余承烈?韓自力
山西鋁廠?河津市　043300

　　摘　要：總結(jié)分析了山西鋁廠投產(chǎn)十年來歷次典型爆管現(xiàn)象，對爆管的原因及機理進行了探討，結(jié)合工作實踐提出預防措施。
　　關(guān)鍵詞：管網(wǎng)；爆管；排氣；基礎(chǔ)；鑄鐵
　　中圖分類號：TU991.36
　　文獻標識碼：B
　　文章編號： 1009-2455(2000)02-0042-03

　　鑄鐵管以其造價低，安裝快、耐腐蝕而被大量應用于輸水管網(wǎng)中。山西鋁廠的新水管網(wǎng)總長約80 km，其中輸水干管全部是鑄鐵管。自1983年基建開始至今，鑄鐵管爆管事故時有發(fā)生。爆管不但造成供水中斷，影響生產(chǎn)、生活，還造成道路沖壞，交通阻塞，環(huán)境污染，水量損失，工人搶修等一系列損失和費用。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，供水量也日益增加。人們對水的依賴性也越來越強，要求供水的安全可靠性也越來越高。因此進一步認識鑄鐵管的爆管原因，在實踐中更好地避免爆管發(fā)生是很必要的。

1　歷次爆管現(xiàn)象?（如表1）

表1 歷次典型爆管現(xiàn)象匯總 序號 時間 管道種類 管材種類 管徑 爆管現(xiàn)象 地基狀況 環(huán)境狀況 恢復接口型式管材 1 1988.8 水源輸水管 連續(xù)鑄鐵 DN500 裂縫長4m承口處 農(nóng)田 凌晨突發(fā)停電 青鉛鋼管 2 1989.5 循環(huán)水 連續(xù)鑄鐵 DN1000 側(cè)部裂縫長4m 夯填 空管第一次啟泵送水 青鉛鋼管 3 1992.7 生產(chǎn)水管 球墨鑄鐵 DN700 彎頭外側(cè)外下部縫長8m 夯填 空管第一次開閥送水 青鉛鋼管 4 1993.7 生活水管 連續(xù)鑄鐵 DN500 承口處下部400×1200三角形孔 夯填 大雨過后，地基下沉 青鉛鋼管 5 1998.2 生活水管 連續(xù)鑄鐵 DN400 斷茬，錯口，縫長7m 夯填 承口枕在混凝土梁上 青鉛鋼管 6 1999.9 生產(chǎn)輸水管 球墨鑄鐵 DN700 自承口裂，縫長3m，側(cè)下方 夯填 管上堆煤，煤上澆水 青鉛鋼管

2　爆管原因分析

　　我們將歷次爆管現(xiàn)象歸納總結(jié)，分類分析爆管原因。
2.1　水錘造成爆管
　　如現(xiàn)象1所述，突然停電引起整個水源地的水井全部停運，造成管網(wǎng)中水從水廠水池（高約30m）向水井倒流，引起水錘。水錘產(chǎn)生的壓力高達1.5-2倍的運行壓力，使鑄鐵管驟然爆裂。具體計算如下：
　　管中流速2.5m／s，管徑d＝500mm，E₀/E＝0.02（彈性模量之比）
　　管壁厚：δ＝14.2 mm?根據(jù)水錘波傳遞速度計算公式則有：
　　α=1440/(1+(E₀/E)×(d/δ))^0.5=1440/(1+0.02×(500/14.2))^0.5=1103(m/s)
　　式中：α—水錘波傳播速度，m/s；
　　水錘引起的壓力增值根據(jù)下式計算：
　　△H＝α/g×△V
　　△H — 水錘引起的壓力增值?m?
　　　α— 水錘波傳播速度?m/s?
　　　g — 重力加速度?m/ｓ2?
　　△V — 管內(nèi)水流速度變化值?m/s

　　將參數(shù)代入公式計算：
　　△Ｈ＝1103/9.81×2.5＝281(m)?＝2.8 (MPa)

