排氣閥在輸水管道的增設問題探討

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的管道。由于輸水管道負擔全系統供水，且壓力較高，所以它的安全運行問題始終被從水部門和設計部門所重視

輸水管道常見的事故是爆管，引起爆管的原因主要有：溫度應力、管材質量、施工質量、地質構造和水錘等。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置排氣閥，避免氣體聚集成氣囊進行探討。

二、實例及分析

在地形起估地段，要求輸水管道的zui高點設排氣閥，但實際運行中，許多爆管并未發生在高點或低點，而是發生在高點后的下彎管段，甚至低壓管道也發生此類爆管。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，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zui高點有一排氣閥，但排氣閥后50m處，多次發生爆管事故，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處發生過一次爆管。　

從這個例子看，爆管與管中的氣體有關（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，經過zui高點排氣閥時，排氣管直徑內的氣泡有條件排出，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，使一些經過排氣管的小氣泡越過排氣孔也向下游流去

越過排氣閥的氣泡順坡而行，運動方向與氣泡所受浮力的分力p1方向相反（見圖三），這個浮力合力產生的阻力，必然使氣泡運動的速度減慢，后序氣泡容易撞擊前面氣泡而全成大氣泡，大氣泡產生大的浮力。

浮力分力p1=psinα （1）TD\\QXK168

式中：p--氣泡受水的浮力（p=1/6π d3·p）

p--水的容重vo=B#8

d--氣泡直徑/bv-Fsa3~f

α--管道的俯角:CWfL}|[[Z

氣泡受水流的推力為p

　 v2T1D'cU -9

p'=----- .s （2）SX+=$ h%

式中：----- --－流速壓強（kg/cm2） X_kS| Nfb^.=5€1?.,
s-- 氣泡zui大截面積（s=1/4πd2）/

v-- 水流速（m/s）0n*

當p1＝p`時，氣泡受力達到平衡而靜止在管道中。聯立（1）、 （2）

d.sinα

10.4p.gLtWPY_€=11

c--平衡常數QeJSC,@.

式（3）說明，在恒定流條下，氣泡直徑與管道俯角的正弦成反比。

當d·sinα>c時，氣泡向上移動。

2.管道中氣囊的形態

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，實際上當氣泡達到一定體積，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

根據模擬測量，氣囊的長l與高h的關系為

1≈15hvi

3.氣囊受力分析及臨界位置A|H+h

根據水利學原理，氣囊在管道內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））V

n v2 L]M

p'=∑ pi= -----.s （5）€

1 2g10z..7| |xl

s--弓形在積

氣囊能引起爆管，是由于快速開關閥門或水泵起停，使管道出一了大的壓力增值，氣體的可壓縮特性，使應力集中到氣囊產生高壓而爆管。

根據一些爆管的經驗，氣囊高度達到管徑四分之一是爆管的危險點，也就是氣囊的臨界點。這時氣囊的體積和斷面積簡單計算為：

v≈0.5πr3，s≈0.2πr2。-2ts018^0

對前例中dn800管道，當v=1.0m/s時，所受推力按（5）式計算：VDaoK

1.02Dj-qKEUi6

p'＝------0.2π.402=5.124（kg）*

2g

所受浮力按（1）式計算a

p1=psin α=0.5π0.43×1000sinα=100.5sinα

當p`=p1時?

5.214K&t%

α =arcsin=-----------=2.92°

100.5NEQO

該俯角α與實測爆管點俯角基本吻合。

三、結論

1.輸水管道下坡段必須增設排氣閥，具體位置由式p`=psinα確定，計算流速取平均值為宜

2.管道實際俯角小于計算角度時，排氣閥應設在下彎曲線與直線的交點處；

3.為使管內氣體盡早排出而不形成氣囊，下彎管線與直管線的交點均應設排氣閥；

4.本文所增設的排氣閥不能取代zui高點排氣閥。