（市政工程专业论文）长距离输水管道事故分析及其关键技术研究.pdf

长距离输水管道事故分析及其关键技术研究 摘要 随着我国经济建设的迅速发展，城市用水需求量大幅增加，输水距离越来 越远，但长距离输水管道事故是供水行业普遍存在的现象，目前无系统的关于 长距离输水管道漏损及爆管事故研究，并且断流弥合水击及其解决措施是一个 相当复杂的课题，仍在深入研究。要从根本上解决长距离输水管道事故问题， 应从事故原因上和事故机理上进行分析，从而为选择事故控制方法采取针对性 措施提供依据。 本文的主导思想是加强理论与实际应用的结合，将理论科学研究应用于实 际的工作中，为解决工程中的实际问题，提供有效的工具和方法。 首先，通过对目前供水部门长距离输水管道漏损发生原因的综合论述，从 设计、施工、维护角度系统的并有针对性的提出了减少漏损频率，降低漏水量 的技术措施。 其次，针对长距离输水管道爆管的现象，分析长距离输水管道内压力变化 及其液体流态。在此基础上，利用m a t l a b 编程工具结合实例对长距离输水管道 非恒定流水力系统进行事故分析，得出长距离输水管道系统事故原因，并针对 对长距离输水管道破坏最大的断流弥合水击进行分析及防护。 关键词：长距离输水管道事故漏损爆管水击m a t l a b 软件 l o n g d i s t a n c ew a t e rp i p e l i n ea c c i d e n ta n a l y s i sa n di t s k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h a b s t r a c t a st h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m i c c o n s t r u c t i o na n dt h e s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s eo fu r b a nw a t e rd e m a n d ，t h ed i s t a n c eo fw a t e rg e t t i n gf a r t h e r a n df a r t h e r h o w e v e r , l o n g d i s t a n c ew a t e rp i p e l i n ea c c i d e n tw a st h e p r e v a i l i n g s i t u a t i o no fw a t e rs u p p l yi n d u s t r y , a n da t p r e s e n t ，t h e r ea r en os y s t e m a t i cs t u d vi n l o n g 。d i s t a n c ew a t e rp i p e l i n el e a k a g ea n db u r s ti n c i d e n t a l s ot h es o l u t i o no f c a v i t i e sa n dw a t e rh a m m e ri sa v e r yc o m p l e xi s s u e ，w h i c hi ss t i l li n d e p t hs t u d y t o f u n d a m e n t a l l ys o l v et h ea c c i d e n tp r o b l e ml o n g d i s t a n c ew a t e rp i p e l i n e ss h o u l db e a n a l y s e do nt h ec a u s ea n dm e c h a n i s mo ft h ea c c i d e n t ，s oa st os e l e ct h ei n c i d e n t c o n t r o lm e t h o d st op r o v i d ea t a r g e t e dm e a s u r e i nt h i sp a p e r , t h e o r yo fs c i e n t i f i cr e s e a r c hw i l lb eu s e di np r a c t i c a lw o r k i n o r d e rt os o l v ep r a c t i c a l p r o b l e m si n e n g i n e e r i n g ，p r o v i d ee f f e c t i v et o o l sa n d m e t h o d s f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h es y n t h e s i so f d e p a r t m e n to nt h ec u