供水管网爆管事故分析与对策探讨

1、供水管网爆管事故分析与对策探讨何 芳，刘遂庆（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）摘要：对爆管的概念进行定义，区分爆管事故与漏水事故，分析爆管产生的原因，总结爆管事故的规律。提出可以建立爆管预测模型，通过科学管理和管网技术改造，有效减少爆管事故的发生率，提高供水系统安全性。关键词：供水管网；爆管事故；预测模型；对策1 引言目前，由于供水管网的老化，管网维护费用不足，爆管问题日益突出。分析研究爆管问题的目的是找出影响爆管的主要因素及其相互作用关系，建立爆管的预测模型，对管网的现状进行评价，对未来做出预测，建立管网维护管理的决策系统，寻求经济有效的管网修复和更新策略，实

2、现对管网的科学管理。2 爆管事故的定义与分类管网维护数据文档记录是进行爆管分析最重要的基础资料。不同的供水部门在定义管道漏水和爆管的概念时缺乏一致性，所以在建立维护数据文档时易引起混乱，对评价配水系统的现状也会带来一定困难。因此有必要区分管道漏水和爆管的概念，建立严格有效的管网维护记录文档，对管网进行有效的管理。爆管是指由于管道的结构性损坏，管道漏水上升到地面，必须立即进行维修的情况。当然，有时爆管事故发生以后，可能数日后才被发现，有时甚至无法发现，这是因为爆管引起的漏水直接进入到附近的排水管渠而无法到达地面。另外，对管道爆裂的不同方式也有必要进行区分，爆管的类型可分为环向破裂、纵向破裂、承口

3、破裂、管壁穿孔。3 爆管事故原因分析与预测3.1 爆管事故原因分析引发管道爆管的原因主要包括 5 类：管道材料和管道接口的原因；管道内外部受压的原因；温变应力变化的原因；管道基础的原因；其他特殊原因。3.2 爆管事故的一般规律导致爆管的机理非常复杂，在现有条件下，对影响爆管的因素进行准确的、定量的描述仍相当困难。此外，由于数据历史记录年限短，数据记录不详细，所以可以利用的有效数据十分缺乏。国内外许多研究者已经在寻求爆管规律方面进行了一些研究，基本上都是以管网维护数据记录为基础，采用统计学的方法得到关于爆管的统计规律。（1）埋地管道寿命周期曲线被称为“浴缸曲线”，如图 1 所示2。整个管段的寿命

4、周期可分为 3 个阶段。第一个阶段是安装后的初期阶段，此时爆管的原因主要是管道施工质量低和管道质量问题。这时爆管事故可能会不断出现，然后被修复，爆管频率会逐渐下降。一旦系统通过了这段“童年时期”，就进入了第二个阶段。第二阶段是管道的“成熟时期”，此时管道的运行相对稳定。只是因为第三方介入或是过重的荷载造成的偶然的爆管，此时爆管频率较低。第三个阶段是管道的“衰老时期”，因为管道老化和退化，此阶段爆管的频率大增。不是每一个管段都会经历这 3 个阶段，每个阶段的长短也会不同，这与管段不同的工作条件有关。图 1 埋地管道寿命周期的“浴缸曲线”（2）管径与爆管率之间是负相关的，表示管径大的管段爆管率要小

5、于管径小的管段的爆管率。一般DN75 DN200 的管段爆管比例最高，有时可占管道总长度的 80%；DN200 DN300 的管段次之可占管道总长度的 30%。（3）爆管时间和气温有密切的关系。寒冷的季节爆管率明显大于其他季节，尤其是在冰冻到解冻期间。例如 12 月和 1 月发生的爆管可占全年爆管总数的 50%以上。（4）目前室外给水管道采用的管材主要有铸铁管、钢管、预应力钢筋混凝土管、球墨铸铁管、塑料管等。使用最多的是灰口铸铁管，其次是钢筋混凝土管。大量的爆管事故发生在铸铁管上。在城市化进程的不同阶段，所采用的管道材料有所不同，当时的管道制造技术和安装技术水平都对爆管率有较大的影响。使用球墨

