長(zhǎng)距離輸水管道事故產(chǎn)生原因及對(duì)策分析

高 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢(xún)有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110000)

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長(zhǎng)距離輸水管道事故產(chǎn)生原因及對(duì)策分析

高 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢(xún)有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110000)

本文就當(dāng)前長(zhǎng)距離輸水管道事故發(fā)生的原因進(jìn)行全面總結(jié)，深層次地探討事故產(chǎn)生的原因，并有針對(duì)性地提出降低長(zhǎng)距離輸水管道事故發(fā)生的對(duì)策。

長(zhǎng)距離輸水管道; 事故; 原因與對(duì)策

1 引 言

隨著水資源的緊缺和分布不均，輸水距離變得越來(lái)越遠(yuǎn)，跨地區(qū)、跨流域、高揚(yáng)程、大流量輸水逐漸成為供水行業(yè)普遍的現(xiàn)象。但是由于輸水路徑長(zhǎng)、輸水管徑大、地質(zhì)復(fù)雜等原因，長(zhǎng)距離輸水管道常常發(fā)生漏損、爆裂等事故，如何降低和控制長(zhǎng)距離輸水管道事故發(fā)生成為供水行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 長(zhǎng)距離輸水管道事故原因分析

2.1 管材方面

灰鑄鐵管是當(dāng)前大多數(shù)長(zhǎng)距離輸水所采用的管道，由于其鑄管工藝是以連續(xù)澆鑄的方式進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)出的鑄鐵管在投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)達(dá)不到工程設(shè)計(jì)和使用標(biāo)準(zhǔn)，常發(fā)生管道斷裂、漏損等現(xiàn)象[1]。究其原因是連續(xù)鑄管工藝在拉管脫模過(guò)程中，采用激冷凝固的方式。雖然該種方式具有產(chǎn)量高、成本低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些不可忽視的缺陷。首先是缺乏相關(guān)退火工序，致使管壁溫度應(yīng)力無(wú)法消除，在管道表面形成過(guò)冷石墨層，在具體使用過(guò)程中表現(xiàn)為抗震性不強(qiáng)、沖擊力弱、抗拉抗彎性低等特點(diǎn)。其次是拉管速度和鐵水液面高度采用人工控制，致使管道組織不一致，管道內(nèi)部出現(xiàn)許多小穴，在具體使用過(guò)程中表現(xiàn)為承載能力低。再次是管體易出現(xiàn)黑渣、重皮、氣孔等鑄造缺陷。一旦這些鑄造缺陷出現(xiàn)在應(yīng)力較大的部位，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，則表現(xiàn)為管身在此處斷裂。

2.2 接口方面

首先表現(xiàn)為接口剛性太強(qiáng)，隨著輸水管道的長(zhǎng)期運(yùn)行，由于地基、土質(zhì)的變化以及人為因素的干擾，常常使管道發(fā)生不均勻沉降，如果管道接口剛性太強(qiáng)，則常常在管道中間區(qū)域發(fā)生破裂。其次是接口施工太差，在輸水管道接口施工過(guò)程中，如果接口處周?chē)嗪粚?shí)不結(jié)實(shí)，油麻填塞不均勻，輸水管道在運(yùn)行期間勢(shì)必在接口處會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

2.3 施工方面

在具體施工過(guò)程中，未能按照要求夯實(shí)管道兩旁的覆土，特別是對(duì)于長(zhǎng)距離大管徑管道，管道破裂的可能性大大增強(qiáng)；管道埋設(shè)基礎(chǔ)較差，未能對(duì)埋設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的硬物、石塊等進(jìn)行清理，或者鋪設(shè)管線(xiàn)的地質(zhì)較為松軟，造成管道局部應(yīng)力集中，一旦應(yīng)力集中過(guò)大，則會(huì)在該部位發(fā)生破損；對(duì)于一些大口徑丁字、彎頭管道，如果未能設(shè)計(jì)支墩或設(shè)置支墩后座土坡松動(dòng)，將大大增加管道位移的可能性；在管道焊接時(shí)，未能及時(shí)對(duì)管道焊縫中的氣孔、尖渣等情況處理，焊接質(zhì)量也直接影響管道事故發(fā)生[2]。

2.4 腐蝕問(wèn)題

隨著時(shí)間的推移，管道在土壤中常常發(fā)生細(xì)菌和電化學(xué)方面的腐蝕，管道將局部發(fā)生生銹、脆化、開(kāi)裂、穿孔，甚至出現(xiàn)爆裂等現(xiàn)象。例如，鐵細(xì)菌排出的氫氧化鐵，有時(shí)能夠堵塞水管過(guò)水截面。

2.5 水擊現(xiàn)象

水擊是指由于外界因素，管道中的水流狀態(tài)突然發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致水壓發(fā)生劇烈波動(dòng)而引起的現(xiàn)象。當(dāng)水擊波周期大于水流突變的時(shí)間，這種水擊稱(chēng)為直接水擊；反之，則稱(chēng)為間接水擊。通常情況下，長(zhǎng)距離輸水管道水擊是直接水擊。直接水擊所產(chǎn)生的壓強(qiáng):

