岩土师技术交流:输水管道排气阀增设

　一、前言 　　输水管道，主要指水源至净水厂或净水厂至配水管网的管道。由于输水管道负担全系统供水，且压力较高，所以它的安全运行问题始终被从水部门和设计部门所重视。 　　输水管道常见的事故是爆管，引起爆管的原因主要有：温度应力、管材质量、施工质量、地质构造和水锤等。管道中的气囊虽然不能直接造成水锤，但可借助水锤造成危害。本文就如何在输水管道上设置排气阀，避免气体聚集成气囊进行探讨。 　　二、实例及分析　　在地形起估地段，要求输水管道的最高点设排气阀，但实际运行中，许多爆管并未发生在高点或低点，而是发生在高点后的下弯管段，甚至低压管道也发生此类爆管。黑龙江鹤岗的一段管道爆管就是一个典型的例子。 　　鹤岗市属低山丘陵区，净水厂与送水泵站分建，二者相距5公里，净化水靠重力流送至送水泵站，净水厂清水池高程210m，送水泵站清水池高程185m，输水管为DN800连续铸铁管，平均流速1.0m/s，泵站前500m有一高岗，高程185（见图一），高岗的最高点有一排气阀，但排气阀后50m处，多次发生爆管事故，后来在爆管处加装了一双口排气阀，几年来，两排气阀间没再爆管，只在新装排气阀后10m处发生过一次爆管。 　　从这个例子看，爆管与管中的气体有关（安排气阀后无爆管）。下面对管道中气囊的形成过程和它的受力情况进行分析： 　　1.气体的聚集及平衡　　在正常情况下，管道中的水流可近似地看成是恒定流（压力、流速、温度不变）。在这种状态下，水中的气体要逐渐地析出，形成大小 　　不等的气泡上升到管壁，气泡按水流流速向前运动。在上坡段，由于浮力的作用，气泡流速可能大于水流速。因管壁有一定粗糙度，各气泡运动方向相同，很难聚集成大气泡。小气泡沿管壁一定宽度向前流动，经过最高点排气阀时，排气管直径内的气泡有条件排出，而其他气泡靠水流的推力向下游流去。由于管壁处的紊流和流速和切线特性，使一些经过排气管的小气泡越过排气孔也向下游流去（见图二）。 　　越过排气阀的气泡顺坡而行，运动方向与气泡所受浮力的分力P1方向相反（见图三），这个浮力合力产生的阻力，必然使气泡运动的速度减慢，后序气泡容易撞击前面气泡而全成大气泡，大气泡产生大的浮力。 　　浮力分力P1=PSinα （1） 　　式中：p——气泡受水的浮力（P=1/6π d3·P） 　　P——水的容重 　　d——气泡直径　　α——管道的俯角 　　气泡受水流的推力为P` 　　V2 　　p＇=—— .S （2） 　　2g10 　　V2 　　式中：—— ——－流速压强（Kg/cm2） 　　2g10　　S—— 气泡最大截面积（S=1/4πd2） 　　V—— 水流速（m/s） 　　当P1＝P`时，气泡受力达到平衡而静止在管道中。联立（1）、 （2）式得 　　d.Sinα =—— 　　10.4p.g 　　C——平衡常数 　　式（3）说明，在恒定流条件下，气泡直径与管道俯角的正弦成反比。 　　当d·Sinα>C时，气泡向上移动。 　　2.管道中气囊的形态　　前述气泡平衡问题时，假定了气泡为直径等于d的球形，这只能近似地形容微小气泡，实际上当气泡达到一定体积，且上升到管壁成为气囊，由于表面张力的的作用，它将以半椭圆形状存在（见图四）。随着气泡逐渐长大，气泡的形状将受水流推力、重力和管道形状控制，在长度方向伸长较大，在横向成弓形。 　　根据模拟测量，气囊的长L与高h的关系为： 　　1≈15h　　3.气囊受力分析及临界位置　　根据水利学原理，气囊在管道内平衡时所受水流的推力，等于垂直于水流的截面所受的压力（见图五（1）），这个截面为以h为高的弓形（见图5（2）） 　　n V2 　　p＇=∑ pi= ——.S （5） 　　1 2g10 　　S——弓形在积　　气囊能引起爆管，是由于快速开关阀门或水泵起停，使管道出一了大的压力增值，气体的可压缩特性，使应力集中到气囊产生高压而爆管。 　　根据一些爆管的经验，气囊高度达到管径四分之一是爆管的危险点，也就是气囊的临界点。这时气囊的体积和断面积简单计算为： 　　V≈0.5πr3，S≈0.2πr2. 　　对前例中DN800管道，当V=1.0m/s时，所受推力按（5）式计算： 　　1.02 　　p＇＝——0.2π.402=5.124（Kg） 　　2g 　　所受浮力按（1）式计算　　P1=PSin α=0.5π0.43×1000Sinα=100.5Sinα 　　当P`=P1时 　　5.214　　α =arcSin=——=2.92° 　　100.5 　　该俯角α与实测爆管点俯角基本吻合。 　　三、结论　　1.输水管道下坡段必须增设排气阀，具体位置由式P`=PSinα确定，计算流速取平均值为宜； 　　2.管道实际俯角小于计算角度时，排气阀应设在下弯曲线与直线的交点处； 　　3.为使管内气体尽早排出而不形成气囊，下弯管线与直管线的交点均应设排气阀； 　　4.本文所增设的排气阀不能取代最高点排气阀