上海市原水管道爆管破坏的原因分析

施 亮

(上海城投原水有限公司，上海 200000)

0 引言

原水管道是上海市区生产、生活用水所需水源的供应大动脉，包括黄浦江一期、二期引水系统和长江一期、二期、三期引水系统以及青草沙引水系统的管道部分。原水管道的安全运营是上海市人民生活的重要保障，本文针对原水管道在冬季容易发生漏水破坏现象进行分析。

张志磊［1］从各方面分析了计算管道组爆管率，进而计算联合爆管率，确定存在隐患的管道;骆升［2］从城市供水管网爆管预警监测系统、供水管网安全运行系统、爆管快速反应抢修系统三个方面进行深入分析。分析了爆管的主要原因是材质较差、管道陈旧、道路改扩建对供水管道的扰动、路面动荷载影响、管道接口和锈蚀等问题。

1 上海原水管线爆管现状描述

经过对2008年以来原水管道爆管现场的调研，发现了以下较为常见的现象:1)管道上方有违章堆土;2)爆管现象绝大多数发生在冬季;3)管线破坏点的位置大多位于焊缝处。结合原水管线自身特点，本文拟从以下三个方面对原水爆管现象进行原因分析:违章堆土;温度应力;焊缝质量。

管道发生破裂，一般是由于主拉应力超过了管材的破坏极限，本文仅考虑原水钢管的情况，原水管道管材一般使用Q235-B，弹性模量 E=2.1 ×1011Pa，泊松比 μ =0.3，质量密度 ρ=7 850 kg/m3。管道直径D=2.7 m，管道厚度t=18 mm。抗拉极限强度σb=375 MPa左右，管道所受到的内压p=0.2 MPa。根据上海软土地层情况，选择常用土体资料作为计算的地质资料。其中:①填土;②粉质粘土;③夹砂质粉土;④淤泥质粉质粘土;⑤淤泥质粘土。土的重度统一取为γ=18 kN/m3。

2 针对爆管的原因分析

2.1 违章堆土对管道的影响

1)堆土引起管道变形分析:为了计算堆载作用下管道变形情况，首先利用有限元方法计算管道的变形。将管道简化为截面为圆管的梁单元，置于上述的土层上，采用两层之间位移耦合定义，土层与梁之间定义为y向位移，即两者下沉一致，见图1。

图1 管道变形受力图

考虑管道的直径D=2.7 m，管壁厚度t=18 mm;当堆载高度h=3 m，位于管道的上方，堆载长度40 m。有限元模型取管道长度100 m，40 m长的堆载位于有限元模型中间。采用ANSYS有限元程序计算，管道和土体的参数与上面相同。

根据管道堆载的ANSYS有限元计算结果，得到不同堆载高度下有限元计算的管道相对位移和转角，管道沿荷载中心对称。

以上单独分析堆土对管道的影响，并未考虑管道内压的影响，由于原水管线通常处于通水状态破坏，原水管线运营水压通常为0.2 MPa，下面重点考虑在0.2 MPa作用下管道的受力情况。

2)在堆土和管道内压共同作用下的管道内力分析:根据上述管道的弯曲变形结果，建立管道的应力有限元模型。考虑管道变形的对称性，取一侧管道长度20 m，管道的两端为位移约束。管道受到内压为0.2 MPa，在管道周围施加土压力，上面考虑堆载和土体重力作用，管道的两侧和底部考虑埋管承受的土体重力作用的载荷。管道截面受力见图2，堆载和内压共同作用下的管道受力值见表1。

图2 管道截面受力图

表1 堆载和内压共同作用下的管道受力值

2.2 温度应力对管道的影响

如果考虑到由于温度降低导致管道温度拉应力:

其中，E为管道的弹性模量;α为管道材料的热膨胀系数;ΔT为温度增量。

表2 堆载与温度应力的综合考虑

通过上述计算可以看到，在堆载、内压和温度应力的综合作用下，3 m高堆土在温度降低20℃情况下，管道已经达到屈服强度，但不会爆管(见表2)。根据爆管现象的总结，漏水点通常处于焊缝位置处，因此焊缝质量也是需要考虑的重要因素。

2.3 焊缝质量对管道的影响

在原水管网中，钢管占据大部分比重，钢管一般使用焊接的方法连接在一起，由于施工质量的影响，钢管的焊接很难完全达到要求，而后续检验焊缝质量的也经常采用抽样检查的方式，焊缝质量难以保证没有缺陷，破坏通常从焊接有缺陷的薄弱环节开始。因此，焊缝质量对管道的安全有着重要影响。

下面重点考虑对接焊缝错边量对管道受力的影响。

在管子对接焊缝的对口错边量b引起的最大轴向应力增加量公式为:

其中，σz为管道轴向应力;S为管壁最小厚度。

可知，错边量和管道的厚度比值在0.1时，原水管道轴向应力将增加30%;比值为0.3时，原水管道的应力将增加到90%。

由上述计算可知，如果在堆高2 m和温度下降20℃，管子对口错边量b与管厚比值0.3的情况下，可得最大管道的轴向拉应力为381.2 MPa，已经超过母材的强度极限。堆载1 m高时，最大管道的轴向拉应力为348.5 MPa。

3 结语

本文结合原水管道的基本情况，考虑了在堆土荷载、温度应力以及内水压的综合作用的最不利荷载的情况下，管道的最大轴向拉应力，得到在这些因素的综合作用下，管道在2 m的违章堆土、20℃温度变化、0.2 MPa水压的综合作用下，管道已经接近屈服状态，但并不至于发生爆管破坏，由于原水管道之间焊接而成，焊缝的质量好坏成为了爆管的一个重要因素。

根据以上分析，本文给出以下建议:

1)管道施工阶段严格检查焊接质量，采用新型检测手段，检验焊缝的质量。2)加强对管线上方的管理，定期巡视，发现违规堆土立即上报，同时加强管道周围居民的法律意识，积极参与到原水保护的工作中来。

［1］张志磊.供水管网爆管原因分析与预测研究［J］.供水技术，2014，8(5):13-17.

［2］骆 升.城市大口径给水管道爆管对策措施［D］.杭州:浙江工业大学，2012.

［3］杨启明.压力容器与管道安全评价［M］.北京:机械工业出版社，2010.