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有壓供水管道中氣囊運(yùn)動(dòng)的危害與防護(hù)
[作者:楊玉思1， 張世昌2，付林2 點(diǎn)擊數(shù)：497 ]
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［來源:中國(guó)給水排水 游客選項(xiàng):發(fā)表評(píng)論收藏此頁(yè)
摘 要： 分析了有壓管道內(nèi)氣體的產(chǎn)生條件、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及氣爆型水錘產(chǎn)生的機(jī)理，并就相應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。
關(guān)鍵詞：排氣閥；水錘；氣囊
中圖分類號(hào)：TU991.39
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：1000-4602(2002)09-0032-02
因管道排氣不暢而造成的氣囊運(yùn)動(dòng)及隨之而來的壓力振蕩效應(yīng)，輕者占據(jù)管道通水?dāng)嗝嬖斐赏ㄋщy、增大水阻、增加電耗、加劇破壞作用；重者造成管道爆裂、供水中斷。因此，如果能正確認(rèn)識(shí)氣囊在管道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及盡早預(yù)測(cè)其危害并合理采取措施，就可望使輸水管道和城市管網(wǎng)爆管率下降。
1 管道中氣體來源及存氣條件
管道中存有氣體的情況很多，如因突然停泵或快速關(guān)閥引起管道局部產(chǎn)生真空致使管道從注排氣閥吸氣，給水管網(wǎng)中支管水位閥自動(dòng)開停，水泵葉輪中負(fù)壓區(qū)的氣體釋放(這一點(diǎn)不容忽視)等。吸入水泵的天然水體，其溶解空氣的最大體積含氣率約為2%(即水中含溶解性氣體約為20L/m3)，研究表明當(dāng)壓力降低到某一值時(shí)水中溶解性氣體會(huì)以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流運(yùn)行而聚積成大氣泡或大氣囊。
設(shè)計(jì)良好的管道系統(tǒng)所產(chǎn)生的氣體應(yīng)隨水流經(jīng)管道末端排出或通過管道的排氣裝置排出管道，從而避免管道事故的發(fā)生。就排氣而言，設(shè)計(jì)良好的管道主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①管道排氣順暢、無存氣條件；②如果有存氣條件則裝有性能良好的排氣裝置。常見的存氣產(chǎn)生在管道中的凸起點(diǎn)、漸縮管、水平管段及較平坦的逆坡管段、減壓孔板前、不全開的閘門等處。
2 氣囊運(yùn)動(dòng)及其危害
在較長(zhǎng)距離的輸、配水管道中，由于設(shè)計(jì)流速一般不大，管道中的氣體多以氣囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，氣囊多存在于管道的凸起點(diǎn)；而在坡度小、較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨(dú)立的大氣囊形式分散存在。根據(jù)美國(guó)著名水錘專家馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管路在充水過程中呈現(xiàn)六種氣液兩相流狀態(tài)(見圖1)。
據(jù)氣液兩相流理論，管流分析可采用一維模型，其常用分析模型為均質(zhì)流、分離流和漂移通量模型三種，其中均質(zhì)流模型比較適用于段塞流、氣團(tuán)流和泡沫流，是對(duì)管道含氣水錘分析的最主要流態(tài)。
供水管道充水排氣過程是相當(dāng)復(fù)雜的，一般來說剛開始充水時(shí)管道流態(tài)多為層狀或波狀流，排氣較為容易；后期則多呈段塞流、氣團(tuán)流狀態(tài)，普通排氣裝置就很難排氣了。管道中存在的氣囊的大小、數(shù)量則取決于管道的復(fù)雜程度、管徑大小、充水的速度和方法等。
