对铸铁管爆管现象的认识及预防措施

余承烈?韩自力
山西铝厂?河津市　043300

　　摘　要：总结分析了山西铝厂投产十年来历次典型爆管现象，对爆管的原因及机理进行了探讨，结合工作实践提出预防措施。
　　关键词：管网；爆管；排气；基础；铸铁
　　中图分类号：TU991.36
　　文献标识码：B
　　文章编号： 1009-2455(2000)02-0042-03

　　铸铁管以其造价低，安装快、耐腐蚀而被大量应用于输水管网中。山西铝厂的新水管网总长约80 km，其中输水干管全部是铸铁管。自1983年基建开始至今，铸铁管爆管事故时有发生。爆管不但造成供水中断，影响生产、生活，还造成道路冲坏，交通阻塞，环境污染，水量损失，工人抢修等一系列损失和费用。随着生产的不断发展，供水量也日益增加。人们对水的依赖性也越来越强，要求供水的安全可靠性也越来越高。因此进一步认识铸铁管的爆管原因，在实践中更好地避免爆管发生是很必要的。

1　历次爆管现象?（如表1）

表1 历次典型爆管现象汇总 序号 时间 管道种类 管材种类 管径 爆管现象 地基状况 环境状况 恢复接口型式管材 1 1988.8 水源输水管 连续铸铁 DN500 裂缝长4m承口处 农田 凌晨突发停电 青铅钢管 2 1989.5 循环水 连续铸铁 DN1000 侧部裂缝长4m 夯填 空管第一次启泵送水 青铅钢管 3 1992.7 生产水管 球墨铸铁 DN700 弯头外侧外下部缝长8m 夯填 空管第一次开阀送水 青铅钢管 4 1993.7 生活水管 连续铸铁 DN500 承口处下部400×1200三角形孔 夯填 大雨过后，地基下沉 青铅钢管 5 1998.2 生活水管 连续铸铁 DN400 断茬，错口，缝长7m 夯填 承口枕在混凝土梁上 青铅钢管 6 1999.9 生产输水管 球墨铸铁 DN700 自承口裂，缝长3m，侧下方 夯填 管上堆煤，煤上浇水 青铅钢管

2　爆管原因分析

　　我们将历次爆管现象归纳总结，分类分析爆管原因。
2.1　水锤造成爆管
　　如现象1所述，突然停电引起整个水源地的水井全部停运，造成管网中水从水厂水池（高约30m）向水井倒流，引起水锤。水锤产生的压力高达1.5-2倍的运行压力，使铸铁管骤然爆裂。具体计算如下：
　　管中流速2.5m／s，管径d＝500mm，E₀/E＝0.02（弹性模量之比）
　　管壁厚：δ＝14.2 mm?根据水锤波传递速度计算公式则有：
　　α=1440/(1+(E₀/E)×(d/δ))^0.5=1440/(1+0.02×(500/14.2))^0.5=1103(m/s)
　　式中：α—水锤波传播速度，m/s；
　　水锤引起的压力增值根据下式计算：
　　△H＝α/g×△V
　　△H — 水锤引起的压力增值?m?
　　　α— 水锤波传播速度?m/s?
　　　g — 重力加速度?m/ｓ2?
　　△V — 管内水流速度变化值?m/s

　　将参数代入公式计算：
　　△Ｈ＝1103/9.81×2.5＝281(m)?＝2.8 (MPa)

　　这2.8 MPa的压力远远大于出厂试验压力1.5 MPa，所以爆管是确定无疑了。为了防止这种在大面积停电引起的水锤事故，以后的管网设计中在多口井起端设计了微阻缓闭止回阀，有效地防止了类似的事故的发生。
2.2　排气不畅，送水太快，产生气泡破裂，引起爆炸，造成爆管
　　现象2中描述的爆管现象，只是生产循环水管网（DN100铸铁管）多次爆管事故中的一例。当时DN1000铸铁管网全长1930m，管内体积1515m³，管网启动前，管内基本无水，管网有起伏现象，就是说管道中有的地方可能存一部分水，有的地方是气。当时先启动14SA-10A型泵，水泵出口压力先达到0.6～0.7MPa，此时管中流量为0，出口阀门关闭。开泵的同时，打开出口电动阀，约2 s后，出口压力由0.6MPA降至0.2MPa，流量2080m³／h，数秒钟后，压力迅速升到0.3～0.4MPa，流量1600～1920m³／h，然后限制出口电动阀开度在5％～10％，出口压力稳定在0.42～0.55 MPa(Q＝1250m／h)。在启动阀门的2s内，由于电动阀开启很快，开启度从0％～5％约需7 s，巨大的水流涌进管网引起管内气体受压缩，而排气通道因为管网起伏有阻塞现象，这时管中流速由0突变到0.74 m／s，管内气体受压缩后，体积变小，内压升高，更增加了水泵出口压力的降低，流量增大。流量变化如此迅猛，动量和冲量交替转换，引起气体压缩后可能反膨胀，管网中有压力波传递，引起开泵水锤。
　　仍然根据水锤波速度和水锤压力计算公式：

