長距離輸水管道設(shè)計(jì)中的若干問題探討

劉 芳

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司市政工程設(shè)計(jì)院，上海市 200041）

0 引 言

近年來，我國出現(xiàn)越來越多的長距離輸水工程。長距離輸水模式打破了傳統(tǒng)模式下不同區(qū)域條件分割的供水局面，將水資源重新分配。長距離輸水不僅有效解決了飲用水源的水質(zhì)水量問題，同時(shí)還帶動了供水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促使大型供水企業(yè)的形成。長距離輸水對保障城市供水安全、促進(jìn)各產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都起到了積極作用。

長距離輸水管道的設(shè)計(jì)是否合理，對整個輸水工程的投資、建設(shè)、運(yùn)營管理等方面的影響都極大。合理的管道設(shè)計(jì)不僅可以減少工程投資，還對整個輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要作用。本文以浙江某工廠取水項(xiàng)目為例，對長距離輸水管道設(shè)計(jì)中的管徑確定、管材選擇和安全防護(hù)等問題進(jìn)行探討。

1 項(xiàng)目概況

該工廠計(jì)劃建造一座取水泵房和14.2 km 輸水管道進(jìn)行取水、輸水，以滿足生產(chǎn)需要。根據(jù)建設(shè)單位水量需求，一期輸水管末端最大取水量為2 200 m3/h（每年按8 000 h 計(jì)），二期輸水管末端最大取水量為4 500 m3/h（每年按8 000 h 計(jì)）。設(shè)計(jì)按遠(yuǎn)期規(guī)劃考慮，同時(shí)滿足近期取水功能要求。河道給水輸送工程按二期規(guī)模一次建成，取水泵站的設(shè)備按一期規(guī)模安裝，并預(yù)留二期泵位和管道接口。

參考相關(guān)工程，本次設(shè)計(jì)輸水管道的漏損水量按8%考慮，則輸水管道起點(diǎn)處（即取水泵房）的水量見表1。

表1 本工程輸水管道水量

根據(jù)表1 得出，本工程輸水管道一期輸水量為2 376 m3/h，二期輸水量為4 860 m3/h。

由于該工廠內(nèi)設(shè)有一座4 萬m3蓄水池，并引入一根DN800 市政給水管作為應(yīng)急水源，可保證用水安全，符合《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）和《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS193：2005）中只設(shè)置一根輸水管道的條件，因此本次輸水管道按照僅敷設(shè)一根管進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 管徑確定

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS193：2005）中對有壓輸水管道流速的要求，結(jié)合本工程一期、二期輸水量進(jìn)行初步測算，有DN900、DN1000、DN1200 三種管徑基本滿足流速、水量要求。

進(jìn)一步對上述三種管徑進(jìn)行比選，計(jì)算其水頭損失和水泵所需揚(yáng)程。

管道總水頭損失h= 管道沿程水頭損失hy+ 管道局部水頭損失hj

其中，管道沿程水頭損失根據(jù)海曾威廉公式計(jì)算：

本工程采用焊接鋼管，Ch取120，管道長度為14 200 m。

局部水頭損失按下式進(jìn)行計(jì)算：

本工程設(shè)計(jì)范圍內(nèi)包括2 個90°彎頭、140 個45°彎頭、38 個30°彎頭、13 個10°～29°彎頭、46 個蝶閥、60 個伸縮接頭、2 個流量計(jì)，總局部阻力系數(shù)ξ 為104。

水泵揚(yáng)程H 按“管道總水頭損失h+ 輸水管起終點(diǎn)高差+ 出水富余水頭”計(jì)算，根據(jù)建設(shè)單位提供的資料，輸水管起終點(diǎn)高差= 原水預(yù)處理系統(tǒng)高密池最高設(shè)計(jì)水位9.97 m- 取水泵房內(nèi)最低水位0.16 m=9.81 m，出水富余水頭取2 m。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 三種管徑水頭損失和水泵揚(yáng)程比選

從表2 中可以看出，DN900 管道在二期工況下運(yùn)行時(shí)，所需水泵揚(yáng)程較高，導(dǎo)致輸水管道內(nèi)壓較大，整個輸水系統(tǒng)存在較大安全隱患，不利于輸水管道穩(wěn)定運(yùn)行。因此，從管道安全運(yùn)行角度來看，DN900 不是最優(yōu)選擇。

