为加强城市居民生活用水管理, 建设部下发了《城市节约用水管理规定》^[1], 随着各地水表一户一表改造工程的实施, 不断出现水表玻璃破裂情况成为了困扰供水公司的突出问题。找到造成水表玻璃破裂的原因, 避免爆表情况持续发生已经成为供水公司改造工程中关注的首要问题。

　　 从重庆地区30多个出现爆表的一户一表改造小区现场情况调查来看, 主要有如下几个共同特点: (1) 水表采用的是小液封普通水表; (2) 考虑到用户对一户一表改造的接受程度, 水表安装方式选择底层外墙集中安装, 全部或部分管道被太阳直射; (3) 安装有具有止回功能的表前阀; (4) 管材主要以钢塑复合管为主 (外层为镀锌钢管, 内层为塑料) ; (5) 存在用户一定时间 (2h以上) 不用水的情况。

　　 根据现场调查的情况, 模拟工况条件选择一个向阳的墙面安装两组相同试验管段 (工况为多组相同管段) , 管段连接方式如图1所示, 模拟所反应情况为水表后管道模拟8层楼高度扬程27m, 在管道中连接温度传感器和压力表所监测水压和水温变化情况。

　　 安装完成后排空管道内空气, 关闭末端阀门 (管道不用水) , 每1h记录管道内水温度、管道压力、光照等参数。模拟工况试验数据见表1。

　　 在试验过程中存在以下现象: (1) 当关闭末端阀门后 (不用水) , 管道内水压会不断增加, 在管道受阳光照射温度上升较快时管道内压力增加较快; (2) 在试验过程中出现阳光强弱、刮风等天气变化时, 瞬时压力会随之明显变化。

　　 根据安装工况和模拟工况试验数据分析, 由于表前安装有带止回功能的阀门 (止回阀用于防止水表自转) , 当表后用户不用水时, 由于止回阀反向有止回 (密封) 的作用, 该时间内可以将表前阀到末端阀门之间管道看成是一个密闭容器, 水充满该容器内, 此时水的体积等于容器的容积。环境温度不断上升后, 管道内水温不断上升, 当温度发生变化时, 管道的容积与水的体积也将同时发生变化, 受水的膨胀系数、水的压缩系数、塑料的膨胀系数、钢材的膨胀系数、泊松系数、弹性模量等因素的影响, 水的体积膨胀大于容器体积膨胀, 而水又几乎是不可压缩的, 造成管道内水压不断上升。结合《温度变化对钢质管道水压试验的影响》^[2]结论 (见下述数学模型) , 判断爆表的主要原因为管道内温度升高引起管道内压力增加, 超过水表承受压力致使水表爆表。数学模型如式 (1) 所示:

　　 式中ΔP———温度变化对水压试验的压力影响值, MPa;

　　 ΔT———水压试验过程温度变化值;

　　 β_t———水的体积膨胀系数, ℃^-1;

　　 c———管道体积膨胀影响系数, c=2.0~2.5;

　　 α———钢的线性膨胀系数, α=1.2×10^-5;

　　 E———钢材弹性模量, 取E=2.0×10^-5;

　　 μ———钢材泊松系数, 取μ=0.3;

　　 K———管道外半径与内半径之比;

　　 β_p———水的压缩系数, MPa^-1。

　　 按照公式演算, 水温在26℃时, 水压为0.5MPa, 当水温升高10℃, 水压将达到3 MPa以上, 超过水表承受压力, 引起水表爆表。

　　 经过理论分析与试验验证, 一户一表改造工程中安装的表、阀、管件及管道, 由于表前阀具有止回功能, 在用户不用水的情况下形成了一个封闭的管路, 当环境温度升高, 引起管道内水的温度明显升高后, 管道内水的压力会急剧升高, 超过水表承受压力导致爆表。

　　 根据分析结论, 可从以下3个方面进行改善:

　　 (1) 改变安装方式。在城市一户一表改造过程中, 为了管道安装方便, 多数采用外墙集中安装。根据对水表爆表情况的分析, 为了避免表后管道受到阳光直射导致水温升高水压升高, 建议采用楼梯间安装。经过后期对安装现场走访调查, 采用楼梯间安装方式的小区, 几乎没有出现过水表爆表情况。

　　 (2) 改变阀门选型。根据以上分析结论, 将表前阀门进行更换, 使用具有反向高压泄压的阀门, 当管道后端出现压力升高后能够反向泄压到自来水主管网中, 从而避免水表出现爆表。

　　 (3) 安装减压阀。根据以上分析, 建议在水表后端安装减压阀, 当水压达到减压阀泄压值时, 减压阀打开泄压, 保证水表不会因为管道压力升高而爆表。

　　 为了验证以上改善对策, 我们对改变阀门选型和安装减压阀两种方案进行了试验, 管道采用外墙安装, 能够受到阳光直射, 安装方式与试验部分一致, 只更改其中阀门连接方式。具体试验管段安装见图2。

　　 由图2可知, 第二组采用具有反向高压泄压的表前阀, 第一组、第三组采用普通表前阀;第三组表后安装有减压阀。安装完成后排空管道内空气, 关闭末端阀门7 (管道不用水) , 每1h记录管道内水温度、管道压力、光照等参数。试验数据记录见表2。

　　 经过对改善对策的分析和试验验证, 在楼梯间安装方式几乎没有出现过水表爆表;表前安装具有反向高压泄压功能的阀门和表后安装减压阀方式, 经过试验验证, 管道最高压力均未达到1MPa, 未超过水表承受的最大压力, 以上方式对改善管道压力增加进而引起水表爆表有明显的效果。

　　 根据试验分析, 并结合现场安装施工因素, 推荐使用具有反向高压泄压的阀门, 当管道后端出现压力升高后能够反向泄压到自来水主管网中, 从而避免水表出现爆表。