城市给水管网爆管成因分析及预防措施

廖宗蓉

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

引言

随着城市不断发展壮大，城市给水管道的数量也在不断增加，城市给水管网系统作为城市公用设施的一部分，对于保障城市的经济稳定发展有着举足轻重的地位.但由于施工不良，管路老化、水压异常等因素的影响,造成大量漏水损失甚至爆管，管网局部水质降低，有压水流大量涌入民居、厂房、仓库、地下工程等，导致财产经济损失，甚至危害人身安全.给水管道爆管事故带来的危害是极其严重的，因此，研究和分析爆管的形成原因和预防措施，对预防和减少突发性爆管，改善给水管网系统安全运行，降低成本，节约能耗药耗，减少水质污染，具有重要的社会、经济和环保意义.

1 爆管的类型

爆管（Breaks）暗含了给水管道的结构性故障，它会导致管道的碎裂或者完全断裂，爆管会产生实质性的压力损失，导致破裂点流量的急剧变化.爆管的类型可分为：环向破裂、纵向破裂、承口破裂和罐壁穿孔[1].

2 爆管的成因分析

导致城市供水管网爆管的原因很多，不同地区、不同管材的管网爆管会有不同的主要诱导因素，即使同一处爆管，也有可能是几方面共同作用的结果.

2.1 腐蚀成因

腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素.管道腐蚀是弱化系统完整性的一个主要因素，并且导致给水管道的其他问题，包括破裂、输送能力的减弱以及水质变差，95%的钢管漏水是腐蚀穿孔.

对于城市给水管网，由于历史原因，上世纪五、六十年代使用的给水管材的管道内壁没有加衬，外壁没有防护，金属及其合金的腐蚀主要是化学或电化学作用引起的破坏，有时伴随机械、物理或生物作用.对于非金属材料来说，破坏一般由于直接的化学或物理作用，如氧化、溶解、溶胀等，常见的有混凝土的腐蚀、石料及玻璃等磨损和磨蚀的现象；对于有机物质的材料，主要的破坏性是由细菌、霉菌或昆虫的生命活动引起的；塑料、油漆、橡胶类材料由于紫外线导致聚合物的老化，热能导致材料分解的破坏等现象[1][2].腐蚀主要表现在以下几方面：

2.1.1 外部土壤腐蚀

土壤中含有水分和能进行离子导电的盐类，使土壤具有电解质溶液的特征，因而金属在土壤中将发生电化学腐蚀.同时，土壤中由于细菌作用而引起腐蚀，即微生物腐蚀.外部的腐蚀和侵蚀性的土壤，可以弱化金属和混凝土管道，是导致管道破裂的因素之一.

2.1.2 内部腐蚀

内部腐蚀既可由于石墨化而弱化管道，也可由于其产生的管道结节而减弱管道的水力输送能力而导致爆管.腐蚀及管道结节的程度取决于水的PH值、电导率、溶解氧、腐蚀抑制剂的使用以及水中沉淀趋势（如碳酸钙）.管道结垢是一个相当复杂的过程，管道结垢从成分上可分为盐类垢（碳酸钙、硫酸钙等）、腐蚀垢及泥沙等沉积垢.温度越高，碳酸钙、硫酸钙的溶解度越低，沉淀析出物越多，越容易形成盐类垢；温度的变化，金属的电化学腐蚀也会发生变化，细菌繁殖率也会变化，从而影响腐蚀垢的生成速率；管道中溶解氧的含量高，也会产生严重的腐蚀垢；PH值越大，碳酸钙越容易结晶，污垢越容易生成，PH值越小，腐蚀越大，也会产生腐蚀垢.

2.1.3 杂散电流腐蚀

由于工业和民用用电排入或漏泄至大地，土壤（水）中的杂散电流可导致管道上的腐蚀穿孔.土壤（水）中的杂散电流，表现为直流电流、交流电流和大地电流3种状态.其中直流杂散电流的干扰源，主要有用于直流电解的设备、电焊机、直流输电线等，以直流电气化铁路为代表；交流杂散电流主要来源交流电气铁路、输配电线路及其系统，通过阻性、感性、容性耦合，对邻近的埋地管线或金属体造成干扰，使管道产生流进、流出的交流杂散电流而导致腐蚀；大地电流主要是由地球电磁场的变化感应.杂散电流产生的孔通常是小圆形的，与土壤腐蚀引起的大面积空洞形成鲜明的对比.

