过大,拉断吸水管路中的水柱,造成管道爆管。3)水泵顶部的手动排气阀可根据水泵出口的压力表观测值(若压力小于设计值)进行排气,保证水泵正常运行。
3 工程效益
1)该工程项目的实施填补了长距离输水管道直接加压的空白,为长距离输水管道直接加压提供了可以借鉴的成功经验。2)长距离输水管道直接加压与常规的从调节水池取水加压,减少了调节水池,节约了建设投资和运行管理费用。3)该工程项目的实施,很好的实现了工程设计建设与城市用水变化相适应,避免了供水工程建设中普遍存在的一次建设投资过大,建成工程长期不能满负荷运行的弊病,是一个一次设计分期建设工程项目的成功典范。4)该工程项目的实施,成功实现了低流量管道全线自流运行,高流量时充分利用地形高差,使部分管线自流运行,部分管线加压运行,实现了一条输水管线中加压运行与自流运行的完美结合,使运行费用降到了最低限度。
4 结语
该工程项目的实施是供水工程设计建设的一个很好的范例,为如何使供水工程的设计建设适应供水变化、如何合理利用地形高差降低运行费用提供了新的思路和方法,为长距离输水管道直接加压提供了可以借鉴的成功经验。
摘要：通过对运城市引黄济运工程设计内容、特点、需解决的问题进行分析,提出加压泵站的设计思路,实现了一条输水管线中加压运行与自流运行的完美结合,从而为长距离输水管道直接加压积累成功经验。
关键词：输水管道,工程设计,加压泵站,直接加压
参考文献
长距离大口径输水管道 第7篇
随着国民经济的迅速发展, 人民生活水平的提高和城镇化建设进程的加快, 长距离输水工程日益增多, 工程的规模也越来越大, 由此带来的技术问题也愈发复杂。因此, 应严把施工、设备及阀门质量, 同时输水线路的优化设计是重中之重。
南水北调中线配套工程某分水口门年均分配水量23990万m3。输水主管线起点为分水口门后进水池出口输水主管道长度为80.2km, 管径为3.0m~2.6m。支线总长30.95km, 管径为1.0m~2.4m。主管道设计流量为13.0m3/s, 分水口门设计水位为96.05m, 加大水位为96.45m, 最低控制水位为95.52m。
2 管材选择
随着工程技术、新型材料的发展, 我国引进了大量的新型管材和新的生产工艺, 为供水工程管材的选择提供了更多的余地。目前给水管材有多种, 但大都在钢管 (SP) 、预应力钢筋混凝土管 (PCP) 、预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 、球墨铸铁管 (DIP) 、玻璃钢管 (GRP) 、钢塑复合管等中选择。各种管材都存在优缺点, 其对比详见表1。
从安全方面考虑, 钢管、球墨铸铁管, PCCP管比较安全, 特别是在工作压力高, 管径大, 管线起伏较多的工程中。对于DN1000mm以上的管径, 优先选用预应力钢筒混凝土管 (PCCP) , 球墨铸铁管 (DIP) 价格较高, 钢管要特别注意防腐处理以延长使用寿命[1]。
本工程供水压力小于1.0MPa, 管线周边工程地质条件较好。结合附近潜在管材供货厂家情况, 并考虑到大口径PCCP管具有耐久性好、抗震能力强、耐腐蚀性能好、使用寿命长等特点, 而且大口径管道价格相对便宜, 主管线推荐采用PCCP管材, 管径为DN3000mm和DN2600mm, 支管线管径为DN1400mm、DN1600、DN2400mm, 管材均为PCCP管材。管线在穿河、过路等特殊地段采用钢管。
3 管道附属设备设计
输水线路为一条主干线和五个分支管线组成的复杂供水系统, 根据供水安全的需要, 输水线路沿线设置控制阀、检修阀, 进排气阀、放水阀、流量计、调流调压阀、压力变送器、压力表等附属设备。对整个供水系统的流量、压力进行监测和控制, 有效预防和消除水锤对系统造成的危害, 保证供水系统的安全性和可靠性。
