魏楼水库PCCP引水管道水压试验问题探讨

郝红新

(江西赣禹工程建设有限公司，山西 南昌 330200)

0 引 言

根据相关规范的要求，当供引水管道工作压力超出0.1MPa时必须采用水压试验法进行管道结构强度及密封严密性等的试验，就试验方法而言，应对1km长度以内试验管段注满水，并在不超出工作压力的试验条件下充分浸泡，管径在1000mm以内时浸泡至少48h，管径在1000mm以上时浸泡至少72h，再通过高压泵向管道充压；管道工作压力在0.6MPa以下时试验压力应为工作压力的1.5倍，当管道工作压力在0.6MPa以上时，试验压力应为工作压力+0.3MPa，恒压10min后检查管道结构强度。进行管道渗水量测定的严密性试验耗水量大，对后背承载力有较高要求，还需要堵头制作、后背加固、管道注水、冲压等辅助性环节，无形中增大了管道水压试验成本，对于水资源匮乏的地区并不适用。为此，文章针对魏楼水库PCCP引水管道管材实际情况进行了试验方法的改进，仅进行管道接头严密性试验，既能保证管道验收中水压试验顺利进行，又能简化试验过程，降低试验成本。

1 工程背景

魏楼水库主要担负着规划年向菏泽市区主城区等区域164.66×104人提供生活饮用水、灌溉、防洪蓄水等任务。水库永久性占地面积206.88hm2，总库容1560×104m3。水库主要包括围坝、泵站、涵洞、输水管道等水工建筑物。防洪设计标准为50a一遇，抗震设计烈度为Ⅷ度。水库设计总库容1560×104m3，死库容215×104m3、调节库容1345×104m3，入库泵站流量为9.0m3/s，规划年入库水量6663×104m3，供水规模16.02×104m3/d，供水量5848×104m3/a等。魏楼水库输水管道主要采用直径2000mm的预应力钢筒混凝土(PCCP)管，PCCP管主要由预应力钢丝、钢筒、混凝土等复合材料所构成，预应力钢丝环向缠绕在带钢筒混凝土管芯上，并在外部施喷水泥砂浆保护层，PCCP管节段之间通过带承插口钢环的柔性接头衔接，接头密封可靠性有保证。在管道工程施工结束后，采用管道水压试验对该水库PCCP压力输水管道及所包含的各类管件、阀门件、镇墩等水工建筑物设计方案的合理性、施工安装质量的综合检查以及管道各建筑物在正常供水状态下结构强度及水密性验证。

2 水压试验准备

根据设计要求，魏楼水库PCCP引水管道正常工作压力0.8MPa，按照《给水排水管道工程施工及验收规范》相关要求，工作压力>0.1MPa必须进行管道水压试验，且试验压力应为1.3MPa[1]。根据魏楼水库PCCP引水管道取水现状、顶管标高，应用泵验放气原理并结合标段设计图管道辅助设备及位置，在双向水压试验区设置2个水压试验段，各试验段又划分为南线和北线，故共进行4次水压试验。第1泵验段南北线长度分别为1346.24m和1344.03m，第2泵验段南北线长度分别为886.7m和880.9m。

3 封头和内闷板设计

3.1 封头设计

魏楼水库PCCP引水管水压试验采用密闭性试验形式，故应在试验管道两端设置封头，具体包括椭圆形和内闷板2种形式。其中椭圆形封头为单向形式，而内闷板为双向，可供两个试验段同时使用。通过工期协调，四段水压试验段共设置3个椭圆形封头和2个内闷板。

(1)

椭圆形封头允许工作压力最大值为：

(2)

式中：K为封头凹面受压时形状系数；D1为封头内直径，mm，取3600mm；h1为封头曲面深，mm，取900mm；[pω]为封头允许工作压力最大值，MPa，取2.124MPa；[σ]t为试验温度下封头材料许用应力，MPa，根据规范取113MPa；φ为焊接接头系数，根据规范，双面焊对接接头取1；δe为封头厚度，mm，取34mm。

将相关参数取值带入式(1)-(2)可以得出，魏楼水库PCCP引水管水压试验椭圆形封头形状系数K为1，允许工作压力最大值为2.124MPa>1.3MPa，所以水库PCCP引水管水压试验过程中所采用的椭圆形封头完全可以承载试验压力。椭圆形封头结构形式示意图，见图1。

图1 椭圆形封头结构形式示意图

3.2 内闷板设计

内闷板结构形式，见图2。以内闷板结构整体构建受力模型，并将其简化为边界固定型弹性薄板后进行受力情况分析，内闷板结构受力简化模型，见图3。

图2 内闷板结构示意图

图3 内闷板结构受力简化模型

将圆形内闷板所承受荷载简化为均布荷载，并以中点荷载为平均荷载，即q0=1.3MPa。

3.3 拉压应力及剪应力验算

由于圆形内闷板中心为最大弯矩出现位置，根据弹性薄板理论，圆形内闷板单位宽度所承受的弯矩的计算公式为：

(3)

