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建筑工程項目管理軟件

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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

發(fā)布:2007-07-27 16:09    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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