十里河水库工程高压长距离供水管道设计要点分析

王自新,冯梦雪,陆 伟

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

1 工程概况

云南省十里河水库工程位于云南省玉溪市新平县，工程建设任务是为城乡供水和农业灌溉，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。主体工程由枢纽、供水、灌溉三大部分组成，其中供水工程自十里河水库取水，水库建成后正常蓄水位为1 947 m，供水管线沿山体走势浅埋敷设，穿越元江倒虹吸段最低处管道中心高程为475 m。供水干管设计流量为0.308 m3/s，管径为D600 mm。受水点有两处：左分干管终点为2 019 m高程的新化乡瓦白果水库；右左分干管终点为1 552 m高程的新平县城团结水库。

2 设计要点分析

本工程供水线路大部分为高压管道，经调研，国内单级静水头最大的水电站工程有：云南滇中供水工程双管倒虹吸管钢管管径为D4 170 mm，最大静水头为 209 m；四川苏八姑水电站钢管管径为1 000 mm，最大静水头为 1 175 m；云南南极洛河水电站钢管管径为1 200 mm，最大静水头为1 092 m；桂林天湖电站钢管管径为1 000 mm，最大静水头为1 072 m。国内单级设计压力最大的输水工程有：云南元阳县南沙河灌溉管道工程，灌溉钢管管径为1.4 m，最大设计压力为4.7 MPa；云南玉溪三湖补水应急工程，加压泵站钢管管径为1.2 m，最大设计压力为 4.2 MPa；云南滇中供水工程，倒虹吸钢管管径为4.17 m，最大设计压力为2.09 MPa；贵州盘县朱昌河水库工程，供水钢管管径为1.2 m，最大设计压力为4 MPa。在国内已建的引调水工程中，单级输水设计压力均未超过6 MPa[1]。

石油天然气行业的压力管道主要用于长距离输送石油、天然气，通常采用浅埋柔性敷设方式。与输水管道相比，油气管道具有管径小，压力高、运量大、密闭性好等特点。如：中俄原油管道二线工程，管道全长为942 km，管径为813 mm，最大设计压力为11.5 MPa；西气东输一线工程，主干线管道全长约4 000 km，管径为1 016 mm，最大设计压力为11.5 MPa；西气东输二线工程，主干线管道全长为4 895 km，管径为1 219 mm，最大设计压力为12 MPa；川气东送工程，管道全长为2 206 km，管径为1 016 mm，最大设计压力为10 MPa。

管道设计首先是先确定好管道所要承受的最大压力，对于长距离输水管道，常规设计是采用先减压、再加压提水方案，以降低高压管段的施工难度和运行风险[2-5]。本工程管线具备全重力流条件，若采用全重力流输水方案，最大静水头达1 472 m，HD值达883.2 m2，输水压力为国内外最高。全重力流方案主要存在以下几个技术难题：① 供水方式选择和管线布置问题；② 高压钢管材质和制作成型工艺选择问题；③ 管道阀门选型，特别是高压进气排气阀、爆管关断阀的选择问题；④ 高压钢管在线监测问题。因此，在安全可靠、经济合理的前提下对供水方式和和管线布置进行全重力流方案和常规减压方案比选是本工程首要解决的技术难题。

3 供水方式比选

从充分利用天然地形高差以及后期运行管理方便的角度出发，供水方式宜首选全重力流供水方式，本工程考虑水锤后的管道最大设计压力为16 MPa，高压钢管设计、制造、安装难度大，运行风险高。全重力流供水方式在满足能自流到团结水库的前提下，进一步比选在首部1 775 m高程处增设减压池和减压阀方案，可将管道最大设计压力有效减小2 MPa。

采用分级减压方案时，应以最大化利用地形高差进行分段分级，合理控制重力流最大设计压力。本次设计参考国内外长距离供水工程的设计压力，分别按单级最大设计压力8 MPa、6 MPa比选两个分级减压方案，每个减压方案在沿途设多个减压池和减压阀减压，穿越元江后在合适位置设一级或多级加压泵站提水到受水点，将最后一级减压池—元江以及元江—一级加压泵站间的管段作为重力流最大压力控制段。

3.1 全重力流方案1(无减压池)

从十里河水库至团结水库采用全重力流供水方式，在K42+250处设1个分水池分出左右分干管，分水池水位为1 667.35 m。左分干管在分水池后设1个加压泵站，加压输水至瓦白果水库。该方案即使采取延长关阀时间和智能控制等措施减小水锤压力后，管道设计压力仍高达16 MPa，且高压段长度约20 km，如此高压力在国、内外长距离供水管线工程甚至在石油天然气行业均无先例，管道的设计、制造、安装难度和运行风险极大。管线纵剖面如图1所示。