式中：r为封头半径，mm，取1800mm。

所以，对于刚入学的高一新生，用任命制选出的班干部往往存在一定的风险。除了任命前做好调查、观察、储备、造势外，还应设定一个考核期，给普通同学、班干部多一个看清自己的机会，如此一来，才能选取出那些各方面素质都比较突出的学生组成班委。接下来的工作，当然还应对班干部的思想和工作流程不断的进行培训和锻炼，帮助他们在班内树立威信，提高他们的集体观和工作能力。

则宽300mm的圆形内闷板所承受的弯矩为：0.3m*526500N=157950N·m。

最大拉应力为：

(4)

式中：Wzmax为圆形内闷板弯曲截面系数最大值，取2388.05×103mm3。则最大拉应力σmax1=66.14MPa≤[σ]-=205MPa。

最大压应力为：

(5)

式中：Wzmin为圆形内闷板弯曲截面系数最小值，取1053.37×103mm3。则最大压应力σmax2为149.947MPa≤[σ]+=205MPa。

圆形内闷板单位宽度所承受的最大剪应力按下式确定：

(6)

则宽300mm的圆形内闷板所承受的剪应力为：300*1170N/mm=351000N。

圆形内闷板截面任一点切应力按下式确定：

(7)

式中：τ为圆形内闷板截面任一点切应力；Sz为截面面积对中性轴的静矩，mm3，取1025.8×103mm3；b为截面宽，mm；Iz为截面对中性轴的惯性矩，mm3，取32493.01×104mm3。

经计算得，圆形内闷板截面任一点切应力τ=32.59MPa≤[τ]=120MPa。

4 试验控制及结果

4.1 试验过程

根据设计，魏楼水库PCCP引水管水压试验分为预试验和主试验两个阶段。在预试验阶段，将管道内水压缓慢升高至试验压力后稳压1/2h，如果在稳压过程中发生压力下降，则应立即注水补压，但不能超出设计试验压力，并检查引水管道是否存在损坏、漏水等情况，若有则应立即停止试压。在主试验阶段，应停止注水并补压至设计值后稳压1/4h，若此期间无压力下降，则应将试压压力将至0.8MPa的工作压力，保持恒压1/2h后目测是否存在漏水等情况，若无，则水压试验合格。

水压试验所需设备包括1台11.5kW七级离心泵，2inch阀门和辅助2inch进水管道，1inch阀门和1inch排气管道，4块精度至少1.5级、量程最大为2.5MPa、表盘直径≥150mm的弹簧压力表。水压试验排气管设置在DN3600管向上的DN300喇叭排气口处，双泵验表和放透气阀门设置在封头临时人孔上。

魏楼水库PCCP引水管水压试验具体操作时，先在管道内注满水浸泡至少24h，并安排技术人员观察。待电气设备、高压泵、透气阀门等均安装无误后将2inch管路及泵表管路阀门全部打开。透气时通过控制放气阀门排气，待管道内所排出的水流不含气泡且连续均匀后关闭放气阀门。从0.1-1.3MPa划分为六级并按照0.2MPa/级的要求升压，并实时检查管身及接口处，不存在异常后继续升压，直至试验压力后将前2个阀门关闭并保压观察。将1.3MPa的试验压力降至0MPa后保持1/4h，此后再将0.8MPa的试验压力降至0MPa后保持1/2h，则泵验合格。开启放气阀门后卸压为零，最后打开临时人孔盖板抽排水。

4.2 试验中注意的问题

预试验在结束管道进水后进行，由于进水加压、排气过程耗时较长，应按5-10min的时间间隔打开排气阀放气，直至所排出水柱稳定均匀且弹簧表指针稳定后结束。永久人孔、临时人孔、排水管及排气管等支管均采用法兰、盖板及5mm石棉橡胶板密封圈封闭，按照设计要求，阀门、伸缩节等附属设施不进行压水试验。泵验过程中如果存在连接件渗水等问题，必须立即停止泵验，降压后紧固或更换处理，无误后再泵验。

4.3 主水压试验结果

魏楼水库PCCP引水管水压试验过程中DN3600mm试验段主水压试验结果，主水压试验结果汇总，见表1。该试验段试验过程耗水量9088.94m3，根据试验结果，水压试验符合规范要求，施工质量有保证。

表1 主水压试验结果汇总

5 结 论

综上所述，魏楼水库PCCP引水管水压试验过程中，初次加压前排气环节控制至关重要，预试验初次加压时必须保证各排气阀充分排气，直至弹簧表指针恢复稳定状态且排气阀中所排出的水柱连续稳定为止。加压过程中如遇连接件渗漏，则必须立即降压至0MPa后进行渗水部位加固补强处理。考虑到引水管距离较长，为避免充水后发生管段下沉，对焊缝造成破坏性应力，应在管段下方增设支墩。文章分析为类似供引水工程长距离PCCP引水管道水压试验设计具有借鉴参考意义。