输水工程管道打压试验充水量确定及升压泵选择

马传波

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）



输水工程管道打压试验充水量确定及升压泵选择

马传波

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

摘要：充水量计算是选择升压泵的关键。文章着重介绍管道打压试验时，管道变形体积增量的计算和水体积被压缩量的计算，得出充水量计算方法，并结合工程实例，提出升压水泵的选取原则，为管道打压试验时，充水量的确定及升压泵的选择提供参考依据。

关键词：输水工程；管道；打压试验；充水量；升压泵

针对我国水资源分布不均，经济社会发展受到限制的现状，国家对水利事业的投入不断加大，水利行业蓬勃发展，全国各地涌现出一大批输水工程。作为常用的输水介质，管道在输水工程中的运用越来越广泛。管道材料层出不穷，管道口径越来越大，工作压力也越来越高。保证输水管道的安全运行，保障社会经济的持续发展和人民群众的生命和财产安全，是我们水利行业从业者所必须认真考虑的。

管道打压试验是管道安装完成后，对管道安全性测试的必要手段，是管道工程日后运行的一次预演。而充水量的计算及水泵的选择又是顺利完成打压试验的重中之重。进行输水工程管道打压试验时，管道在压力作用下体积发生膨胀，而管道中的水体在压力的作用下，体积被压缩，管道膨胀增大的体积与水体被压缩的体积之和，即为打压试验时需要的充水量。

1 管道变形体积增量计算

管线工程在打压过程中，由于管道受到内水压力，管壁必然产生变形。没有固定端约束的管道存在环向和轴向两个方向的变形。假设管道的试验压力为P，管道折算壁厚为δ，管道的初始长度为L，管道的初始直径为D。管道材料的弹性模量为Ec，管道截面积为A，计算环向和轴向变形的体积增量。

1.1 管道环向变形体积增量计算

在内水压力作用下，管道环向发生膨胀，假设环向单位长度的伸长量为△L′，那么则有下列等式：

管道环向总伸长量△L：

膨胀后管道直径d：

膨胀后单位长度体积增加量△V1：

将式（2）代入式（3）：

1.2 管道轴向变形体积增量计算

在内水压力作用下，如果管端封闭，在内压的作用下，管道将沿轴向升长，单位长度轴向伸长变形△L，那么则有下列等式：

管道伸长后单位长度体积增加量△V2：

（不考虑因环向膨胀引起的面积变化）

比较式（4）和（5）可知，自由管道在内压的作用下变形时，环向变形所产生的体积增量至少为管道轴向变形体积增量的4倍，即管道环向变形是管道体积增大的主要原因。且在实际打压过程中，管端均有或多或少的约束，且有回填土摩擦力的存在，管道不可能自由伸长，即管道实际伸长量要远远小于自由管道伸长量，故由于管道伸长而引起体积的变量可忽略不计。

另外，打压试验时回填土对管道的变形也有束缚，但一般管道（PCCP，钢管等）的弹性模量远远高于回填土的弹性模量，故在管道受内压膨胀过程中，回填土对管道膨胀影响极小，基本可以不考虑回填土对管道膨胀的影响。

再仔细分析式（4）可以发现，该等式由加号两侧部分组成，且后侧部分为前侧部分的高阶小量，因此在实际计算时，后侧部分可忽略不计。即管道膨胀体积增量为：

2 水体积被压缩量计算

由于水的体积压缩模量与混凝土弹性模量几乎处在同一量级，即管道的膨胀量与水的被压缩量处在同一量级，因此在管道打压试验时，水的压缩量也必须考虑。

假设水的体积模量为Ew，内压为P时，单位长度管道水的压缩量△V3：

3 充水量计算

打压试验的充水量V为管道膨胀增大的体积与水体被压缩的体积之和，即

4 升压水泵的选择

打压试验时，由于管道的直径和所需的试验压力各不相同，因此充水量也就不同。如升压泵采用过大流量的泵，则充水时间短，但管道压力升高较快，试验过程不易控制，对管道的安全有影响。反之，采用过小流量的水泵，则试验时间过于漫长，乃至影响整个工程的工期。所以升压泵的选择应结合实际工程情况，正确计算管道升压所需的充水量，选择合适的参数的水泵，下面结合工程实例，介绍升压水泵的选取原则。

5 计算实例

以本工程为例，在实际打压试验时，试验压力为1.37MPa，当管道压力超过0.6MPa时，为保证管道的安全性，压力每升高20m做一次间隔。该打压段约长1000m，管径3.4m，管材为 PCCP，钢筒厚度δ=1.5mm，砂浆厚度δ3=40mm，缠丝面积S1=4452mm2/m，管芯厚度d=255mm，钢丝直径d1=7mm，管芯混凝土标号C50，管芯混凝土弹性膜量Eh，S2混凝土管单位长度面积，压力每升高20m，需注入水量计算如下：

钢筒折算成C50混凝土的厚度δ1：

钢丝折算成C50混凝土的厚度δ2：

由以上计算结果可知，钢筒与钢丝折算厚度折算厚δ1，δ2度远小于管芯厚度δ，因此在计算时钢筒与钢丝折算厚度可以忽略不计，管道的折算厚度即为PCCP的管芯厚度。

加压过程充水量及压力变化理论值见表1。

表1 升压过程充水量计算表

由上表可知，在一定的压力范围内，管道的压力升高值与补水体积呈线性关系，即补水流量一定，则压力上升一定。而水泵在压力升高后，流量将发生变化。仔细分析，由于内压低时管道承受能力较高，此时充水流量大并不十分影响管道的安全。管道升压过程中的危险阶段应是管道内压接近试验压力的时刻，应以此时为控制阶段。即水泵的扬程及流量的选择应着重考虑管道高内压时的充水速度。

以本工程为例，选泵的原则是管道从120m水头加压到137m水头时管道的充水时间不小于10min，同时考虑水泵尽量在高效率区运行以减小水泵损耗和节省能量，故选择一台额定扬程为120m，额定流量为10m3/h左右的离心水泵即可满足试验要求。

6 结语

结合工程的实际情况，管道打压试验可分为2个步骤来实施，在充水初期，管道未充满之前，可以选择流量较大的水泵，较快速的向管内充水。管道充满需升压后，再根据计算，选择合适的升压泵充水升压，这样能够充分节省打压试验所需的时间。

值得注意的是，一些工程在打压试验过程中存在管道内部空气未排净的情况。由于空气比水容易被压缩，导致在实际升压试验过程中，需要补充进去比计算值更多体积的水，才能达到设定的压力值。我们并不能因出现这样的情况而更选大流量的水泵，因为随着管道内部压力的不断升高，空气能被压缩的量也逐渐减小，如果水泵流量过大，极有可能损坏管材结构，从而埋下安全隐患。

打压试验对管道的运行至关重要，而计算升压所需充水量，选择合适的升压水泵是管道打压试验的重点。计算正确、选泵合适，不光能节省打压试验的时间，更能保证管道在打压试验中的安全，为工程以后的正常运行打下基础。

参考文献

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中图分类号：TV672+.2

文献标识码：B

文章编号：1008-1305（2016）02-0065-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.028

收稿日期：2015-03-02

作者简介：马传波（1979年—），男，高级工程师。