　　α=1440/(1+(E₀/E)×(d/δ))^0.5

　　和△H＝α/g×△V

　　将E0/E=0.02；d=1000；δ=22.5mm △V=0.47m/s分别代入上式得：

　　α=1048m/s

　　△H＝79.1m = 0.79　MPa

　　引起水锤的压力增值为0.79 MPa，此值远低于出厂耐压值1.5 MPa，到底是什么原因导致爆管呢？我们注意到：如果管内有气体，因为流涌动的动量(m水V水)转化为对管内空气的冲量(m气V气)，空气肯定被压缩体积变小，引起水流的进一步惯性，正是由于这个惯性的作用，使涌动的水流内部出现负压，负压必然导致有气体逸出，产生气泡。按水流方向，前方必然导致有气体逸出，产生气泡。按水流方向，前方有气体，后方是随之而来的水流，前方气体受压缩到一定程度后要反膨胀，所以水流内部产生的气泡受到前后水流的冲击，可能被压破，气泡一旦破裂，四周的水流因惯性以高速冲向气体中心，在凝结气体的闭合区内关系到强烈的压力骤加值，类似于气蚀现象。苏联根据电子显微镜拍摄的照片显示，气泡爆破在0.002s时间内，气蚀引起的压力增加值达200～300MPa，这样异常高的压力，对耐压值为1.5MPa的铸铁来说，足以使其迅速破坏。实际运行情况和上述理论分析基本吻合。如开泵时的前几秒钟内，管内已经受气体爆炸而造成裂缝，只不过当时管道内还未充满水，而且更无水压，到15 min后，水流不但充满了全部管道，而且也有了水压。水在压力作用下，经过裂缝渗透土壤，克服阻力及管道埋深的影响，冒出地面，有水漏出地面，才能被人发觉，15 min的时间，正好是水泵流量充满管道空间的时间。现象3的分析也是由于排气不畅的缘故。
2.3　管材质量是导致爆管的主要内因
　　从上述几个现象中，除浊生产水管网属球墨铸铁管外，其余均为连续铸铁管，球墨铸铁管是二期工程中才普遍被采用，球墨铸铁管因为热处理金属材料的原因，耐压值高达2.5 MPa，出问题比较少。连续铸铁管材质较脆，致密性比不上离心铸铁管，铸造过程中容易造成管壁厚薄不均，因而在复杂受力的恶劣环境中适应性差。有人针对本厂的铸铁管做过分析，DN 1000铸铁管中，C、Si含量均太高，使基本组织形成了大量的片状石墨，在拉压力作用下，片状石墨的尖角处形成应力集中点较多，先从尖角处破裂，并迅速发展，导致管子整体脆断。
　　金相检验结果还证明：由于连续铸铁管在铸造时冷却速度较快，内壁形成了占壁厚1/3的树状骨架。同时弥散分布着许多未长大的石墨，其性能和灰口铸铁相比，脆性增大，特别是流体压力突变，或因施工不当存在潜在予应力时，白口层很容易脆断，从本质上大大降低了管体的抗拉强度。
2.4　地基不均匀沉降，造成管体受支架力，造成爆管
　　现象5、现象6所述的爆管是属于管体所处的地基不均匀沉降时由于地基性质不同，而使管体受到支架力所发生的，铸铁管本身脆性比较大，抗拉强度小，所以当支架力达到一定值时，可能导致爆管，现象4是由于地基处理不当，下过雨后引起地基沉降过大，才使管体整体裂缝，从裂缝都在管体侧下部，就证明了这个问题，其所以在侧下部是因为管底尚有地的支撑，有力的平衡在起作用。现象5有一处是整体断茬”，分析原因是“断茬”处正好处于桥基的某一根地梁上，单力向上，地面沉降再加上管内水流经常是脉动性的，时间一长，对管道必然造成破坏。
　　现象6是某焦化厂在管道上方堆了数千方煤，堆高15 m，且间歇性地浇水防尘，时间一长，地基泡软，又受重压，突发爆管。

3　预防措施

　　在长期的生产实践中，我们不断分析爆管的原因，总结经验教训，提出了几条预防措施
3.1　大力推广高强度的球墨铸铁管材，耐压高，耐腐蚀，造价相对钢管低。
3.2　把好设计关，在管网有起伏的地方，科学地设置自动排气阀，有效地、足量地在管网充水过程中将管内积存的气体排放出去，以免引起气体破裂或气塞。在将来可能要受到地面干扰的地方宜做带形基础，提高保护等级，如现象６煤堆很多，管道在役，再做保护，困难很大花费也高。
3.3　新投运的管道，第一次送水，或者停运较长时间的管道重新送水时，开泵或开泵前一定要注意排水，或者说有气体的出路，先小流量缓慢地送，最后再开全阀门大流量送水。
3.4　把好施工关，管网地基是管网“生命”中的根本环节，一定马虎不得，更不能偷工减料，遇到不均匀沉降可能大的地方，有可能受到脉冲性震动的地方要加套管或护涵。
3.5　划分维护责任区，加强管网巡视，发现管道上方土壤受到破坏，或者管道旁边挖沟，放坡时，一定要注意对在役管道的保护，确保万无一失。

参考文献：
?1?周善生.水力学[M].北京：人民教育出版社，1980?
?2?王树人，等.水击理论与水击计算[M].北京：清华大学出版，1981.

作者简介：
　　余承烈?(1963－)，男，高级工程师，山西铝厂节水办主任。