2.1.4 两种金属的连接

两种金属的接触会由于电离的存在而导致金属的腐蚀.在配水系统中，腐蚀主要发生在水龙头或者管箍处，特别在潮湿的土壤中容易发生腐蚀.

2.2 外部荷载成因

过高的外部荷载是水管破裂的最大独立因素，可以分为3类：①挖掘期间的接触；②不良安装或者劣质管材；③表面荷载或者基础状况的变化.外部荷载引起的破裂通常是环形断裂，小型管道更容易发生圆周破裂.

过高的负荷以及其他部门的管道，会破坏管道的基础；管道的渗漏，会使地下管道周围土壤流失，形成土壤中的空洞，改变管道的稳定性，造成管道爆裂事故；不能控制的霜冻渗入而引起的负荷，由于冻硬了管道上面的土壤，极大地增加了外部负载，造成管道爆裂事故.

2.3 不良开孔成因

管道开孔会弱化管道，影响其强度，导致其破裂.

2.4 管网运行压力成因

大多数与压力相关的破裂主要是由管道内流速剧烈变化所造成的水锤引起，内部压力引起的破裂通常表现为管道的纵向破裂.如果管网压力调度措施不当，使得管网运行压力超出最不利点压力，管网爆损几率随管道压力的增加而增加.如果管网压力不能保持相对稳定，必然导致高、低峰水压波动，引起管网爆损事故发生，尤其是相对老化的管网发生爆管事故频率更高.

另外，管道材质低劣，耐压性差是管道爆裂的内在因素.相同条件下管道易裂可能性由大到小排列为：普通铸铁管＞石棉水泥管＞球墨铸铁管＞钢筋混凝土管＞钢管，95%的钢管由于腐蚀穿孔而漏水，而75%的铸铁管漏水发生在管道连接承插接口附近.

3 爆管的预防措施

3.1 给水管材的合理选择

在20世纪50年代初，给水工程中大量使用的给水管材为抗拉强度为1.4MPa的灰口铸铁管.由于灰口铸铁管是连续浇铸，管子硬脆，不耐震，不耐冲击，抗弯、抗拉强度差.给水管道往往适应不了高压、重载、震动、冲击和不均匀沉降等环境条件影响，造成管道破裂，发生爆管事故.通过改进铸管工艺，合理选材，推广使用新型管材，如球墨铸铁管、PE管等，淘汰灰口铸铁管，并采用柔性接口，从源头上减少供水管网爆管的可能性.

3.2 加强给水管道的防腐

长期埋设在地下的供水管道由于受到土壤腐蚀和电化学腐蚀的作用，造成管壁变薄、强度降低，从而增加发生爆管事故的可能性。此外，管道结垢，造成过水断面减小，通水能力降低，管道阻力增大，管道超负荷运行而引起爆管。而管龄过长的管道，腐蚀、结垢交互作用，管壁疲劳，更加剧了爆管的危险.

为防止金属管道化学和电化学腐蚀，可对管道的内部进行加衬处理，外部作涂层处理；对大型金属管道，可采取阴极保护措施[3]，防止电化学腐蚀；对由于石墨化而弱化管道或管道结节而减弱管道的水力输送能力，可在水中加入多磷酸盐，使供水管道内部形成保护膜，可减少腐蚀；对于管道结垢，可根据结垢的性质，采取合适的缓蚀剂和清洗剂除垢，也可采用高压水喷射除垢、机械除垢和超声波除垢，保证管道通水能力.

3.3 加强施工质量，避免过高外部荷载

因施工质量造成管道爆裂的现象也屡见不鲜，管道接口是管道施工过程的重要环节之一.目前，管道接口填料存在着过硬、刚性过强的弊病.管道受侧向推力作用，承口受拉，插口受压，而铸铁管抗拉强度差，导致承口破裂.另外，水泥砂浆和膨胀水泥砂浆填料都具有膨胀性，一旦膨胀强度超过承口强度时，将导致承口破裂.并且这两种填料具有抗压强度高的特点，能够传递侧向位移，这也会导致爆管[4].可采取以下措施：

(1)管道附件、爬坡处敷设支墩；

(2)在硬基和软基交接处安装万向伸缩器，消除不均匀沉降造成管道位移而引起管道内部产生的应力.