r r e n tl o n g - d i s t a n c e w a t e r p i p e l i n el e a k a g ec a u s e s ，i nt h e a s p e c to fd e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n d m a i n t e n a n c e ，p r o p o s i n gt e c h n i c a lm e a s u r e st or e d u c et h el e a k a g e s e c o n d l y , f o rt h es i t u a t i o no fl o n g d i s t a n c ew a t e r p i p e l i n e sb u r s t ，a n a l y s i n gi t s s t r e s sc h a n g e sa n df l u i df l o w , a n ds e t i n g u pu n s t e a d yh y d r a u l i cm o d e l t h e n t h e u n s t e a d yh y d r a u l i cm o d e lw i l lb es o l v e d i m p l e m e n t l yb yu s i n gm a t l a b p r o g r a m m i n gt o o l sw i t he x a m p l e so fl o n g d i s t a n c ew a t e rp i p e l i n e s a n dt h e p r o t e c t i o nw i l lb ep r o p d s e dt oa g a i n s tv e r yl a r g eb r e a k a g eo fc a v i t i e sa n dw a t e r h a m m e r k e yw o r d s ：l o n g d i s t a n c ew a t e r p i p e l i n e s ，a c c i d e n t ，l e a k a g e ，s q u i b ，w a t e r h a m m e r ，m a t l a bs o f t w a r e 插图清单 图3 1 六种气液两相流流态15 图3 2x f 平面上的特征线2 6 图3 3 特征线网格示意。2 7 图3 4 水柱分离的简化图3 0 图3 5 水柱分离管路图3 3 图4 1 宝鸡市冯家山水库引水工程桩号5 + 3 2 2 桩号6 + 9 6 0 管段铺设纵断面3 8 图4 2 简化的爆管管段输水系统示意3 8 图4 3 非恒定流水力分析框图。4 1 图4 - 4 第一次的爆管点在正常关阀时压力变化图4 1 图4 5 第三次的爆管点在正常关阀时压力变化图4 1 图4 - 6 第二次的爆管点在正常关阀时压力变化图4 1 图4 7 简化的爆管管段输水系统示意。4 6 图4 8 非恒定流断流处水力分析计算框图。4 7 图4 9 发生爆管点在正常关阀时压力变化图4 8 图4 1 0 发生爆管点在正常关阀时空气腔体积图4 1 图4 1 1 非恒定流有自动进气装置处( 空气起缓冲作用) 水力分析计算框图4 9 图4 1 2 发生事故点在正常关阀、有自动进气装置时的压力变化图5 0 图4 1 3 发生事故点在正常关阀、有自动进气装置时的空气腔长度图5 0 表格清单 表1 11 9 9 8 年不同漏损率范围的城市统计情况2 表1 21 9 9 8 年不同单位管长漏损量范围的城市统计情况3 表2 1 牺牲阳极与强制电流的比较”1 3 表2 2 土壤电阻率与土壤腐蚀性( q m ) 1 4 表2 3 自然电位与土壤腐蚀性”1 4 表3 1 各种规范推荐采用的水力计算公式”1 9 表3 2 铸铁管的a 值2 2 表4 1 钢筋力学性能检验结果4 4 表4 2 混凝土强度检验结果”4 4 表4 3 输水管道分段参数4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金g 巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字羲阉净字晚节绷伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥g 巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥目曼王些盘 兰芑一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做者躲童闭狗导师躲 签字日期砷年和2 日 签字日期：叫年甲月f p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 蛹：| 撇气o 邮编： 致谢 本文的研究工作是在导师沈致和教授的悉心指导下完成的。