3.1 控制阀
输水管道沿线控制阀的设置主要考虑沿线多分枝供水时, 某一支线检修不对其他支管线产生影响, 因此在主管线上分支口处及支线的起端设置控制阀。控制阀井内设电动阀门、压力表和压力变送器, 阀件仪表信号输送至就近管理房内的控制系统进行控制。控制阀采用电动蝶阀, 阀前阀后分别设置压力表、压力变送器、直径DN3000的蝶阀, 采用DN800半球阀作为控制阀的旁通阀。
3.2 进排气阀
输水管道在启动、检修和正常运行过程中, 均需要补气或排气。在输水线路沿线上坡段、下坡段、长水平段和凸顶点、坡度变陡点等起伏变化部分置进排气阀。阀门间距按约0.8~1.0km设置一个, 可以满足管道进排气需求, 同时根据过渡过程模拟计算, 在特殊位置适当加密进排气阀可以有效预防水锤。根据水锤计算成果, 管道沿线设置含检修人孔的进排气三通, 并配置检修阀和双排气阀。直径3m的管道, 其单个进排气阀均为DN300, 直径2.6m的管道, 其单个进排气阀均为DN250。
3.3 检修阀
输水主管道长度约80.2km, 属于长距离输水管道工程。根据规范要求一般每5~10km设置1处检修井, 在穿越大型河道、铁路、公路处也应考虑设置检修阀, 在安装水力控制阀, 如减压阀、流量计等阀件的地方也应布置检修阀。考虑到管道运行、安装、更换的方便, 每个检修阀处配套设置可拆式松套传力接头。
3.4 放空阀
放空阀的作用是在检修时, 放空部分管段内的水, 放空阀一般设置在线路的最低点。放空阀设计主要考虑放空时间t及避开管道沿线的农田和建筑物。考虑到放空时水量较大, 根据管道的实际布置, 在有河流、沟渠的地方设置放空阀, 检修时, 管道中的水就近放至河流或沟渠中。经综合考虑, 直径3m的管道, 放空阀为DN600, 直径2.6m的管道, 放空阀为DN500, 可以满足管道检修及放空的要求。
3.5 流量计
流量计设置在输水总管进口处及各支管线的末端, 以计量管道的输送水量和水厂接收的水量, 为动态控制提供流量数据。
根据国内外流量计生产运行实际, 经比较管道直径大于1.6m选用超声波流量计, 小口径管道选用电磁流量计。超声波流量计选用五声道及以上, 测量精度等级取0.5级, 不仅可以显示瞬间流量和累计流量, 还可以在流量发生超常变化时发出报警。流量计与自动监控系统联网, 自动监控各测量点的流量及变化。在流量计前的检修井内设置1台压力变送器, 以便监测管道压力, 流量计设置旁通阀, 可以保证在检修或更换流量计时, 输水管道正常运行。
3.6 调节阀
为避免管道产生大幅度的波动, 维持管道出口处恒定流量, 保证出口处的压力水头, 需要在管道末端设置调节阀。为了在调节阀检修维护时不断流, 需在该位置设旁通管。在调节前设流量计, 通过流量信号对调节阀进行控制。在调节阀后和流量计前设旁通管。
经过水力过渡过程分析计算, 并结合调流调压阀的生产制造能力, 对于主管径DN2600的输水管道末端, 并联设置调节阀2个, 阀径均为DN1600, 压力等级PN1.0MPa。支管线管径DN2400, 并联设置调节阀2个, 阀径均为DN1600, 压力等级PN1.0MPa。对于沿线分支管线均设置流量调节阀。
4 管线水锤防护
本工程属于重力流输水工程, 且属大流量、长距离供水工程, 在实际运行过程中, 运行工况复杂, 在工况切换过程中整个输水系统会发生水力过渡过程现象。该水力过渡过程不仅持续时间长, 而且将引起管线压力及供水流量发生较大幅度的变化, 严重威胁整个输水系统的供水安全。因此, 对其水力过程进行模拟计算, 并采用合理措施进行事故防范是保证本工程安全供水的关键。