6、铸铁管可以基本上避免爆管。（5）随时间增加的石棉水泥管道的爆管主要是以管道环向破裂为主。铸铁管爆管率的增大是因为管道受到腐蚀，而管道环向破裂的情况会随着时间的增加而减少。（6）管壁内外的腐蚀是爆管事故发生的主要原因之一。因出厂的水中需保持一定的余氯，且水中可能含有的各种微量化学成分，故铸铁管和钢管易发生腐蚀。同时，由于管道周边土壤环境中的电腐蚀等因素也会造成铸铁管和钢管管壁变薄、强度降低，增加漏水和爆管的可能性。（7）管道爆管事故有聚集现象。Goulter 和 Kazemi对管道爆管事故进行时间和空间上的分析后得出结论：有足够的证据可以证明一次管道维修结束以后很有可能在不久以后会在其附近不断发

7、生更多的爆管事故。把这种现象解释为：由于管道的破裂产生的漏水导致了事故点附近的管道基础损坏；由于维修的需要把管道露出地面，管道周边的温度条件发生了变化；在管道维修过程中，事故点附近的管道结构和基础受到了扰动。城市的老城区发生管道爆管事故聚集的情况要比新城区明显。（8）管道在经过 2 3 次事故之后就会进入管道事故多发阶段。管道发生 2 到 3 次事故前后的事故模式从本质上来说是有区别的，在建立预测模型时应考虑。（9）新安装的管道爆管的可能性较小，但以后每次发生爆管都会减少后继爆管发生的时间间隔。（10）管道的爆管率与冬季最大冰冻穿透深度、霜冻指数有关，主要是由于冰冻荷载的加大。在夏季非常干燥的

8、季节，爆管率也会增加，主要原因是土壤收缩增加了作用于管道上的切应力造成的。（11）如果管道连续经历 2 个寒冷的时间段，第一个时间段的爆管率会大于第二个时间段。原因是第一个时间段的霜冻作用于系统中较薄弱的管段，已经对管网进行一定程度的修复，为管网经历第二个寒冷期做好了准备。（12）爆管率随着温度的降低而增加。有国外学者研究发现爆管率受管道水流温度的影响要大于环境气温的影响，水温的下降对爆管率有决定性的影响。（13）夜间的爆管频率要高于白天。3.3 爆管预测模型要想评价管网现状，对管网进行修复和更新，必须选定一个管网状态指标。与管道状态密切相关的管道爆管次数为最合适的评价指标。爆管模型的建立再加

9、上经济评价模型，可以帮助管网管理者评价管网现状，制定出合理的管网修复和更新计划。爆管预测模型可以分为物理模型和统计模型两大类。3.3.1 物理模型4爆管预测的物理模型是试图分析作用在管道上的荷载，管道抗荷载的能力，管道内外所受腐蚀的程度、范围来预测管道事故。导致爆管的物理机理极其复杂，有些情况尚无法完全解释清楚。这些物理机理包括：管道结构特性、管道材料类型、管道与土壤的相互作用、管道安装质量；管道内部水流的压力和管道外部荷载的大小；由发生在管道内外的化学反应、生物反应和电化学反应造成的管道材料腐蚀。物理模型分为单因素的物理模型、确定性物理模型和概率性物理模型。例如：单因素的物理模型中的管道 -

10、 土壤相互作用模型，同时考虑平面上和纵向上的受力。Rajani，Zhan 和 Kuraoka 建立了管道 - 土壤作用分析模型，计算由管道内外部压力和温度变化造成的纵向影响。轴向应力x 和圆周应力y 可由式（1）、式（2）计算：式中：Ep 为管道弹性模量；u 为纵向方向 x 上的位移；vp 为管道的 Poisson 比例；p 为线性热膨胀系数；pi 为管道内部压力；T 为温度差；Es 为土壤的弹性模量；D，t 分别为管道直径和管道壁厚度；ks 为管道 - 土壤的作用模量；x1，x2，x3，k为管道和土壤函数的特性常数。该模型可以对观测到的一些现象给出正确的解释。导致管道事故的物理原因分析所需的

11、数据通常不易获得或者需要高昂花费而获得。因此，物理模型一般只用于大型的主干管道，因为一旦发生事故，则损失巨大。3.3.2 统计模型3爆管预测统计模型是以管网运行的爆管数据记录为依据，利用统计的方法建立爆管事故的量化规律。统计模型可以分为确定性统计模型和概率性统计模型。确定性统计模型包括时间指数模型、时间线性模型等；概率性统计模型包括多变量概率模型和单变量组过程概率模型，多变量概率模型还可以进一步细分为比例危险模型、加速寿命模型与实时 Poisson 模型。Shamir和 Howard 利用回归分析得出爆管预测模型属于确定性统计模型的时间指数模型，爆管次数和管龄的指数关系为式中：t 为从现在算起