导师严谨的治 学态度、一丝不苟的工作精神、平易近人的作风、以及对科学和教育事业的无 私奉献精神，都使我受益匪浅。在这几年的学习和工作中，导师对我的关心、 支持和爱护使我终生难忘。在此，谨向恩师致以崇高的敬意和衷心的谢意。 在研究生学习阶段和论文选题的过程中，还得到了土木与水利工程学院多 位老师的精心指导和帮助，对他们表示诚挚的感谢! 同时，也向本论文的评阅 人和答辩委员们表示衷心的感谢! 在课题的研究和论文写作过程中，还得到了王勇、乐永生、闫丽芳等同学 的帮助，感谢他们与我一起度过这段难忘的学习历程! 最后，感谢我的家人! 正是他们的默默奉献及理解、支持和帮助，才使我 的学业和论文工作得以顺利完成。 作者： 2 0 0 9 年2 月2 5 日 第一章前言 水是生命之源，是社会发展和人类生活必不可少的有限资源，与人类的繁 衍生存息息相关。作为人类赖以生存的基础，它是国民经济的命脉，直接影响 着生产力的发展和城市的兴衰。作为2 1 世纪的紧急问题，许多大城市都面临水 资源短缺的问题。在以后的十几年中，世界淡水资源的需求量几乎是地球上每 年所有水量的一半，水危机己经成为许多大城市发展的瓶颈。而我国水资源 总量为每年2 8 0 0 0 亿立方米，居世界第6 位，但人均水量仅为每年2 7 3 0 立方米， 居世界第8 8 位，相当于世界平均水平的1 4 ，且时空分布不均匀，南多北少， 东多西少，春夏多，秋冬少，我国有2 3 土地年降雨量不到2 0 0 m m 。我国可供 利用的水资源为每年l1 0 0 0 亿立方米，水资源已开采水量为每年5 0 0 0 亿立方米， 其中农业用水占6 5 ，工业用水占1 5 ，生活用水占2 0 。随着国民经济的增长 和人民生活水平的提高，我国的给水事业进入了一个新的发展时期，给水事业 在社会发展中的基础设施作用越来越明显【2 】。 正是由于水资源对于城市发展的重要性，使得许多城市不得不考虑跨流域、 跨地区地进行长距离输水，来解决淡水资源短缺、分布不均匀以及城市供水水 污染严重造成的城市供水紧缺的问题【3 】。我国已经设计实施了许多长距离输水 工程，如天津市“引滦入津”工程，大连市“引碧入连 工程等，在解决城市 供水问题的同时，也向我们提出了对其运行工况进行分析的课题。长距离输水 管线虽管道设计简单，但因其是否可以安全运行关系到城市是否可以得到充足 的供水，所以对于运行的安全性要求很高。而且长期以来，由于长距离输水工 程距离远、管径大，许多工程日常运行管理依靠经验，这样就使很多运行状况 处于黑箱中，对运行工况的准确分析可以对输水管线的日常维护和管理提供科 学依据。 1 1 我国城市长距离输水中存在的主要问题 1 1 1 长距离输水事故严重 近年来，为满足城市工业及生活用水的需求，兴建了一批跨流域、远距离、 大流量、高扬程长距离输水工程。在日常运行中，尽管采取了许多措施，但工 程的各种部位事故仍时有发生，如何快速堵漏决口己成为供水部门的一项新的 技术课题。本文对当前我国供水行业函待解决的这个重要难题进行了研究。 “有名的”宝鸡冯家山引水工程，前不久，2 0 0 9 年2 月1 5 日1 l 时许，宝鸡市 冯家山引水工程再次发生泄漏，造成宝鸡市部分地区居民供水中断，事故发生地 点位于宝鸡市陈仓区千河镇黄家崖村，事故原因是由于供水管线上阀门井内膨 胀节泄漏造成的，由于泄漏流量不大，抢修人员即使赶到，未造成地面财物损失。 本次泄漏是宝鸡市冯家山引水工程1 1 年来的第1 2 次事故。 大悟界悟引水工程，2 0 0 7 年l o 月1 5 日凌晨1 时许，检测水压的水压表突 然出现压力下降现象，公司组织人员沿线巡查发现，离城区6 公里的双桥段发 生爆管事件。根据检测，本次爆管事件是由于水管自身原因引起的。工作人员 随后展开抢修，同时城区启动备用供水系统。1 5 日晚1 0 时，损毁管道更换、 修复完毕。1 6 上午7 时，界悟引水工程恢复供水。该引水工程在2 0 0 7 年的2 月6 日和6 月6 日分别发生过爆管事故。 单漏损一项，给水管道漏失是供水行业普遍存在的严重问题。漏损不仅浪 费了宝贵的水资源，还给供水企业造成巨大的经济损失，因此世界各国都把供 水行业的漏损作为一项重要课题研究。近几十年来，尽管根据城市发展需要改 建了许多供水管道，更换了大量老化管线，但仍有为数众多的退役管线在运行。 由于供水设施陈旧，技术水平提高缓慢、管理体系尚存在着诸多问题等原因使 我国城市供水管道漏损现象严重。 根据1 9 9 8 年城市供水统计年鉴【4 】，5 6 1 个城市漏失率平均1 3 ，不同漏失 率范围的城市统计情况如表1 1 所示；5 4 9 个城市的单位管长漏失量平均为 3 2 m 3 k m h ，不同城市单位管长漏失量范围的统计情况表1 1 ，1 2 所示。1 9 9 8 年全国城市供水漏失总量为3 4 9 7 亿m 3 ，相当于近1 0 座供水量1 0 0 万m 3 d 的 特大型水厂的一年供水总量。