　　這2.8 MPa的壓力遠遠大于出廠試驗壓力1.5 MPa，所以爆管是確定無疑了。為了防止這種在大面積停電引起的水錘事故，以后的管網(wǎng)設(shè)計中在多口井起端設(shè)計了微阻緩閉止回閥，有效地防止了類似的事故的發(fā)生。
2.2　排氣不暢，送水太快，產(chǎn)生氣泡破裂，引起爆炸，造成爆管
　　現(xiàn)象2中描述的爆管現(xiàn)象，只是生產(chǎn)循環(huán)水管網(wǎng)（DN100鑄鐵管）多次爆管事故中的一例。當時DN1000鑄鐵管網(wǎng)全長1930m，管內(nèi)體積1515m³，管網(wǎng)啟動前，管內(nèi)基本無水，管網(wǎng)有起伏現(xiàn)象，就是說管道中有的地方可能存一部分水，有的地方是氣。當時先啟動14SA-10A型泵，水泵出口壓力先達到0.6～0.7MPa，此時管中流量為0，出口閥門關(guān)閉。開泵的同時，打開出口電動閥，約2 s后，出口壓力由0.6MPA降至0.2MPa，流量2080m³／h，數(shù)秒鐘后，壓力迅速升到0.3～0.4MPa，流量1600～1920m³／h，然后限制出口電動閥開度在5％～10％，出口壓力穩(wěn)定在0.42～0.55 MPa(Q＝1250m／h)。在啟動閥門的2s內(nèi)，由于電動閥開啟很快，開啟度從0％～5％約需7 s，巨大的水流涌進管網(wǎng)引起管內(nèi)氣體受壓縮，而排氣通道因為管網(wǎng)起伏有阻塞現(xiàn)象，這時管中流速由0突變到0.74 m／s，管內(nèi)氣體受壓縮后，體積變小，內(nèi)壓升高，更增加了水泵出口壓力的降低，流量增大。流量變化如此迅猛，動量和沖量交替轉(zhuǎn)換，引起氣體壓縮后可能反膨脹，管網(wǎng)中有壓力波傳遞，引起開泵水錘。
　　仍然根據(jù)水錘波速度和水錘壓力計算公式：