4.1 分析计算
采用Bentley.Hammer水锤分析计算软件进行建模, 将沿线输水管道特征参数输入模型。经过多次模拟分析, 最终确保管道在正常运行工况、关阀、开阀、爆管工况下, 管道沿线无负压, 管道的最大水锤压力在管道正常压力值范围内。
4.2 水锤安全防护
经过计算分析, 在主管线桩号K32+900附近设置一座双向调压塔, 断面直径为15.0m, 其顶部高程为101.0m;在桩号K32+900附近设置一座单向调压塔, 断面直径为10.0m, 其顶部高程为66.50m;在桩号K68+520附近设置一座单向调压塔, 断面直径为10.00m, 顶高程为59.81m。
4.2.1 各支线水厂端阀门单独关闭时的防护要求
在各个支线水厂正常运行工况下, 当支线需要停水时, 规划水厂01、02、03、04支线末端水厂阀门可以较快关闭。其中规划水厂01阀门关闭时间应大于50s, 规划水厂03阀门关闭时间应大于42s, 规划水厂04阀门关闭时间应大于50s, 规划水厂02阀门关闭时间应大于40s。规划水厂05单独关闭阀门时, 水厂阀门的关闭时间应大于420s。
4.2.2 各支线水厂端阀门同时关阀
对于同时关阀工况, 为满足各管段的压力控制标准, 规划水厂01、02、03、04、05阀门关闭时间应分别不小于75s、162s、210s、233s、1940s。
4.2.3 各支线水厂端阀门依次开阀
当分水口门进水池为最低水位时, 为确保各管段不出现负压, 按先后顺序, 规划水厂05、04、03、02、01末端阀门开阀时间应分别不小于3080s、620s、900s、710s、850s。
在输水线路上设置3座调压塔后, 各支线末端设置调流调压阀, 按计算给定的开、关阀规律和时间运行, 可有效防护管道正常运行爆管工况下产生的水锤。
5 结论与建议
多分枝长距离供水的关键是流量分配和管网的水锤预防。在满足供水对象对流量的需求的前提下, 进行过渡过程模拟, 通过沿线流量调节、自动控制来实现长距离安全输水是本供水设计的关键。
5.1 工程设计应能保证供水安全。
尤其对长距离、多分枝管道的水锤计算防护是重点, 根据计算成果, 沿线应设置排气、检修、调流调压、调压塔等安全措施, 保证安全供水。
5.2 工程设计应能满足经济合理、技术可行的要求。
管径应能满足过流量需求, 管材应能适合当地的地质条件, 交叉管线或穿越建筑物的施工应考虑方案的可行性。
5.3 工程设计中应考虑后期运行维护的方便。
管道建成后运行过程中难免会发生爆管、泄漏情况, 或遭到破坏, 因此在设计过程中考虑检修道路是非常有必要的。
摘要：本文以南水北调某配套输水管道工程为例, 从长距离大流量重力流输水管道管材选择、附属设备、水锤计算防护措施等方面论述输水管道的设计, 并分析设计过程存在的多分枝流量分配与控制、水锤等难点问题, 为类似工程设计和技术交流提供参考数据。
关键词：平面选线,管道穿越,水锤,监控系统,管道防腐
参考文献
长距离大口径输水管道 第8篇
水力过渡过程是电站、泵站以及给排水工程输水系统中普遍存在的水流现象。正确分析过渡状态的水流特性, 对于上述系统管道和设备的设计与运行都具有重要的意义。如果以系统真实特性为基础的水力过渡过程计算方法应用到工程实践中去, 这不但能够在设计中选择最佳方案, 降低工程造价, 还能够提高运行中的安全可靠性。美国奔特力-海思德软件公司于1985年在美国推出HAMMER水力过渡分析软件, 20多年来在美国及全世界拥有数千家用户在使用HAMMER产品, 其适用于各种输配水管道系统的水力过渡分析, 包括长距离输水管道、多级泵站系统、调速泵系统、厂区管网及水电站涡轮发电机组及管路等的水力过渡分析。本文使用HAMMER软件对长距离输水管道进行水力过渡分析的研究。