城市供水在无利润的情况下，其平均成本约为0 9 元m 3 如果按此计算，那么每年我国城市供水行业因漏失而造成的经济损失达 3 1 4 7 亿元。由于自来水是经过给水设旌加工处理和输配的水资源，在工程建 设和运行管理等方面，需要投入大量的人力、物力和财力，尤其是远距离输水 工程，其建设周期长、投资大、运行维护费用高，一般建设这类供水设施需投 资1 0 0 0 3 0 0 0 元m 3 d ，因此前面所计算的3 1 4 7 亿元仅仅是直接经济损失，而 实际上经济损失将远远超过这个数字。 表1 - 11 9 9 8 年不同漏损率范围的城市统计情况 分类一类二类三类四类五类 漏损率( )小于88 到1 01 0 到1 21 2 到1 5大于等于1 5 城市个数1 0 08 7 5 6 6 71 3 6 占总百分数 1 7 8 1 5 5 l o 01 1 94 4 7 ( ) 平均漏损率 13 根据国内7 6 个城市所进行的漏失调查结果来看，在调查的7 6 7 1 8 2 k i n 管 线长度中，发现漏水1 8 2 8 件( 平均o 2 4 件k i n ) ，漏失总量为1 0 5 5 7 6 4 m 3 l l ( 平均 1 3 8 m 3 k m h ) 如果因实旌漏失控制而减少的单位管长漏失量按1 3 8 m 3 k m h 计 算，那么每年会减少漏失总量1 5 0 8 亿m 3 ，相当于每年可挽回因漏失而带来的 直接经济损失1 3 5 7 亿元。 表卜219 0 8 年不同单位管长漏损量范围的城市统计情况 单位管长漏 损量小于1 01 0 到2 02 0 到3 03 0 到4 0大于4 0 ( m 3 k m h ) 城市个数9 91 4 11 1 55 81 3 6 占总百分数 1 8 02 5 72 0 91 0 62 4 8 ( ) 平均单位管 3 2 长漏损量 1 1 2 供水安全可靠性不够 长距离输水是城市重要的基础设施之一，它与人民生活息息相关，并与城 市的生活，建设和发展有着直接的关系。不少城市为了保证生活用水，在高峰 供水期常停用工业用水，由此带来的经济损失不小。按供水行业的特点，对系 统的安全可靠性要求特别高，应该强调安全不问断的供应质量好的水，但我国 的供水行业尚不能提出这一目标，因此只能强调现有供水设备供水的安全可靠 性，最大程度的减低因缺水和停水带来的影响。 1 1 3 供水管理科学性有待提高【5 j 1 9 9 7 年在西班牙马德里召开的世界给水工程会议的关于指导各国水司 引用新技术及改造管网管理的方法论的纲要就指出在考虑应用新技术和防腐 来提高各国水司长距离输水的运作水平，即帮助各国改善其水司配水系统服务 质量并提高长距离输水本身运作效率。 我国供水行业的管理水平同发达国家相比较，尚在一些方面有着很大的差 距。当然加强管理是一项复杂的工作，不仅受到现行给水政策的制约，而且也 与相应的技术水平和运行设备关系密切。对于我国这样的发展中国家来说，实 行用水科学管理、节约用水，更是解决水资源短缺刻不容缓的工作。 城市用水管理状况基本上仍处于强化管理阶段，迫切需要转向科学管理。 管理体制、管理机构、政策法规、管理技术手段、基础工作、研究工作以及人 们对城市水资源的价值观念等都不能完全适应节约用水工作发展的要求。从宏 观上讲，正确的发挥经济杠杆与相应的技术经济措施作用，是促进城市水资源 合理化开发和有效利用的重要机制，是实现城市水资源科学管理的关键。建立 合理的科学管理体制是促进城市水资源合理开发利用的基本、有效、简便的途 径。 加强宏观管理的同时，对长距离输水实行微机化管理也是该行业发展的必 然趋势。建立一套合理、科学的管理信息系统，对于处理长距离输水管道事故 问题是很必要的，不仅可以加强管道安全可靠性，而且对于管理者而言可以更 加清楚的进行横向管理。 1 2 国内外对长距离输水管道事故问题的研究及措施 随着地球上水资源的日益贫乏、生产成本的日渐高涨和能源的日趋紧张， 世界各国都把管道事故问题作为一项重要的课题来研究，它己成为整个给水事 业一个不可分割的重要组成部分，国际供水协会召开的每届国际会议上都把管 道事故问题列为一个重要的专题。 发达国家非常重视管道事故问题的研究工作，很早开展了事故检测技术及 设备的研究、开发工作，并成立了相关学术研究机构，如美国供水协会( a w w a ) 在1 9 7 6 年成立了事故检测和计量委员会；日本水道协会( j w w a ) 专门对事故问 题进行了研究，在长期工程实践中取得了良好的事故控制效果，如日本给水管 网事故中的漏失率由1 9 7 5 年的1 8 9 逐年降低到1 9 9 5 年的9 7 。 发展中国家对此项工作也给以足够的重视，在国际会议上发表大量文章， 结合自身特点对管道事故及其控制问题进行研究。 1 3 本课题研究的目的、意义和主要内容 1 3 1 本课题研究的目的和意义 长距离输水事故问题是供水行业普遍存在的现象，应是标本兼治，并以治 本为目标。而要想从根本上解决长距离输水事故问题，应从事故原因上和事故 机理上进行分析，从而为选择长距离输水事故控制方法并采取针对性措施提供 依据。