3.2 全重力流方案2(有减压池)

在方案1的基础上，在十里河水库下游K4+810位置设1个减压池，减压池水面高程为1 775.0 m，减压池至团结水库间的管段满足全重力流供水条件。该方案考虑水锤压力后，管道设计压力达14 MPa，较方案1减少了2 MPa，高压段仍长达20 km。和方案1相比，该方案管道的设计、制造、安装难度和运行风险有所降低，但高压管道的一系列技术难题依然存在。管线纵剖面如图2所示。

图1 全重力流方案1管线纵剖面示意

图2 全重力流方案2管线纵剖面示意

3.3 减压方案1(5级减压、1级加压)

为控制管道最大设计压力不超过8 MPa，在十里河水库下游依次设5级减压池，单级减压池高差控制在170 m以内，最后1级减压池水面高程为1 200 m。最后1级减压池至元江东侧1 150 m高程间的管段满足重力流供水条件。在1 150 m高程处设有1个加压泵站，分别加压输水至瓦白果水库和团结水库，泵站最大静扬程为869 m。减压方案与全重力流方案1、方案2相比，该方案管道的设计、制造、安装难度降低较多，运行相对安全，但运行管理较复杂。管线纵剖面如图3所示。

3.4 减压方案2(6级减压、3级加压)

为控制管道最大设计压力不超过6 MPa，在十里河水库下游设6级减压池，单级减压池高差控制在170 m以内，最后1级减压池水面高程为950 m。最后1级减压池至元江东侧825 m高程间的管段满足重力流供水条件。在825 m高程、1 270 m高程和1 650 m高程处各设有1个加压泵站，逐级加压输水至瓦白果水库和团结水库，泵站最大静扬程445 m。和减压方案1相比，该方案管道的的设计压力减少了2 MPa，管道的设计、制造、安装难度最小，运行更安全，但运行管理较复杂、运行费高。管线纵剖面如图4所示。

图3 减压方案1管线纵剖面示意

图4 减压方案2管线纵剖面示意

3.5 供水方式选定

全重力流和分级减压供水方式各方案对比分析见表1。

对表1中4个方案的技术、经济、可靠性等进行对比分析可以看出，全重力流方案较减压方案来说，虽然工程投资较高，但运行费低，运行管理方便。全重力流方案2较方案1来说，管道设计压力减小了2 MPa，工程投资和运行风险均有所降低，对工程无任何不利影响，因此供水方式最终选择方案2，即设有1个减压池的全重力流供水方式，管道按最大设计压力14 MPa进行设计、阀按最大公称压力16 MPa进行选型和布置[6]。

表1 全重力流和分级减压供水方式对比分析

4 高压钢管设计制造比选

压力钢管设计应在满足强度、刚度、稳定性计算的前提下，结合制造、安装条件，选用合适管材。本工程高压钢管选用600 MPa级高强钢，最大壁厚为24 mm，管径与壁厚的比值为25，大大超出设计规范要求径厚比不小于57限值的规定，已达到国内钢管的制作加工极限，且厚壁钢管现场焊接质量问题难以保证，因此需对高压钢管的管材、制作成型工艺、力学性能等进行一系列分析研究，同时借助相关的科学试验研究作为技术支撑。

4.1 管材比选

1) 水利水电工程管材

水利水电工程中低压钢管管材牌号通常选用Q235、Q275碳素结构钢、Q355、Q390、Q420等低合金结构钢、Q245R、Q345R等压力容器用钢。高压钢管为减小管壁厚度，便于制作和现场安装焊接，常选用高强钢。常用的高强钢有Q460、Q500、Q620等高强度结构钢、Q460CF、Q500CF、Q620CF等低焊接裂纹敏感性高强度钢、07MnMoVR、WDB620CF、XDB610CF等压力容器用高强度钢。近20 a来，低焊接裂纹敏感性高强钢(CF钢)在高水头水电站压力钢管、机组蜗壳中获得广泛应用，这种类型高强钢具有良好的强韧性匹配、优良的低温冲击韧性和冷成型性、良好的焊接性能。目前国产800 MPa级CF高强钢已在乌东德水电站、白鹤滩水电站获得了成功应用。