大量的工程實(shí)踐表明，管道中存在的氣囊隨水流動(dòng)時(shí)由于管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，極易造成氣囊兩端壓差改變，這種微小壓差變化對(duì)于不可壓縮的水來說不會(huì)有什么影響，但對(duì)于空氣來說影響是極大的。如著名的美國(guó)水錘專家V. L. Streeter 在其所著《瞬變流》(Hydraulic Transients)一書中介紹了一個(gè)算例：一條由水池接出的直徑為1m、長(zhǎng)度為61m的單一管道，水池水位為30m，距管道末端12m一段存有空氣，管首端閥門在0.95s內(nèi)打開，該管段開始時(shí)絕對(duì)壓力為102kPa，在接近2.5s時(shí)壓力猛增至絕對(duì)壓力2331kPa，由此可見氣囊運(yùn)動(dòng)所引起管道壓力振蕩的嚴(yán)重程度。
3 幾種常見排氣方式的優(yōu)、缺點(diǎn)
3.1 排氣豎井
在管道某一合適部位裝一豎直管道，其高度高于該點(diǎn)的最高水壓，此即為排氣豎井。其優(yōu)點(diǎn)是兼有注、排氣作用且注、排氣非常通暢，但一般建造成本高、維護(hù)管理困難，故工程上采用甚少。
3.2 手動(dòng)排氣閥
在管道中連接一個(gè)短管，管上裝有手動(dòng)閘閥，預(yù)計(jì)管道中有氣體時(shí)開啟，平時(shí)關(guān)閉。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、建造成本低，但它的作用非常有限，一般僅作為自動(dòng)排氣閥失效時(shí)的補(bǔ)充裝置。給水管隨地形敷設(shè)，即使地形比較平坦，其管內(nèi)存氣也呈多個(gè)氣囊形式存在，故手動(dòng)排氣閥在排完一個(gè)氣囊關(guān)閉后，管道中仍可能存在大量氣體，因而一般較大管道不宜采用。
3.3 利用配水支管排氣
城市配水管網(wǎng)的配水干管常利用用戶支管作為輔助排氣手段(有的甚至作為主要手段)，這些支管能否起到排氣作用不僅取決于支管與主管的連接方式，還取決于用戶支管末端的水流控制方式，因而其排氣的可靠性是較難把握的。即使是從連接方式上使主管道氣體能夠流入支管，支管上的控制閥門如果突然啟閉，也極易造成如美國(guó)水錘專家V.L. Streeter所述的高壓力振蕩狀態(tài)，因此在用戶狀況不明的條件下利用支管排氣是不太可靠的。
3.4 利用自動(dòng)排氣閥排氣
輸、配水管道利用自動(dòng)排氣閥排氣是目前普遍使用的方法，也是最經(jīng)濟(jì)合理的方法。目前設(shè)計(jì)和選用排氣閥存在的問題是：①平坦管道不設(shè)排氣閥；②所選排氣閥結(jié)構(gòu)形式不合理。正確設(shè)計(jì)并選用排氣閥應(yīng)該注意：①排氣閥的安裝位置及間距；②排氣閥的安裝方式；③排氣閥的合理口徑(即排氣閥的排氣口徑與主管道口徑之比)；④排氣閥的結(jié)構(gòu)形式、性能、安全可靠性。
根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)資料，筆者認(rèn)為：①在一般情況下平坦管道應(yīng)每隔0.5～1.0km(一般管道每隔1.0～1.2km)設(shè)一處排氣點(diǎn)；②陡坡管道必須在坡頂設(shè)排氣點(diǎn)；③如僅在坡頂一處安裝排氣閥，則應(yīng)裝設(shè)帶有緩閉裝置的，如果不帶緩閉裝置的則應(yīng)同時(shí)安裝兩臺(tái)(即在管頂處裝一小口徑排氣閥，側(cè)上45°處裝一大口徑排氣閥)；④排氣閥口徑為主管道直徑的1/8～1/5；⑤盡量選用性能可靠，在多段水柱、氣柱相間條件下能持續(xù)排氣且?guī)Ь忛]的排氣閥。需要強(qiáng)調(diào)的是，上述觀點(diǎn)僅適于一般管道參考，而對(duì)于特殊的如高揚(yáng)程、特大管徑、大起伏管線等還應(yīng)經(jīng)過專門的非穩(wěn)定流計(jì)算后確定。如華北某大型輸水管道，DN1000，管長(zhǎng)為7.5km，靜揚(yáng)程為2.2MPa。經(jīng)國(guó)內(nèi)兩家權(quán)威的水錘分析機(jī)構(gòu)計(jì)算后，全管道上16處裝有排氣閥(每處安裝大小兩臺(tái)，大的排氣閥口徑為200mm，小的為80mm)，運(yùn)行結(jié)果表明該設(shè)計(jì)合理、具有足夠的安全可靠性。
4 結(jié)語(yǔ)
研究有壓管道內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及氣爆型水錘防護(hù)技術(shù)對(duì)保證大型供水管道的安全運(yùn)行意義重大，然而氣體在管道中的運(yùn)動(dòng)、滯留、積聚乃至排氣過程的機(jī)理和準(zhǔn)確的計(jì)算方法還有待進(jìn)行深入研究。
參考文獻(xiàn)：
［1］ 金維，姜乃昌，汪興華.停泵水錘及其防護(hù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.
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