本文依据能达到工程实践的要求，提出的事故分为两种：一种是由于管 道管材问题、接口问题、施工问题、腐蚀问题、低温及其他工程的影响引起的 管道漏损事故；第二种是着重提出由于非恒定流引起的长距离输水管道内压力 变化所导致的爆管事故。 通过工程技术对长距离输水管道事故原因及机理分析，重点针对由长距离 输水管道内压力变化所产生的事故：引入波的理论和方法进行输水管道非恒定 流的流动分析；并针对长距离输水管道非恒定流的水力系统，用m a t l a b 编程工 具结合已发生事故工程实例进行求解，分析长距离输水管道系统事故原因，并 针对对长距离输水管道破坏最大的断流弥合水击进行分析及防护。这样一方面 为长距离输水事故控制、长距离输水管道维护等方面提供理论依据，提高输水 管道的安全性，另一方面节约了大量的水资源。 1 3 2 本课题研究的主要内容 1 通过对目前供水部门长距离输水管道漏损发生原因的综合论述，从设 计、施工、维护角度系统的并有针对性的提出了减少漏损发生的技术措施。 2 针对长距离输水管道爆管的现象，描述长距离输水管道内液体流态及其 流动变化。 3 在分析长距离输水管道内液体流态的基础上，重点分析长距离输水管道 非恒定流流动。 4 利用m a t l a b 编程工具结合实例对长距离输水管道非恒定流水力系统求 4 解，分析长距离输水管道系统事故原因，并针对对长距离输水管道破坏最大的 断流弥合水击进行分析及防护。 第二章长距离输水管道事故的原因分析及解决措施 2 1 长距离输水管道易发生漏损事故部位 不良管材部位、接口部位、腐蚀部位、内外过大部位、不良管道基础部位、 覆土不实部位、未设支墩或支墩后座土坡松动部位等等。 2 2 长距离输水事故的原因分析【6 】 2 2 1 管材问题 据统计，我国现有的2 0 3 万公里给水管道中，8 0 以上的管道是灰铸铁管。 我国从6 0 年代起生产的灰铸铁管，是以连续浇铸的铸管工艺为主，而采用连续 铸管工艺生产的铸铁管的材质问题比较多，在新管试压和投产运行时时常发生 管道断裂现象。例如，北京市自来水公司于1 9 7 4 、l9 7 5 年埋设的d n l 2 0 0 连续 灰铸铁管近6 公里，在施工试压中多次发生漏损，达不到设计和使用标准。上 海市自来水公司1 9 7 7 年埋设的d n l 5 0 0 连续灰铸铁管，在1 9 8 2 、1 9 8 5 和1 9 8 6 的三年内，连续三次发生特大漏损。成都市自来水公司1 9 7 9 、1 9 8 0 年埋设的 d n l 2 0 0 连续灰铸铁管近2 公里，据统计一年共漏损1 4 次。 所谓连续铸管工艺系水冷金属模的铸浇方法，在拉管脱模过程中，管壁内 外表面首先激冷凝固，形成渗碳体的硬壳，然后借助其中心液相同的高温进行 自行退火。虽然工艺简单、生产速度快、产量高的优势，但连续铸管工艺存在 无法消除的先天缺陷，主要表现为： 一铸铁管工业用人工控制铁水液面高度和拉管速度，整根管子难以达 到冷却均匀、组织一致。对组织不均匀的灰铸铁，在它的内部有许多片状石墨， 这相当于材料内部有许多小穴，使得材料本身具有很严重的应力集中，承载能 力大大降低。 二 由于冷却过快，无退火工序，导致表面产生脆硬而形成过冷石墨层， 管壁温度应力无法消除，出现冷脆层，使管身脆性增大，不耐冲击、不耐震， 抗弯抗拉强度降低。 三连续铸管工业生产的管体，组织疏松，难以消除气孔、黑渣、内沟 和重皮等铸造缺陷。如果内沟和重皮刚好在管底、管顶或两侧受弯曲应力比较 大的部位，因为作为脆性材料的铸铁管没有屈服阶段，当局部最大应力达到强 度极限时，该处首先断裂，从而导致管身破裂的可能。 由于连续铸管工艺先天上的缺陷，加上我国使用的灰铸铁管壁厚标准与其 他各国的灰铸铁管壁厚标准相比明显偏低，因此导致我国灰铸铁管漏损频率高。 2 2 2 接口问题 接口问题主要表现为： 一接口施工差接口过程中，油麻填塞得不均匀，四面水泥口打不结实， 有的管道竣工后不进行试压，导致管道正常工作时出现接口漏水【7 j 。 二接口刚性太强接口刚性太强，不能承受弯曲力和进行伸缩补偿。管 6 道从施工开始到使用若干年后，一直处于缓慢的沉降过程中。由于土质和地基 处理的差异，会使整根管道的沉降不均匀。如果刚性接口很强，当产生不均匀 沉降时，管道象是一根相当长跨度的承重梁，如果跨度长到一定程度，即使管 道有一定强度也会产生破裂。 2 2 3 施工问题 施工质量不良主要表现为t 一管道基础不好 由于此间不良或松软，导致管道不均匀沉陷或管下有大的石块、硬物造成 局部应力集中【8 1 ，在内外负荷作用下逐步损坏接口甚至管道。 二覆土不实 覆土未分层夯实和管道两边土的密度不均匀，使管道尤其是大管径受力显 著增加，增加管道破裂的可能。 三未设支墩或支墩后座土坡松动 大口径管道弯头，丁字管及爬陡坡处有较大的推力，主要靠支墩顶住推力。 未设支墩或支墩后座土壤松动会引起弯头和丁字管等部位位移较大。 四接口质量差 石棉水泥接口的石棉含量太高和捻打不实；承插管转接角太大；球墨铸铁管 接口在放橡皮垫圈时没有将忌口清扫干净，导致垫圈偏心和扭曲等1 9 】。 五焊接质量不过关 管道焊缝有尖渣、气孔或焊缝不均匀。 