12、的使用年限；N（t）为每年每单位长度爆管的次数；N（t0）为管道刚安装那一年的爆管次数；g 为到 t 年时的管龄；A 为爆管率增长的系数a- 1.爆管分析预测最终目标是建立更具科学性和准确性的物理模型。一个真正的物理模型应该包括所有导致爆管的因素，而不需要利用统计的方法。其前提条件是要有足够有效的数据，而要得到这些数据付出的代价过高。所以，统计模型是目前较好的方法，特别是对规模较小的供水系统来说更是如此。目前，即使建立管道爆管统计预测模型也存在较大困难。主要原因有：）缺乏准确的管道特性数据，如管长、管径、管材等。缺乏准确的、时间足够长的管道维护历史记录，特别是对于那些敷设时间长的管道。值得注意

13、的是，有研究发现预测结果和实际观测结果的比较表明：长期的维护数据记录文档得到的结果不一定比短期维护数据记录文档得到的结果好。原因是近年来供水部门开始重视对维护数据的记录，爆管记录的完整性、准确性提高。4 爆管事故的对策（1）选用管材时，推荐采用球墨铸铁管，采用柔性胶圈接口。（2）提高施工技术，加强施工全过程的质量控制，严格按设计要求和施工规范施工。（3）提高管网运行安全数据现场监测技术，加强管网数据收集和建立事故快速反应及处置机制。应充分利用 SCADA 系统对管网进行广泛长期的数据监测、收集和分析，以取得全面的数据和经验，了解和掌握管网漏水情况，管道外围因素变化，地下水文及地质条件变化等实时

14、状态和变化趋势。如管道漏水会使地下管道周围土壤流失，形成土壤中的孔洞，改变管道的稳定性，造成管道爆裂。数据现场监测系统建设和新技术应用是保障管网安全运行的关键。为了预防爆管事故，降低爆管事故发生率，需要逐步完善管网压力、流量和漏水同步实时监测，及时修复管道漏水事故，有效降低漏水率，起到提高水资源利用效率和预防爆管事故的双重作用。（4）建立以降低漏水和减少爆管事故为目标的运行调度管理模式，制定安全运行技术规范。供水管网运行调度的目标是保证管网供水压力、流量、水质和安全。到目前为至，供水管网运行调度一般是以宏观区域压力和流量调度为对象，以保证管网用户服务压力为目标，而对管网安全可靠性，特别是爆管事

15、故预防的调度技术不够完善。在管网运行调度中，应增加管道安全保护运行调度内容，可采用管道压力控制阀或减压阀对重点监控管道进行压力限制，制定水泵安全开关规程，以防止破坏性“水锤压力”产生，形成适合管网运行安全技术需求的调度模式，预防爆管事故发生。（5）进行管网漏水和爆裂事故数据和因素分析，制定管网改扩建规划方案，逐年更新改造管网材料，提高管网抗御灾害能力，逐步消除管网爆管事故隐患。通过分析历史数据，尽可能控制和减少引发爆管的风险因素，把爆管造成的不良影响减到最小。可以从以下 3 个方面进行控制：建立管龄、管道条件及当地环境条件为影响因素的爆管预测或预报模型，得到管网维修和新投资计划；建立季节气候为

16、影响因素的爆管事故预测或预报模型，适时改变管网运行操作；建立管道运行压力和实际操作为影响因素的爆管事故预测或预报模型，为管网优化调度提供依据。（6）建立管网 GIS 信息化管理和管网动态运行模拟软件系统，建立以运行安全保障为目标的信息化管理平台。运用计算机信息化管理手段，建立供水管网地理信息管理系统和管网运行动态模拟软件，可以快速、准确地记录和查询管网档案数据，分析管网运行状态、压力分布和压力变化，掌握和快速分析管网中事故原因、管网安全薄弱环节，对管网中易发事故管道进行实时重点监测，降低爆管率。同时，可以对管网中不同管段进行安全分级、分类，制定管网材料、设备和配件的更新改造优先次序，使管网更新

17、改造投资效益最大，更新改造方案为最优，运行安全性提高最快。参 考 文 献1 SMITH L A. Option for Leak and Break detection and Repair for DrinkWater Systems. Battelle Press，2000.2 PELLETIER G，MAILHOT A，VILLENEUVE J P. Modeling Water PipeBreaks-Three Case Studies，Water Resources Planning and Management，200（3 3 / 4）：115 - 123.3 KLEINER Y，RAJANI B. Comprehensive review of structural deteriorationof water mains：statistical models，Urban Water，200（1 3）：151 - 164.4