從管道流速和運(yùn)行安全上，DN1000、DN1200 均屬于合理的選擇。接下來需從經(jīng)濟(jì)角度對上述兩種管徑進(jìn)行比較。管徑的確定既要考慮工程的一次性投資，也要考慮今后長期的運(yùn)行費(fèi)用。DN1200 管道在初期管道成本上投入更多，而DN1000 管道需要配套高揚(yáng)程水泵，后期運(yùn)行電費(fèi)增加。

本工程一期、二期水量變化較大，有兩種水泵選型思路：（1）按二期水量、揚(yáng)程選擇變頻泵，一期時(shí)變頻至低流量低揚(yáng)程運(yùn)行；（2）根據(jù)一期、二期流量、揚(yáng)程進(jìn)行大小泵搭配，一期運(yùn)行低流量低揚(yáng)程泵，二期運(yùn)行高流量高揚(yáng)程泵。根據(jù)建設(shè)單位的需求，本工程一期、二期建設(shè)時(shí)間不超過3 a，方案（2）中低流量低揚(yáng)程泵使用時(shí)間短，閑置率較高，造成資源浪費(fèi)，因此本工程選擇方案（1）采用變頻泵來滿足一期、二期不同的水量要求。

根據(jù)流量、揚(yáng)程和水泵參數(shù)樣本，進(jìn)行水泵選型如下：

（1）管徑為DN1000 時(shí)，選擇Q=1 800 m3/h，H=70 m，電機(jī)功率560 kW 的立式斜流變頻泵，一期時(shí)采用2 用1 備，變頻至66%運(yùn)行；二期時(shí)增加1 臺泵，3 用1 備。

（2）管徑為DN1200 時(shí)，選擇Q=1 800 m3/h，H=38 m，電機(jī)功率315 kW 的立式斜流變頻泵，一期時(shí)采用2 用1 備，變頻至70%運(yùn)行；二期時(shí)增加1 臺泵，3 用1 備。

電費(fèi)按照當(dāng)?shù)仉妴蝺r(jià)0.68 元計(jì)算，水泵運(yùn)行時(shí)間按每年8 000 h 計(jì)算。

兩種管徑條件下水泵運(yùn)行成本具體計(jì)算，見表3。

表3 兩種管徑條件下水泵運(yùn)行成本具體計(jì)算

從表3 中可以看出：一期工況下，DN1000 管道配套水泵每年運(yùn)行的電費(fèi)比DN1200 管道配套水泵每年運(yùn)行的電費(fèi)增加57 萬元；二期工況下，DN1000管道配套水泵每年運(yùn)行的電費(fèi)比DN1200 管道配套水泵每年運(yùn)行的電費(fèi)增加400 萬元。而根據(jù)當(dāng)?shù)毓艿啦牧蟽r(jià)格，DN1000 管道比DN1200 管道節(jié)省的材料費(fèi)在400 元/m 左右，整個工程輸水管道按14 200 m 計(jì)算，最多節(jié)省568 萬元的材料費(fèi)用。在一期工況運(yùn)行3 a，二期工況運(yùn)行1 a 后，DN1000 管道的投入成本就超過了DN1200 管道投入成本。

因此，綜合安全運(yùn)行、節(jié)約成本等方面考慮，本工程采用DN1200 管道較為合理。

3 管材選擇

目前，長距離輸水管道中常用的管材主要有鋼管、球墨鑄鐵管、鋼筋混凝土管和玻璃鋼管。上述管材優(yōu)缺點(diǎn)對比，見表4。

表4 四種管材優(yōu)缺點(diǎn)對比

針對本工程線路較長、地質(zhì)條件多變、穿越多處河道、公路等障礙物的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選擇采用鋼管。鋼管整體性好，能適應(yīng)不同地質(zhì)條件，并可以通過架設(shè)管橋、頂管等方式穿越河道、公路等障礙物。

針對鋼管防腐性能較差的問題，本次設(shè)計(jì)鋼管內(nèi)防腐采用液體環(huán)氧涂料防腐層。防腐做法詳見《鋼制管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SY/T 0457—2010），普通級防腐，防腐厚度不小于200 μm。