六管道防腐不好 没有按管道防腐层的标准和要求操作，或管的镀锌处没作特别处理。 2 2 4 腐蚀问题 管道腐蚀会使管壁变薄，引起局部穿孔漏失，严重的则发生爆裂。腐蚀是 金属管道的变质现象，主要表现方式为生锈、坑蚀、结瘤、开裂或脆化等【l o j 管道腐蚀包括外腐蚀和内腐蚀。 一管道的外腐蚀：管道的外腐蚀主要是电化学腐蚀和细菌腐蚀。 1 化学腐蚀 金属管道埋在土壤中的电化学腐蚀，是指金属在土壤中发生的化学变化。 其特点在于金属溶解损失的同时，还产生腐蚀电池的作用。 形成的腐蚀电池可分为微腐蚀电池和宏观腐蚀电池。微腐蚀电池是指金属 组织不一致的管道和土壤接触时，就好像两块不同金属放在同一电解液中一样， 在这两部分组织有差异的金属管道间发生电位差而形成腐蚀电池。宏观腐蚀电 池是指长距离金属管道沿线的土壤特性不同时，在土壤和管道之间发生电位差 而形成腐蚀电池。管道在土壤中的电化学腐蚀通常是上述两种腐蚀电池作用的 综合。 7 地下杂散电流对管道的腐蚀，是一种因外界因素引起的电化学腐蚀的特殊 情况其作用类似于电解过程。土壤中的杂散电流可能来自两个方面：某些直流 电力网络利用大地作为接地回路；某些和土壤接触的导体，绝缘不良而发生漏 电。杂散电流由土壤进入管道，也就是土壤中的阳离子趋向管道表面；而杂散电 流从管道返回土壤时，管道上的金属离子溶入土壤，致使该处的管道被腐蚀。 由于杂散电流来源的电位往往很高，电流也大，故杂散电流所引起的腐蚀远比 一般的电腐蚀严重。 2 菌腐蚀 土壤中的某些细菌对金属管道的腐蚀有一定的关系，最常见的细菌是硫酸 盐还原菌，它在自然界分布很广。当土壤的p h 、温度和电阻率有利于这些细菌 繁殖的时候，细菌就起腐蚀作用。其过程大体可分为三个方面： ( 1 ) 细菌将在土壤中的某些有机物转化微能与金属发生腐蚀作 ( 2 ) 细菌能在金属表面上生产薄膜，促进了腐蚀电池的发生 ( 3 ) 细菌的活动，破坏了防腐层的作用。 因此，细菌的腐蚀作用主要是通过某些细菌的活动引起或加速了电化学腐 蚀的过程。 二管道的内腐蚀 管道的内腐蚀同样主要是电化学腐蚀和细菌腐蚀。 1 化学腐蚀 对于金属管道而言，输送的水就是一种电解液，所以管道内腐蚀多半带有 电化学的性质。由于金属不是化学上的纯金属，它本身含有不同的杂质，因此 在金属表面的两分部位间存在着物理或化学上的差异时，两个部位间的还原电 位就存在着差异，电位低的部分形成阳极，电位高的部分形成阴极。阳极部位 的金属受到损坏，转入溶液中呈离子状态同时失去电子，释放出来的电子趋向 附近阴极部位，在阴极形成的日+ 放电，溶液在阴极失去日+ 而增加o h 一，当 形成的o h 一达到足够数量时，在溶液中的金属离子就形成金属的低价氢氧化 物。低价的氢氧化物如e ( 鲫) ：被水中的溶解氧所氧化而变成高价氢氧化物 f o ( 阳) ，沉积在管道内壁成凹凸不平。在正常状态下，如水中没有侵蚀性二氧化 碳时，这样的沉积物在管内壁形成一层薄膜，抑制了腐蚀作用。否则氢氧化铁 吸附二氧化碳，破坏了酸式碳酸盐溶液中的化学平衡，加速产生碳酸钙沉淀。 由于腐蚀的生成物能溶于酸性介质中，而不易溶解于碱性介质中，因此p h 低 时能促进腐蚀作用，p h 高时能抑制腐蚀作用。 2 茵腐蚀 铁细菌是一种特殊的自养菌类，它依靠铁盐的氧化，在有机物含量极少的 给水管道中，利用细菌本身生存过程中所产生的能量而生存。这样铁细菌附着 在管内壁后，在生存过程中能吸收亚铁盐并排出超过其本身近5 0 0 倍的氢氧化 8 铁，所以有时能使水管过水截面严重的堵塞。 2 2 5 内外荷载 长距离输水管道担负着把水安全可靠的送到配水管网，并满足水量、水压 和水质的要求。随着城市建设的发展，长距离输水管道的规模也在不断扩大， 长距离输水管道的复杂性也随之增加，在满足用户用水需求的前提条件下，长 距离输水管道的总体水压越来越高，其中局部区域水压存在过高现象。水压高， 对管道强度的要求也会相应提高，管道的事故频率也会随之增高。 如果埋管过浅或车辆过重会使动荷载增加、路基不好、地下管道漏水、路 面质量不好等因素，可能导致路面凹凸不平。车辆在凹凸不平的路面行驶，也 增加对管道的动荷载。随着城市交通运输业的不断发展，车辆吨位不断提高， 运输的频率不断增加，管道的动荷载明显增长。同时在城市基础设施建设中， 由于各类管的更新改造和建设，形成管道之间原有外力荷载的改变。过大的活 荷载容易引起接口漏水甚至爆裂。 2 2 6 水击现象 在长距离输水管道中，由于阀门突然关闭、水泵机组突然停车等外界原因， 使得管道中水流状态发生突变，管道水压发生剧烈波动而引起的水击现象称为 水击。水击分为直接水击和间接水击。直接水击是指水流突变的时间小于水击 波的周期时，所引起的水击现象。间接水击是指水流突变的时间大于水击波的 周期时，所引起的水击现象。 水在长距离输水管道中造成破坏性事故的水击通常是直接水击。水击是非 恒定流，采用理论力学中的动量定律进行推导，可得到直接水击压强计算公式： 卸= p a ( r o 一厂) ( 2 1 ) 式中卸一水击水压( 帕) ； p 一水的密度( 牛每立方米) ； 口一水击波的传播速度( 米每秒) ； 一水击前的水流速度( 米每秒) ； ，一水击时的水流速度( 米每秒) 。 