(3)对于铸铁管道接口，采用刚性、柔性相结合的接口方式，例如采用膨胀水泥和橡胶圈接口，石棉水泥口与青铅口间用，以提高耐压及抗弯强度，同时用CCTV的方法验收，探查管道内部接口等处安装是否符合规范；

(4)在弱地基、沉降不均匀地区和地震区，铸铁管道接口的破坏率较高，应采取柔性接口，可采用滑人式橡胶圈接口、r形橡胶圈接口、柔性机械式接口A型及柔性机械式接口K型等；

(5)管道安装时严格按照规范进行管道基础和回填土的处理，埋深要够，覆土要密实，对管道安装过程中的主要工序及隐蔽工程进行检查验收，加强施工的全程质量控制.管道埋深过深或过浅都会容易形成爆管，管道埋设过深时，由于上部荷载加重管道又没有基础，致使管道发生局部沉陷而产生爆管；管道埋深过浅时，抗重压能力较差，受到管道上面土层，路面的静荷和交通车辆的动负荷作用下，容易造成断裂.此外，如果管道埋深过浅，在冬天气温较低时，由于冰冻的作用，对于使用年限较长的铸铁管更容易造成断裂.

3.4 防止管网运行压力超高

(1)在管线工程中应设置水锤消除器、冲水箱、调压塔、空气缸、缓闭式止回阀等，钢管每隔一段距离设置管道伸缩节，以防止停泵水锤的产生.

(2)建立给水管网监控和数据采集系统SCADA.可对给水管网一些节点的水压和流量进行实时监测，并采用无线传送方式实时将水压和流量信号传回控制中心，监测整个给水系统的工作状况，并设置管网压力限值报警，从而及时采取措施，降低管网中爆损发生的可能性[5].

(3)建立在地理信息系统(GIS)软件平台基础上的给水管网的图形与数据库系统.可以准确描述管网及其组件的空间和属性信息；高效、生动地定位管道、阀门、水表等管网组件，为实际生产运行提供可靠的依据；为施工人员提供管线及其组件的空间位置，避免人为的开挖破坏，在正确开孔和回填之后，还要修补外部涂层和包裹物；发生事故时快速确定关闭阀门.

(4)建立管网的水力模型，分析管网运行状态，预测各类操作对供水管网运行状况的影响，对现有管网的运行状态做出正确评价,对各水厂的出水流量、出水压力进行合理调配，以满足管网的需要。在供水系统发生重大事故时，利用管网水力模型对配水管网运行状态的模拟，分析事故时管网中存在的供水问题，以便采取合理的调度策略，尽可能减少事故的影响范围.

(5)调整管网压力.在供水管网建立测压点，根据各测压点的压力变化合理调度水厂二级泵房，使整个管网压力保持相对稳定，避免由于高、低峰水压波动引起管网爆管；通过设置减压阀分为不同的压力区，适当降低压力过高地区的压力；装置泄压水池；管网中设置电子控制阀门进行调节等等，可适当降低配水系统局部供水水压.

4 结语

城市供水管网由于各种原因引起爆管，带来的危害是极其严重的，预防和减少突发性爆管显得更为迫切.只有科学制定相应的管网爆损预防措施，利用先进的科技手段和先进的仪器设备检测管网，科学调度管网水压，才能及时发现和预防爆管，将爆管消灭在萌芽状态，确保城市供水动脉畅通，保证给水管网系统安全运行.

[1]李树平，刘遂庆.城市给水管网系统[M].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[2]何芳.供水管网爆管分析方法与预防技术研究[D].上海：同济大学，2005.

[3]余蓉蓉，蔡志章.地下金属管道的腐蚀与防护[M].北京：石油工业出版社，2009.

[4]张羽.城市供水管网爆损原因、对策分析和预测模型研究[D].北京：北京工业大学，2007.

[5]王祎，田一梅，单金林,等.供水管网系统爆管预测[J].天津大学学报，2010（9）.