输水管道排气阀的增设

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发布时间:2017年6月17日

 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

3

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。