上式表明，水击压强于水击波的传播速度成正比。考虑到水的压性和管壁 的弹性变形，应用连续性方程可得到水击波的传播速度计算公式： 舻再a o 式中一水中声波的传播速度( m s ) ； 9 ( 2 - 2 ) e 一水的弹性模量( p a ) ； 卜管壁的弹性模量( p a ) ； 卜管径( m ) ； 6 管壁厚度( m m ) 。 由上式可知，水击波的传播速度与管材、管径和管壁厚度有关。对于同一 种管材来说，管径越小，管壁越厚，则水击波的传播速度越快，水击压强也就 越大；反之则水击压强越小。铸铁管管径在7 5 1 5 0 0 m m 范围之间，其值在1 3 4 5 - 1 0 2 7 m s 范围内变化。 假设阀门关闭前管径为1 5 0 m m 的铸铁管水流速度r o = l m s ，当阀门瞬间完 全关闭即，= o 时，其水击压强值约为1 2 5 m 水柱，可见水击水压是很大的。 需要指出的是，由于管道摩阻或气蚀的影响，实际产生的水击压强值可能 要比计算的水击压强值高出许多，这种巨大的压强可使管道发生很大的变形甚 至破裂。若遇到多波源水击波共振水击发生，则水击压强将比单波源水击数倍 增加，其后果更加严重。 2 2 7 低温 长距离输水管道事故易于发生在冬季主要是由于温变应力和冰冻荷载两个 方面引起的 一 温变应力 管道是在一定温度下铺设的，却是在温度不断变化的环境下运行。管道随 温度的变化会发生伸长或收缩，从而在管壁上产生轴向应力，这种应力称为温 差应力或温变应力。根据线膨胀定律和虎克定律可推导出温差应力计算公式： 仃= 一口e 址 ( 2 - 3 ) 式中a 一管材的线膨胀系数( m ( m ：) ) ； e 管材的弹性模量( p a ) ； 出温度变化的差值( ) ，升温时取正值，降温时取负值。显然，温度上 升时，缸 0 ，则仃 o ，管道受轴向压应力；温度下降时， o ，管道 受轴向拉应力。 温度随着一年四季的不同而作周期性的变化，管道所受的温差应力也随着 温度的变化而作周期性的改变，天气变暖时，管道受轴向压应力；天气变冷时， 管道受轴向拉应力。由于管道所受的温差应力随时间变化而呈周期性变化，因 此管道所受的温变应力是交变应力，这样即使管道所受的温变应力小于其许用 应力【1 2 】，但是经历了长期的运行之后，由于疲劳破坏也会发生断裂破坏。 二 冰冻荷载 当气温低于o 时土中孔隙水冻结的同时伴随着土体积的增大、析冰作用 和土颗粒冻结。如果土在冻结时体积增大( 冻胀) 是均匀发生在成分与含量均一 的大面积上，则土中将不会产生内力，而只发生冻土层的单纯膨胀，在天然的 1 0 条件下，由于土在平面上和深度上的非均质性，而几乎见不到土层完全均匀的 膨胀现象。当膨胀受约束或不许可，将对管道产生数值相当大的冻胀力。温度 越低，冰冻层越厚，冻胀力越大。研究【1 3 】表明对于埋深为1 4 m 的管道当冰冻 层厚度达到0 6 m 时垂直作用在管道上的负荷增加近l 倍。 2 2 8 其他工程的影响 附近开挖管渠、深沟、打桩、拔桩、降低地下水水位、堆土等工程的施工 过程，也可能引起地下水管道损坏。主要表现为： 一附近开挖深沟 沟底越深，距离管道越近，管道底部土壤产生的沉降量也越大。 二 降低地下水位 为了施工需要降低地下水位，将影响到管道附近的地下水位下降。不均匀 的水位下降和不同的地质条件，将使管道不均匀沉降，导致管道接口损坏。 三 打桩和拔桩 打桩时由于土壤挤压和振动会影响管道周围的土壤变形。一般在管道附近 打深桩，易使管道向上( 和偏桩的另- - 倾g ) 方向凸起，引起管道损坏。拔桩可能 引起相反的结果。 2 3 减少漏失的预防性措旌【6 】 2 3 1 管道材质 管材不能满足使用要求而被采用后，就等于给系统慢下了隐患。新敷设管 道材质应根据安全可靠性高，维修量少，管道寿命长，内壁粗糙系数低，在这 个基础上造价相对低的原则选择。 考虑上述因素，从我国的国情出发，一般考虑如下： 一连续浇铸铸铁管管材不能满足给水使用要求，尤其是现行小口径铸 铁管材，既易受温差拉断，又易受水击破坏。因此应逐步淘汰各种类别的连续 铸浇铁管。 二对于大于等于1 5 0 0 m m 的管径，宜采用薄壁钢筒预应力混凝土管、 钢管和球墨铸铁管( 拟增加各管材比选资料) ；2 0 0 1 5 0 0 的管径，宜采用球墨 铸铁管、预应力混凝土管和玻璃纤维增强管；7 5 1 5 0 r a m 的管径，宜采用p v c 、 p e 或球墨铸铁管。 2 3 2 接口形式 接口质量是保证管道质量的重要因素。早期使用的青铅口有一定的柔韧性 作用，但其容易拉伸漏水，后来被有防渗能力、成本低的石棉水泥接口所代替， 但石棉水泥接口刚性太强，当发生不均匀沉降时，往往在较小口径水管产生环 向裂缝，在较大口径水管产生承口豁裂。如果温度下降管收缩时不能有纵向移 动，那么产生的应力肯会使强度较低的水管拉断。因此接口应采用柔性而不漏 水。