2) 油气管道工程管材

石油、天然气行业管道管材牌号一般选用管线钢，管线钢最初是从国外引进，主要用于油气输送工程，目前已实现国产量化。管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢，是高技术含量和高附加值的产品，通过添加微量元素，高强度、高冲击韧性、低的韧脆转变温度、良好的焊接性能、优良的抗氢致开裂(HIC)和抗硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)性能。常用的管线钢牌号有API Spec 5L标准的B、X42、X46、X52、X60、X65、X70、X80，分别对应GB/T 9711标准的L245、L290、L320、L360、L415、L450、L485、L555，钢级分为PSL1和PSL2两种。

3) 管材确定

本工程管道输送介质为水库原水，中低压钢管管材选用Q345R，高压钢管管材选用性能较优的X70，首次将高强度管线钢用于长距离输水工程[7-9]。设计要求钢材屈强比控制在0.9以下，焊缝须做焊接工艺评定，每根钢管均须在厂内做UT、RT探伤检验和水压试验，水压试验压力不小于钢材屈服强度的90%。

4.2 钢管成型工艺比选

水利水电工程大口径压力钢管成型普遍采用直缝卷制工艺，小口径压力钢管成型常用无缝制作工艺；石油天然气工程钢管成型常用螺旋缝卷制工艺、高频焊接工艺、直缝压制工艺。

1) 无缝钢管(SMLS)

SMLS管采用热挤压工艺或热轧工艺成型，生产的钢管外径一般为33.4～1 200 mm，壁厚不大于200 mm，单节长度可达10 m以上，多用于锅炉、核电、火电行业以及液压启闭机缸体。SMLS管质量相对可靠，生产的管径一般不大，适应于厚壁小管，无缝钢管外径偏差和厚度偏差较大，且406 mm以上直径的无缝钢管造价较高。

2) 卷制埋弧焊管

这种钢管是使用卷板机将单块钢板沿轧制方向卷制，自动埋弧焊接，生产的管径不小于300 mm，单节长度一般为2～3 m。这种钢管生产设备简单，生产效率低，管节短环缝多，造价低，但可生产各种大口径钢管、异形钢管，水利水电工程中广泛采用。目前最大的水平下调式三辊卷板机可生产厚度250 mm(Q235)、宽度4 m的钢管。板端压头可在卷板机上通过模具压出，也可单独用压机压出。钢管焊接后一般需要用卷板机回园，必要时管口用锥头模具整园。

3) 螺旋缝埋弧焊管(SAWH)

SAWH管使用钢带螺旋卷制，双面埋弧焊接，生产的钢管外径为273～2 388 mm，壁厚为6.4～25.4 mm，单节长度可达12～18 m，石油天然气管道上大量应用。SAWH管的生产厂家参差不齐，生产工艺简单，但流水线生产效率高，尤其适用于薄壁中低压管道批量化生产。目前长距离输水工程已逐渐使用SAWH管，但使用压力一般不超过4 MPa，远比不上石油天然气管道的输送压力。

4) 高频电阻焊管(HFW)

（3）设计/开发解决方案:能够针对复杂的非数值处理问题设计合理的解决方案，并能够在设计环节中体现创新意识，从而具备计算机软件工作所需要的基本能力。

HFW管使用钢带轧辊成型，高频电流融熔母材施焊，生产的钢管外径一般为219.1～610 mm，壁厚为4～19.1 mm，单节长度可达12～18 m，石油天然气管道上大量应用。HFW管的生产过程控制严格，流水线生产效率高，质量可靠，尤其适应于小直径厚壁管批量化生产，但管径需适应钢带宽度要求，否则钢带废料较多不经济。

5) 直缝埋弧焊管(SAWL)

SAWL管是使用压机将单块钢板垂直轧制方向压制，自动埋弧焊接，生产的钢管外径一般为406～1 622 mm，壁厚为8～45 mm(X65)，单节长度可达12～18 m。SAWL在石油天然气管道上大量应用，水利行业长基本未采用。SAWL管的生产过程控制严格，生产效率高，流水线生产效率高，质量可靠，尤其适应于厚壁管批量化生产。SAWL管常用的成型方式有“JCOE” “UOE”两种。“JCOE”不需模具，成型精度略低，可生产非标尺寸，适用范围广。 “UOE”需要使用不同规格模具，成型精度和效率高，适用于标准规格、批量化生产。