鋼管外防腐不同區(qū)段采取不同的外防腐措施：

（1）一般埋地段

本工程埋地鋼管外防腐采用環(huán)氧煤瀝青涂料。按特加強(qiáng)級（六油二布）構(gòu)造設(shè)置，干膜厚度不小于600 μm。

環(huán)氧煤瀝青涂料外防腐層結(jié)構(gòu)：底漆- 面漆-面漆-玻璃布-面漆-面漆-玻璃布-面漆-面漆。

（2）跨河道橋架段

本工程跨河道橋架段鋼管外防腐采用環(huán)氧煤瀝青涂料。按加強(qiáng)級（四油一布）構(gòu)造設(shè)置，干膜厚度不小于400 μm。

環(huán)氧煤瀝青涂料外防腐層結(jié)構(gòu)：底漆- 面漆-面漆- 玻璃布- 面漆- 面漆。

（3）過路頂管段

本工程過路頂管段鋼管外防腐采用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，相應(yīng)涂裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按《熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐蝕涂裝》（GB/T 18593—2010）執(zhí)行，涂層厚度不小于400 μm。

4 安全防護(hù)

長距離輸水管道的安全防護(hù)問題主要包括水錘防護(hù)和事故取水兩個方面。由于本工程僅設(shè)置一根取水管道，管道事故檢修時(shí)由廠區(qū)內(nèi)的蓄水池和市政給水管供水，事故取水能得到保障。因此，本次設(shè)計(jì)中安全防護(hù)的重點(diǎn)在于水錘防護(hù)。

本工程設(shè)計(jì)中采用以下措施防止水錘：

（1）防水錘型排氣閥

本工程在輸水管道局部高點(diǎn)設(shè)置防水錘型排氣閥，在管道運(yùn)行時(shí)能排出集結(jié)的空氣，同時(shí)在管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，可以迅速吸入空氣，消除管道負(fù)壓，保護(hù)管道運(yùn)行安全。

（2）重錘式液控止回閥

在水泵出水管后設(shè)置重錘式液控止回閥可有效減少水泵停止時(shí)產(chǎn)生的水錘，保護(hù)管道運(yùn)行安全。

（3）控制閥門啟閉時(shí)間

閥門啟閉過快是產(chǎn)生直接水錘的主要原因，延長閥門啟閉時(shí)間可明顯減小直接水錘，有利于管道運(yùn)行安全。

根據(jù)相關(guān)單位提供的《長距離供水管道水力分析研究計(jì)算報(bào)告》（以下簡稱《報(bào)告》），對本次設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。《報(bào)告》認(rèn)為：本次設(shè)計(jì)管道在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)滿足承壓標(biāo)準(zhǔn)，在故障停泵時(shí)管道中各管段壓力均滿足要求，無須再采取額外的水錘防護(hù)措施?！秷?bào)告》建議當(dāng)水泵發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉規(guī)律（調(diào)整為第一段40 s 關(guān)閉80%，第二段200 s 關(guān)閉20%）和開啟規(guī)律（調(diào)整為一段直線40 s 開啟），從而緩解停泵時(shí)水泵發(fā)生反轉(zhuǎn)和啟泵時(shí)泵后存在較大壓強(qiáng)的問題。

5 結(jié) 論

在長距離輸水工程設(shè)計(jì)中，輸水管道的管徑確定、管材選擇、安全防護(hù)等工作都至關(guān)重要。選用的管道口徑過小，會加大水頭損失，需要選用揚(yáng)程較高的水泵，直接增加后期泵站運(yùn)行費(fèi)用；選用的管道口徑過大，會導(dǎo)致管道流速過低，造成固體雜質(zhì)沉積，加大壓力管道后期運(yùn)維難度；管材選擇直接影響工程造價(jià)、施工難度等方面；而安全防護(hù)設(shè)計(jì)決定了管道的使用壽命。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較，并需要考慮輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行的措施，選擇最合理的管徑、最合適的管材、最安全的防護(hù)。本文根據(jù)實(shí)際案例對長距離輸水管道設(shè)計(jì)中的若干問題進(jìn)行探討，綜合安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行管徑確定、管材選擇、安全防護(hù)等。