而

式中α——水擊波的傳播速度，m/s；

α0——水中聲波的傳播速度，m/s；

P——水的密度，N/m2；

R0——水擊前的水流速度，m/s；

R——水擊后的水流速度，m/s；

E——管壁的彈性模量，Pa；

E0——水的彈性模量，Pa；

δ——管壁厚度，mm；

D——管徑，m。

由此可得如下結(jié)論：對(duì)于同一種管材而言，管壁越薄，管徑越大，則水擊壓強(qiáng)越小，反之，則水擊壓強(qiáng)越大。

值得一提的是，通過(guò)上述公式計(jì)算所得的水擊壓強(qiáng)值要比實(shí)際產(chǎn)生的小，這是因?yàn)閷?shí)際還存在管道氣蝕和摩阻的影響。在這種水擊現(xiàn)象下，管道將會(huì)發(fā)生變形，甚至?xí)霈F(xiàn)破裂現(xiàn)象。特別是在多波源水擊波共振的情形下，水擊壓強(qiáng)產(chǎn)生的破壞效果將更加嚴(yán)重。

2.6 內(nèi)外荷載

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人們對(duì)于輸水管道總體水壓的要求越來(lái)越高，進(jìn)而對(duì)管道產(chǎn)生的壓力也就越來(lái)越大，因此，管道事故發(fā)生的概率也就大幅度增加。同時(shí)，一些管道埋設(shè)深度太淺，加之重型機(jī)械的碾壓和車(chē)輛運(yùn)輸頻率的增加，這種情況的存在致使管道的動(dòng)荷載增加。此外，由于各種管道的新建和升級(jí)改造，管道與管道之間原有外力荷載將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致在管道接口處發(fā)生漏水、爆裂等現(xiàn)象。

2.7 低溫

冬季是長(zhǎng)距離輸水管道常發(fā)事故的季節(jié)，究其原因是冰凍荷載和溫差應(yīng)力的存在。其中冰凍荷載是指在溫度低于0℃時(shí)，將會(huì)發(fā)生土顆粒凍結(jié)和析冰作用，土壤的體積將會(huì)凍脹，從而對(duì)管道產(chǎn)生較大的凍脹力，并且凍脹力與溫度之間呈現(xiàn)出反比例關(guān)系，與冰凍層厚呈現(xiàn)正比例關(guān)系。而溫差應(yīng)力亦稱(chēng)溫變壓力，是指隨著溫度的變化，管壁上所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。當(dāng)天氣變冷時(shí)，這種溫差應(yīng)力表現(xiàn)為向拉應(yīng)力；當(dāng)天氣變暖時(shí)，這種溫差應(yīng)力表現(xiàn)為向壓應(yīng)力。隨著管道周?chē)鷾囟鹊淖兓@兩種應(yīng)力也在不斷變化，從而導(dǎo)致由于疲勞破壞而發(fā)生斷裂破壞。

2.8 其他工程的影響

管道正常運(yùn)行后，不可避免地受到一些拔樁、堆土、開(kāi)挖管渠等工程施工的影響[3]。具體變現(xiàn)為在管道附近打樁時(shí)，由于振動(dòng)及擠壓土壤的影響，易使偏樁的另一側(cè)和管道上側(cè)方向凸起，從而損壞管道；在拔樁時(shí)，則會(huì)在相反的方向上損壞管道；在降低埋設(shè)管道附近地下水位時(shí)，管道將不同程度產(chǎn)生不均勻沉降，從而損壞管道接口；在埋設(shè)管道附近開(kāi)挖深溝時(shí)，會(huì)使管道底部發(fā)生向下位移，從而對(duì)管道產(chǎn)生破壞。

3 降低長(zhǎng)距離輸水管道事故發(fā)生的策略

3.1 合理選擇管道材料

逐漸淘汰連續(xù)澆鑄鑄鐵管，選擇一些內(nèi)壁粗糙系數(shù)低、安全可靠性高、使用壽命長(zhǎng)的管道材質(zhì)。對(duì)于管徑要求在75～150mm的管道，應(yīng)采用球墨鑄鐵管或PVC、PE材質(zhì)的管道；對(duì)于管徑要求在200～1500mm的管道，應(yīng)采用玻璃纖維增強(qiáng)管、預(yù)應(yīng)力混凝土管或者球墨鑄鐵管；對(duì)于管徑要求超過(guò)1500mm的管道，應(yīng)采用鋼管、薄壁鋼筒預(yù)應(yīng)力混凝土管。

3.2 采用柔性接口

石棉水泥接口剛性強(qiáng)，在溫差應(yīng)力、不均勻沉降的情況下，管徑較大管道容易發(fā)生承口豁裂，管徑較小管道容易產(chǎn)生環(huán)向裂縫，所以，應(yīng)采用柔性接口。例如，橡膠圈式的柔性接口可以有效避免不均勻沉降、溫差應(yīng)力所產(chǎn)生的各種不利應(yīng)力[4]。