6) 钢管成型工艺确定

经对以上各种钢管成型工艺分析，本工程D500 mm及以上钢管采用SAWL管，D300～500 mm钢管采用HFW或SAWH管，D300 mm以下钢管采用SMLS管。这几种钢管的单节管长为6～12 m，现场安装环缝数量大大减少，可有效缩短施工工期，降低现场安装焊接带来的安全隐患。本工程设计、施工难度最大的当属穿越元江段钢管，此处钢管设计压力14 MPa，管径D600 mm，采用X70设计时的管壁厚度为24 mm。该段高压管道专门采用SAWL工艺按1:1生产出了长度12 m管节，进行了材料力学性能试验、铁研试验、焊接工艺评定、成品管力学性能试验以及水压爆破试验，各项技术指标均满足要求，证明了输水工程高压管道采用SAWL工艺制作是完全可行的。试验用管如图5所示。

图5 试验用管示意

5 高压阀选型

管道附件主要包括检修阀、泄水阀、调流阀、泄压阀、进气排气阀、爆管关断阀等，本次设计管道沿线上的检修阀和泄水阀选用高压球阀，能满足公称压力14 MPa的要求，主阀设有旁通管和旁通阀用于阀前后平压。调流阀设在管道进入水池或水库的入口处，公称压力不超过2.5 MPa，选用最后一级活塞阀，由水位计精确控制阀门开度从而控制水池或水库水位。泄压阀设在活塞阀前，由先导阀控制，泄压压力值根据需要现场调节。高压进气排气阀和爆管关断阀是决定本工程供水安全的关键设备[10]，其选型设计是本次研究重点。

5.1 高压自动进气排气阀

根据规范《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》CECS193:2005[11]规定，本工程进气排气阀采用防水锤型，口径取输水管道直径的1/6，即DN100 mm。据了解国内已建工程高压进气排气阀使用压力达到10 MPa的仅有北京冬奥会工程、中天合创鄂尔多斯煤碳深加工工程等极少数，生产过高压进气排气阀的厂家极少，比较知名的厂商有：以色列ARI阀门公司、以色列BERMAD阀门公司、湖北大禹阀门公司、武汉阀门水处理公司等，这些厂家分别生产过5～10 MPa的高压进气排气阀。

本工程高压自动进气排气阀最大公称压力确定采用10 MPa，阀按管道最大静压不超过8 MPa进行布置[12-13]。对高压进气排气阀专门进行了1:1产品研发，进行了耐压、高压密封、低压密封、排气量、补气量、负压开启等型式试验和性能检测，发出了结构合理、安全可靠、性能稳定的产品。

5.2 高压手动进气排气阀

本工程有20 km以上管线设计压力大于10 MPa，对如此高压力的进气排气阀因无阀可选，本次设计借鉴石油输送管道设计理念。石油输送管道沿途不设排气阀，首次排气采用压力水通球方法完成，正常运行时不再考虑管内气体的影响。

本工程对设计压力10 MPa以上的高压管段选用高压手动球阀作为进气排气阀，运行期间球阀关闭，依靠管线沿途设置的自动进气排气阀实现排气和补气；检修时人工手动打开球阀进行排气和补气。高压手动球阀操作起来较为不便，需要多名运维人员现场协同操作，需制定和执行严格的操作规程。考虑到管道检修机率较低，压力高，本次设计在高压管段上选用高压手动进气排气阀。

为减小运行期管道内部气体的不利影响，设计上通过加大管道取水口处水深，在沿途设置足够的防水锤型进气排气阀等多种措施，减小气体吸入量、水中溶解气体和未排尽气体在管道内可能形成的断塞流和弥合水锤，确保管道结构安全和运行安全。

5.3 爆管关断阀

本工程由于输水压力高、管线长，10 MPa以上自动进气排气阀设置受限，一旦爆管，产生的高压水流将对周边村庄、建筑物和人身安全造成很大破坏。为防止爆管造成的事故扩大，在穿越元江倒虹吸高压管段的下平段两侧和前后坡段各设置1套D600-PN40爆管关断阀，主阀选用球阀，事故时通过重锤或蓄能罐快速关闭。为避免关阀时在阀后形成真空，在阀后配套设置大口径真空补气阀，通过大量补气减小管内负压。

爆管时由于管道破口处压力陡降，将引起管内流速迅速加大，此时爆管关断阀若关阀太快，将对上游管道造成巨大水锤冲击，极易引发二次爆管事故，因此，爆管关断阀需经过水力过渡过程计算，确定关阀时间和关阀过程曲线，目前正在进行相关研究。

6 结语

云南省十里河水库工程虽然供水规模不大，但其管道设计压力已远远突破国内外长距离输水压力规模，高压管道设计经过大量调研、专家咨询和一系列科学试验研究，同时借鉴了油气管道行业成功设计经验，目前已逐步解决了高压管道设计的关键技术难题，力争在行业内取得技术创新和科技推广。