　　α=1440/(1+(E₀/E)×(d/δ))^0.5

　　和△H＝α/g×△V

　　將E0/E=0.02；d=1000；δ=22.5mm △V=0.47m/s分別代入上式得：

　　α=1048m/s

　　△H＝79.1m = 0.79　MPa

　　引起水錘的壓力增值為0.79 MPa，此值遠低于出廠耐壓值1.5 MPa，到底是什么原因?qū)е卤苣?？我們注意到：如果管?nèi)有氣體，因為流涌動的動量(m水V水)轉(zhuǎn)化為對管內(nèi)空氣的沖量(m氣V氣)，空氣肯定被壓縮體積變小，引起水流的進一步慣性，正是由于這個慣性的作用，使涌動的水流內(nèi)部出現(xiàn)負壓，負壓必然導致有氣體逸出，產(chǎn)生氣泡。按水流方向，前方必然導致有氣體逸出，產(chǎn)生氣泡。按水流方向，前方有氣體，后方是隨之而來的水流，前方氣體受壓縮到一定程度后要反膨脹，所以水流內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡受到前后水流的沖擊，可能被壓破，氣泡一旦破裂，四周的水流因慣性以高速沖向氣體中心，在凝結(jié)氣體的閉合區(qū)內(nèi)關(guān)系到強烈的壓力驟加值，類似于氣蝕現(xiàn)象。蘇聯(lián)根據(jù)電子顯微鏡拍攝的照片顯示，氣泡爆破在0.002s時間內(nèi)，氣蝕引起的壓力增加值達200～300MPa，這樣異常高的壓力，對耐壓值為1.5MPa的鑄鐵來說，足以使其迅速破壞。實際運行情況和上述理論分析基本吻合。如開泵時的前幾秒鐘內(nèi)，管內(nèi)已經(jīng)受氣體爆炸而造成裂縫，只不過當時管道內(nèi)還未充滿水，而且更無水壓，到15 min后，水流不但充滿了全部管道，而且也有了水壓。水在壓力作用下，經(jīng)過裂縫滲透土壤，克服阻力及管道埋深的影響，冒出地面，有水漏出地面，才能被人發(fā)覺，15 min的時間，正好是水泵流量充滿管道空間的時間?，F(xiàn)象3的分析也是由于排氣不暢的緣故。
2.3　管材質(zhì)量是導致爆管的主要內(nèi)因
　　從上述幾個現(xiàn)象中，除濁生產(chǎn)水管網(wǎng)屬球墨鑄鐵管外，其余均為連續(xù)鑄鐵管，球墨鑄鐵管是二期工程中才普遍被采用，球墨鑄鐵管因為熱處理金屬材料的原因，耐壓值高達2.5 MPa，出問題比較少。連續(xù)鑄鐵管材質(zhì)較脆，致密性比不上離心鑄鐵管，鑄造過程中容易造成管壁厚薄不均，因而在復雜受力的惡劣環(huán)境中適應性差。有人針對本廠的鑄鐵管做過分析，DN 1000鑄鐵管中，C、Si含量均太高，使基本組織形成了大量的片狀石墨，在拉壓力作用下，片狀石墨的尖角處形成應力集中點較多，先從尖角處破裂，并迅速發(fā)展，導致管子整體脆斷。
　　金相檢驗結(jié)果還證明：由于連續(xù)鑄鐵管在鑄造時冷卻速度較快，內(nèi)壁形成了占壁厚1/3的樹狀骨架。同時彌散分布著許多未長大的石墨，其性能和灰口鑄鐵相比，脆性增大，特別是流體壓力突變，或因施工不當存在潛在予應力時，白口層很容易脆斷，從本質(zhì)上大大降低了管體的抗拉強度。
2.4　地基不均勻沉降，造成管體受支架力，造成爆管
　　現(xiàn)象5、現(xiàn)象6所述的爆管是屬于管體所處的地基不均勻沉降時由于地基性質(zhì)不同，而使管體受到支架力所發(fā)生的，鑄鐵管本身脆性比較大，抗拉強度小，所以當支架力達到一定值時，可能導致爆管，現(xiàn)象4是由于地基處理不當，下過雨后引起地基沉降過大，才使管體整體裂縫，從裂縫都在管體側(cè)下部，就證明了這個問題，其所以在側(cè)下部是因為管底尚有地的支撐，有力的平衡在起作用?，F(xiàn)象5有一處是整體斷茬”，分析原因是“斷茬”處正好處于橋基的某一根地梁上，單力向上，地面沉降再加上管內(nèi)水流經(jīng)常是脈動性的，時間一長，對管道必然造成破壞。
　　現(xiàn)象6是某焦化廠在管道上方堆了數(shù)千方煤，堆高15 m，且間歇性地澆水防塵，時間一長，地基泡軟，又受重壓，突發(fā)爆管。

3　預防措施

　　在長期的生產(chǎn)實踐中，我們不斷分析爆管的原因，總結(jié)經(jīng)驗教訓，提出了幾條預防措施
3.1　大力推廣高強度的球墨鑄鐵管材，耐壓高，耐腐蝕，造價相對鋼管低。
3.2　把好設(shè)計關(guān)，在管網(wǎng)有起伏的地方，科學地設(shè)置自動排氣閥，有效地、足量地在管網(wǎng)充水過程中將管內(nèi)積存的氣體排放出去，以免引起氣體破裂或氣塞。在將來可能要受到地面干擾的地方宜做帶形基礎(chǔ)，提高保護等級，如現(xiàn)象６煤堆很多，管道在役，再做保護，困難很大花費也高。
3.3　新投運的管道，第一次送水，或者停運較長時間的管道重新送水時，開泵或開泵前一定要注意排水，或者說有氣體的出路，先小流量緩慢地送，最后再開全閥門大流量送水。
3.4　把好施工關(guān)，管網(wǎng)地基是管網(wǎng)“生命”中的根本環(huán)節(jié)，一定馬虎不得，更不能偷工減料，遇到不均勻沉降可能大的地方，有可能受到脈沖性震動的地方要加套管或護涵。
3.5　劃分維護責任區(qū)，加強管網(wǎng)巡視，發(fā)現(xiàn)管道上方土壤受到破壞，或者管道旁邊挖溝，放坡時，一定要注意對在役管道的保護，確保萬無一失。

參考文獻：
?1?周善生.水力學[M].北京：人民教育出版社，1980?
?2?王樹人，等.水擊理論與水擊計算[M].北京：清華大學出版，1981.

作者簡介：
　　余承烈?(1963－)，男，高級工程師，山西鋁廠節(jié)水辦主任。