1 长距离输水管线模型建立的基本步骤
1.1 管线及各元素的模拟
长距离输水管线一般分为有抽水泵站和无抽水泵站重力输水两种方式, 以下我们暂就有抽水泵站的长距离输水管线的水力过渡进行研究分析。整条管线需要模拟的元素包括:泵前水池、水泵、液控缓闭阀、空气阀、调压井、镇墩、末端水池以及连接各个元素的管道等等。其中每个元素都需要输入其各自的参数, 如高程、长度、糙率等等。
1.2主要元素的模拟
1.2.1 水泵的模拟。根据设计选型确定的水泵, 在水泵定义中输入其流量与扬程的对应关系, 生成流量-扬程曲线。该曲线为水泵的重要参数, 决定了水泵的运转特性。水泵在运行中, 不同的流量有不同的运转效率, 输入对应数值, 产生流量与效率曲线。水泵的转动惯量对管线的水力过渡影响很大, 需准确选取。在必要情况下, 可以通过加大水泵转动惯量而减轻水力过渡造成的危害。
1.2.2 液控缓闭阀的模拟。为了减小管道发生水力过渡时产生的危害, 在水泵后面往往配备液控缓闭阀。在事故发生时, 通过缓慢的关闭阀门, 有效的减小管道水流因惯性前冲和水流倒流对水泵和管道的冲击, 将最大升压控制在管道能够承受的范围。一般情况下, 将液控缓闭阀设为两阶段关闭, 即第一阶段快速关闭, 如2～3秒快速关闭60%～70%, 第二阶段缓慢关闭, 如20～30秒关闭至100%。第一阶段的快速关闭, 有效的截断了大部分水流依托惯性继续向前, 并有效的缓解了之后管道倒流对水泵反转的影响;第二阶段的缓慢关闭避免了因阀门快速关闭带来的水力过渡危害。对液控缓闭阀两阶段关闭时间和关度的分析研究, 对水力过渡分析有重要的意义。
1.2.3 空气阀及调压井的模拟。在长距离输水管线中, 一般在局部高点部位布设空气阀。在管道内发生波动时, 产生的多余的空气需要通过空气阀排出, 如果发生水柱分离, 局部高点极易产生真空, 这时就要通过空气阀补进空气, 填充水流离开高点带来的真空破坏。空气阀对于空气的补充较为方便, 快速, 其在管道产生较小负压时能有效缓解水力过渡对管道的破坏。但由于空气阀的孔径问题, 以及气体太易压缩的特点, 往往在发生较大负压时作用不明显, 不能有效的补充足够的空气来填满真空。这时, 就需要布设调压井。在水柱分离发生时, 调压井里的水迅速补充进管道。在管道正常运行时, 通过管道内水流的压力, 补充调压井内水位, 这样就能有效的解决局部高点产生的负压对管道的破坏。
1.3 管线正常运行工况的模拟
除了上述主要元素的模拟, 在输水管线中还需确定泵前水池和末端水池的水位;根据所选管材确定管道糙率, 即曼宁系数n;在管道弯管处还应考虑局部水头损失系数;另外, 按照管道布设镇墩的实际情况, 输入各镇墩所处的高程, 连结管道的长度。
以上各个元素的参数输入后, 输水管线的静态模拟就完成了。这时需进行初始条件的计算。计算完成后, 会出现相应的“计算概要”和“用户通知”, 形成输水管道正常运行情况下的管道水力要素剖面图。对于这些计算结果, 需进行成果合理性和正确性分析, 判断在模型的建立过程中, 是否有错误导致不正确的计算结果。将计算结果调节至合理、正确后, 方可进行输水管道的水力过渡分析。
2 长距离输水管线水力过渡工况和计算方法的分析