八十年代以后出现了橡胶圈式的柔性接口，可以消除温差、不均匀沉降等 不利因素产生的各种应力，是比较理想的管道接口。因此，除特殊管段外，接 口应采用橡胶圈密封的柔性接口。 2 3 3 旌工质量 管底应是好的粘土或砂，有一定的承载力，管道要平整好，使管道和基础 能整体接触，尽量避免不均匀沉降。同时管底还要检查不含有石块等硬物，以 防硬物将来对管道构成为集中荷载而引起管道破裂。设置阀门等配件时要注意 基础的沉降量尽量与管道接近，砌阀门井时在管道旁留有空隙，以防沉陷不同 时不致压坏管道。覆土密实度不一致和两侧不均匀，均会使管道变形增加，受 力增加。覆下的土近管道部分不能有硬物，硬物会破坏管道防腐层并形成集中 荷载。 较大口径水管的弯头，特别是丁字管或管道堵头，有较大的外形推力，故 一般应设置支墩以防管道移动。设计支墩是主要靠支墩背后的土压力，因此在 施工时力争支墩背后的土为原土，在水压试验时要密切注意支墩及有关接口的 移动情况。 2 3 4 管道防腐措施 金属管道的防腐是决定金属管道使用寿命和输送能力的重要环节，尤其在 土壤和水侵蚀性较强的情况下。 一 管壁保护涂层 就防护而言，土壤腐蚀条件相同时，钢管的腐蚀壁铸铁管和球墨铸铁管更 严重，故一般铸铁管和球墨铸铁管的外防护采用沥青或环氧媒沥青涂料，钢管 则采用三油二布或四油三布，油一般用环氧媒沥青，布一般用玻璃纤维布。由 于不同土壤条件下腐蚀程度不同，因此对埋设在不同土壤条件下的管道应采取 相应的防腐措施。例如球墨铸铁管管壁薄，埋设在腐蚀性土壤中受蚀穿孔速度 比铸铁管快得多，因此埋在腐蚀性土壤中首先应喷涂锌层，再刷沥青；有时外加 聚乙烯松套保护管段，效果比较好。在确定防腐措施时，金属管道内壁要推广 使用水泥砂浆衬里。 二 阴极保护 阴极保护是保护管道外壁免受土壤侵蚀的防腐。根据腐蚀电池原理，两个 电极中只有阳极金属发生腐蚀，所以阴极保护的原理就是使金属管成为阴极， 以防止腐蚀。阴极保护有两种方法i l4 1 ，一种是使用消耗性阳极材料的牺牲阳极 法，一种是直接通入直流电的外加电流法，这两种方法各自特点如( 表2 1 ) 所示。 对土壤的腐蚀性进行正确评价是实施阴极保护的前提，在工程实际中常通 过测量钢管环境的土壤电阻率( q m ) 和自然电位( 一v ) 来评价土壤腐蚀性。对于大 多数情况，土壤电阻度越小，自然电位负值越大，则土壤的腐蚀性越强。电阻 率与土壤腐蚀性的评价标准参见表2 2 ，自然电位与土壤腐蚀性的评价标准参 见表2 3 。土壤环境经测定和评价为腐蚀性强、较强和中等的，一般都应进行 1 2 阴极保护。 表2 - 1 牺牲阳极与强制电流的比较 方法优点缺点 1 输出电流连续可调、可满足较大 1 需要可靠外部电源 的保护电流密度要求 2 对临近金属构筑物干扰大， 2 不受环境电阻率限制 特别是辅助阳极附近 强制电流法3 需设阳极保护站，日常进行 3 工程越大越经济 维护管理 4 对管道防腐覆盖层质量要求相对4 在需要较小电流时，无法减 较低少最低限度的装置费用 5 保护装置寿命长 1 不需要外部电源1 高电阻环境不宜使用 2 对临近金属构筑物干扰小 2 保护电流不可调 3 管理维护工作量小3 。对覆盖层质量要求尚 牺牲阳极法 4 。工程费用与保护长度成正比 4 消耗有色金属，需定期更换 5 杂散电流止干扰大时不能使 5 保护电流分布均匀，利用率高 用 选择阴极保护方式，应根据防腐层负重、土壤环境、现场条件和运行管理 等因素，进行技术经济分析，综合考虑确定。一般原则是： 1 工程规模大宜采用强制电流，规模小则宜采用牺牲阳极。 2 市区内考虑到对外界干扰电流的影响，一般应采用牺牲阳极。 3 当土壤电阻率大于1 0 0 q m ，或管道覆盖层质量差时，一般宜采用强制 电流。根据上述原则，经过分析比较，输水钢管阴极保护考虑管线埋设现场的 特点以及对外界干扰因素的不同，分别采取牺牲阳极和强制电流阴极保护两种 方式。在市区内及无可靠交流电源的管线地段采用牺牲阳极，直接焊接捆绑块 状镁阳极。而在市郊及工程规模大的管线地段采用强制电流，设置阴极保护站。 2 3 5 水压 长距离输水管道漏损量随管道压力的增加而增加，因此降低过高的长距离 输水管道供水压力是降低长距离输水管道漏损的有效措施之一。长距离输水管 道压力降低有许多种方法，如通过调整泵的运行；装置泄压水池等等，在满足 水量、水压和水质的前提条件下，使长距离输水管道运行压力趋于合理。这些 方法都可以在保证供水服务的前提下，适当降低输水系统局部供水水压，减少 管道漏损水量。 2 3 6 水击 在长距离输水管道中应因地制宜的设置有效地排气阀、水击消除器，泵房 设置关闭止回阀。加强日常的运行调度、养护管理和检修操作，注意管道排气 通畅，泵和阀门启用严格按照造作规程执行；充水时需打开消火栓、排气阀。 表2 - 2 土壤电阻率与土壤腐蚀性( q m ) 腐蚀性中国前苏联英国日本美国 法国 极强( 5( 5 1 0 0) 6 0 6 0 1 0 0 ) 3 0 表2 - 3 自然电位与土壤腐蚀性 自然电位 o 5 5 0 4 5 0 5 50 3 0 - 0 4 5 o 1 5 o 3 0 (