巖土輸水管道排氣閥的增設(shè)

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　　一、前言
　　輸水管道，主要指水源至凈水廠或凈水廠至配水管網(wǎng)的管道。由于輸水管道負(fù)擔(dān)全系統(tǒng)供水，且壓力較高，所以它的安全運(yùn)行問題始終被從水部門和設(shè)計部門所重視。
　　輸水管道常見的事故是爆管，引起爆管的原因主要有：溫度應(yīng)力、管材質(zhì)量、施工質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造和水錘等。管道中的氣囊雖然不能直接造成水錘，但可借助水錘造成危害。本文就如何在輸水管道上設(shè)置排氣閥，避免氣體聚集成氣囊進(jìn)行探討。
　　二、實(shí)例及分析
　　在地形起估地段，要求輸水管道的最高點(diǎn)設(shè)排氣閥，但實(shí)際運(yùn)行中，許多爆管并未發(fā)生在高點(diǎn)或低點(diǎn)，而是發(fā)生在高點(diǎn)后的下彎管段，甚至低壓管道也發(fā)生此類爆管。黑龍江鶴崗的一段管道爆管就是一個典型的例子。
　　鶴崗市屬低山丘陵區(qū)，凈水廠與送水泵站分建，二者相距5公里，凈化水靠重力流送至送水泵站，凈水廠清水池高程210m，送水泵站清水池高程185m，輸水管為DN800連續(xù)鑄鐵管，平均流速1.0m/s，泵站前500m有一高崗，高程185（見圖一），高崗的最高點(diǎn)有一排氣閥，但排氣閥后50m處，多次發(fā)生爆管事故，后來在爆管處加裝了一雙口排氣閥，幾年來，兩排氣閥間沒再爆管，只在新裝排氣閥后10m處發(fā)生過一次爆管。
　　從這個例子看，爆管與管中的氣體有關(guān)（安排氣閥后無爆管）。下面對管道中氣囊的形成過程和它的受力情況進(jìn)行分析：
　　1.氣體的聚集及平衡
　　在正常情況下，管道中的水流可近似地看成是恒定流（壓力、流速、溫度不變）。在這種狀態(tài)下，水中的氣體要逐漸地析出，形成大小
　　不等的氣泡上升到管壁，氣泡按水流流速向前運(yùn)動。在上坡段，由于浮力的作用，氣泡流速可能大于水流速。因管壁有一定粗糙度，各氣泡運(yùn)動方向相同，很難聚集成大氣泡。小氣泡沿管壁一定寬度向前流動，經(jīng)過最高點(diǎn)排氣閥時，排氣管直徑內(nèi)的氣泡有條件排出，而其他氣泡靠水流的推力向下游流去。由于管壁處的紊流和流速和切線特性，使一些經(jīng)過排氣管的小氣泡越過排氣孔也向下游流去（見圖二）。
　　越過排氣閥的氣泡順坡而行，運(yùn)動方向與氣泡所受浮力的分力P1方向相反（見圖三），這個浮力合力產(chǎn)生的阻力，必然使氣泡運(yùn)動的速度減慢，后序氣泡容易撞擊前面氣泡而全成大氣泡，大氣泡產(chǎn)生大的浮力。
　　浮力分力P1=PSinα（1）
　　式中：p——氣泡受水的浮力（P=1/6πd3·P）
　　P——水的容重
　　d——氣泡直徑
　　α——管道的俯角
　　氣泡受水流的推力為P`
　　V2
　　p＇=—— .S （2）
　　2g10
　　V2
　　式中：————－流速壓強(qiáng)（Kg/cm2）
　　2g10
　　S——氣泡最大截面積（S=1/4πd2）
　　V——水流速（m/s）
　　當(dāng)P1＝P`時，氣泡受力達(dá)到平衡而靜止在管道中。聯(lián)立（1）、（2）式得
　　3
　　d.Sinα=——
　　10.4p.g
　　C——平衡常數(shù)
　　式（3）說明，在恒定流條件下，氣泡直徑與管道俯角的正弦成反比。
　　當(dāng)d·Sinα>C時，氣泡向上移動。
　　2.管道中氣囊的形態(tài)
　　前述氣泡平衡問題時，假定了氣泡為直徑等于d的球形，這只能近似地形容微小氣泡，實(shí)際上當(dāng)氣泡達(dá)到一定體積，且上升到管壁成為氣囊，由于表面張力的的作用，它將以半橢圓形狀存在（見圖四）。隨著氣泡逐漸長大，氣泡的形狀將受水流推力、重力和管道形狀控制，在長度方向伸長較大，在橫向成弓形。
　　根據(jù)模擬測量，氣囊的長L與高h(yuǎn)的關(guān)系為：
　　1≈15h
　　3.氣囊受力分析及臨界位置
　　根據(jù)水利學(xué)原理，氣囊在管道內(nèi)平衡時所受水流的推力，等于垂直于水流的截面所受的壓力（見圖五（1）），這個截面為以h為高的弓形（見圖5（2））
　　n V2
　　p＇=∑pi= ——。S（5）
　　1 2g10
　　S——弓形在積
　　氣囊能引起爆管，是由于快速開關(guān)閥門或水泵起停，使管道出一了大的壓力增值，氣體的可壓縮特性，使應(yīng)力集中到氣囊產(chǎn)生高壓而爆管。
　　根據(jù)一些爆管的經(jīng)驗，氣囊高度達(dá)到管徑四分之一是爆管的危險點(diǎn)，也就是氣囊的臨界點(diǎn)。這時氣囊的體積和斷面積簡單計算為：
　　V≈0.5πr3，S≈0.2πr2.
　　對前例中DN800管道，當(dāng)V=1.0m/s時，所受推力按（5）式計算：
　　1.02
　　p＇＝——0.2π。402=5.124（Kg）
　　2g
　　所受浮力按（1）式計算
　　P1=PSinα=0.5π0.43×1000Sinα=100.5Sinα
　　當(dāng)P`=P1時
　　5.214
　　α=arcSin=——=2.92°
　　100.5
　　該俯角α與實(shí)測爆管點(diǎn)俯角基本吻合。
　　三、結(jié)論
　　1.輸水管道下坡段必須增設(shè)排氣閥，具體位置由式P`=PSinα確定，計算流速取平均值為宜；
　　2.管道實(shí)際俯角小于計算角度時，排氣閥應(yīng)設(shè)在下彎曲線與直線的交點(diǎn)處；
　　3.為使管內(nèi)氣體盡早排出而不形成氣囊，下彎管線與直管線的交點(diǎn)均應(yīng)設(shè)排氣閥；
　　4.本文所增設(shè)的排氣閥不能取代最高點(diǎn)排氣閥