水泵启动时, 为了减小水泵电动机的负荷, 通常把出水阀门保持在关闭状态, 而当水泵达到额定转速后, 才逐渐打开出水阀门。在正常的水泵停机过程中, 首先慢慢的关闭出水阀门, 然后才切断供给水泵电动机的电源。水泵启动和正常停机的过程中产生的水力过渡一般由泵后阀门产生, 而泵后阀门的缓慢打开或关闭, 可以有效的减小水力过渡的影响。但在事故水泵工况中, 如突然断电引起的过渡过程通常是严重的, 应该把管道设计的能承受这种工况引起的正压和负压。由于水泵的惯性一般比管道中液体的惯性小, 因而断电后泵的转速降低。水泵的扬程和流量减小后, 负压力波在出水管中向下传播, 正压力波在吸水管中向上游传播。虽然这时水泵仍以正常方向旋转, 但出水管中的流量急速地减小到零, 然后反向流过水泵。由于反向水流, 泵的转速迅速减小, 瞬时停转, 而后水泵反转, 即水泵作为水轮机运行。随后, 泵的反向转速增加, 直到飞逸转速。伴随反向转速的增加, 由于调节作用, 通过泵的流量减小。于是, 分别在出水管和吸水管中产生正压力波和负压力波。对于长距离输水管线, 还应注意管线纵向局部高点可能产生真空和水柱分离的情况。在设计中, 应该研究水柱分离的可能性, 在必要的时候应该采取补救方法。综上所述, 长距离输水管线水力过渡分析应将事故停泵工况作为控制工况, 下面就这一工况进行实例分析。
HAMMER软件所使用的是特征线法 (Method of Characteristics) 数值解, 特征线法是对水力过渡分析最精准及可靠的算法。特征线法计算有以下特点:很容易满足数值计算解收敛的稳定条件;便于建立各类边界的边界条件方程;可以考虑管道的摩阻损失项及水锤方程的其他次要项, 从而提高计算精度;便于处理非常复杂的管网系统和各种水锤防护设计的条件, 灵活地编制计算程序。因此, 这种方法不仅有很高的计算精度, 而且计算速度快, 收敛性好, 是非常有效的计算方法。
3 应用实例
以某长距离输水管线为例, 泵前水池后接水泵, 三台水泵并联布置, 两用一备, 每台水泵后接液控缓闭蝶阀, 之后为43公里长压力输水管线。输入每个元素的参数后, 首先进行初始条件的计算, 计算后形成输水管道正常运行情况下的管道水力要素剖面图, 如下图:
经调试没有发现问题后, 进行水力过渡分析计算。模拟两台运行水泵均发生事故停泵, 如断电, 这种工况是为最不利工况, 其带来的水力过渡破坏是最大的。水泵后的液控缓闭蝶阀两阶段关闭时间经多次调整, 最终确定为第一阶段3s关闭60%, 第二阶段30s关闭至100%, 此关闭时间为最为水力过渡破坏最小的工况。
计算结果以瞬时动画和水力过渡包络线显示, 从中可以可清楚的看出各点在水力过渡中升压降压情况, 并且对照生成的水力过渡过程“瞬时计算结果汇总表”, 可以读出每个元素瞬时升压和降压水头, 具体的考虑每一元素的水力过渡破坏。
从图上可以看到, 泵后液控缓闭蝶阀处为水力过渡升压最大得地方, 此处管道允许最大压力需满足最大升压, 保证管道的安全。泵后19公里处为一高点, 易产生负压, 故在此设立调压井, 消除真空对管道的破坏。其余局部高点布置的空气阀, 能有效的缓解水力过渡的影响。
4 结论
通过分析可知, 对于长距离输水管线而言, 水力过渡分析的重点在于水泵后的最大升压和管线高点处的负压带来的破坏。泵后液控缓闭阀的两阶段关闭对泵后最大升压破坏有重要的影响, 调节好关闭时间对管线的水力过渡防护有重要意义。另外, 在管线高点处布设调压井能有效的去除管线该点的真空破坏, 在局部高点处布设的空气阀能有效的缓解水力过渡的破坏。
经过上述水力过渡分析后, 长距离输水管线在发生各种工况时, 不会出现破坏管线的情况, 这对输水安全有重要的意义
参考文献
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