3.3 加強(qiáng)施工技術(shù)管理

在施工過(guò)程中，首先采用黏土或砂對(duì)管底地基進(jìn)行平整，避免一些石塊、鋼筋等堅(jiān)硬物質(zhì)對(duì)管道構(gòu)成集中荷載。其次在設(shè)置閥門(mén)等配件時(shí)，最大限度地使管道與基礎(chǔ)的沉降量相互接近，砌閥門(mén)井時(shí)為了防止沉陷不同對(duì)管道的損壞，應(yīng)在管道旁留有空隙。再次，對(duì)于管道覆土應(yīng)注意密實(shí)度要一致，并且管道附近不能有堅(jiān)硬物質(zhì)。最后，對(duì)于較大管徑管道的彎頭，應(yīng)設(shè)置一些支墩防止管道移動(dòng)，支墩背后的土應(yīng)用取原土，并在水壓試驗(yàn)時(shí)，密切關(guān)注相關(guān)接口和支墩的移動(dòng)情況。

3.4 強(qiáng)化管道防腐措施

通常情況下，金屬管道的防腐對(duì)于管道輸送能力和使用壽命起著重要作用。一是實(shí)施管壁保護(hù)涂層。對(duì)于球墨鑄鐵管和一般鑄鐵管管壁應(yīng)采用環(huán)氧媒瀝青或?yàn)r青涂料，對(duì)于鋼管應(yīng)采用環(huán)氧媒瀝青和玻璃纖維布進(jìn)行四油三布或三油二布保護(hù)。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，并不是所有的土壤腐蝕條件都相同，因此，應(yīng)根據(jù)不同的土壤條件實(shí)施不同的防腐措施。二是實(shí)施陰極保護(hù)。按照腐蝕電池原理，將金屬管變成為陰極就可以達(dá)到防止腐蝕的目的。根據(jù)所采用方法的不同，可分為犧牲陽(yáng)極法和外加電流法兩種方法，其兩種方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)右表。

值得一提的是，應(yīng)根據(jù)土壤環(huán)境、運(yùn)行管理等實(shí)際情況合理選擇犧牲陽(yáng)極法與外加電流法，經(jīng)過(guò)表中兩種方法的分析比較，長(zhǎng)距離輸水管道在無(wú)可靠交流電源,市區(qū)內(nèi)的管線(xiàn)地段采用犧牲陽(yáng)極法，在其他管線(xiàn)地段采用強(qiáng)制電流法，并且設(shè)置陰極保護(hù)站。

3.5 合理控制輸水管道水壓

水壓過(guò)高勢(shì)必會(huì)增加長(zhǎng)距離輸水管道事故發(fā)生的概率。因此，在保證水量、水壓和水質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)裝置泄壓水池、調(diào)整泵的運(yùn)行等方法降低長(zhǎng)距離輸水管道供水壓力，減少管道漏損水量。

3.6 注重輸水管道設(shè)施配備和日常維護(hù)

因地制宜，在長(zhǎng)距離輸水管道中應(yīng)設(shè)置水擊消除器、排氣閥等設(shè)施；在泵房按照要求設(shè)置關(guān)閉止回閥；在充水時(shí)需打開(kāi)消火栓、排氣閥。并注重管道的日常養(yǎng)護(hù)管理、檢修等工作，確保管道排氣通暢，在啟用閥門(mén)和泵時(shí)能夠按照要求嚴(yán)格執(zhí)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，引發(fā)長(zhǎng)距離輸水管道事故發(fā)生的因素是多方面的。因此，在對(duì)管材、接口、施工質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)的前提下，提前預(yù)防非恒定水流所引起的水壓、水擊等現(xiàn)象。只有這樣，才能降低長(zhǎng)距離輸水管道運(yùn)行中管道發(fā)生的滲透、爆破等事故。

[1] 李助惠.長(zhǎng)距離管道輸水工程幾個(gè)問(wèn)題硏究[D].銀川:寧夏大學(xué)，2015.

[2] 練繼患,穆樣鵬,趙新.輸水工程水力特性與控制[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2012.

[3] 黃國(guó)濤.長(zhǎng)距離輸水管道事故分析[J].工程與建設(shè)，2015(1).

[4] 楊志峰.杭州蕭山長(zhǎng)距離大口徑輸水管道設(shè)計(jì)總結(jié)[J].給水排水,2012(4).

Analysis on accident reasons and countermeasures of long-distance water conveyance pipeline accident

GAO Peng

(Liaoning Civil and Hydraulic Engineering Consulting Co., Ltd., Shenyang 110000, China)

In the paper, the reasons of current long-distance water conveyance pipeline accident are comprehensively summarized. Accident reasons are deeply discussed. The lowering accidents countermeasures of long-distance water conveyance pipeline are proposed in a targeted mode.

long-distance water conveyance pipeline; accident; causes and countermeasures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.016

TV672+.2

A

1005-4774(2016)12- 0061- 03