對(duì)空氣閥用于長(zhǎng)距離輸水工程的探索

□杜建軍（新疆哈密托實(shí)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司）

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對(duì)空氣閥用于長(zhǎng)距離輸水工程的探索

□杜建軍（新疆哈密托實(shí)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司）

摘要：在長(zhǎng)距離輸水工程中空氣閥是其關(guān)鍵設(shè)備，主要負(fù)責(zé)排氣與負(fù)壓控制，因此對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程的空氣閥應(yīng)用進(jìn)行研究具有重要意義。基于此，文章首先對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程中氣囊危害進(jìn)行分析，對(duì)空氣閥設(shè)置的作用、技術(shù)要求、類型、性能參數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程中空氣閥設(shè)置原則進(jìn)行總結(jié)，對(duì)安裝位置進(jìn)行校核，在完成孔徑計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，以期對(duì)空氣閥的應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：空氣閥；長(zhǎng)距離；輸水工程；管線；危害

1氣囊危害分析

1.1具體原因

在輸水管線工程中必須要針對(duì)空氣來(lái)源采取對(duì)應(yīng)的方法，以期盡量減小輸水管線中空氣所占的比例。一般來(lái)說(shuō)，輸水管線中氣體來(lái)源有以下幾種可能性：

一是在進(jìn)行充水之前管內(nèi)即有空氣存在，充水過(guò)程中沒(méi)有做到完全排盡空氣；二是動(dòng)力機(jī)械在具體工作過(guò)程中有氣體進(jìn)入，比如說(shuō)潛水深井泵通過(guò)吸水提升段在啟泵流程中并未完全排出氣體，導(dǎo)致在水泵吸水過(guò)程中出現(xiàn)渦流的情況，使得吸入部分空氣，此外在水泵密封填料過(guò)程中也有很大可能空氣進(jìn)入。

1.2危害

第一，氣囊出現(xiàn)會(huì)加大輸水管線的水頭損失，使得管道通水面積下降，管道輸水能力降低。實(shí)際上，水中溶解的空氣在管道中會(huì)使得壓力降低或者是在溫度不斷升高過(guò)程中逐漸從水中釋放，然后形成氣泡與原本空管內(nèi)的空氣相互混合，水流組成氣液兩相流動(dòng)介質(zhì)。如此一來(lái)，輸送一樣流量的水的流速變大，換言之是摩阻水頭損失不斷變大。第二，輸水管線中出現(xiàn)氣囊而引發(fā)管道漏水、振動(dòng)失穩(wěn)等情況，甚至?xí)a(chǎn)生爆管等安全事故。如果管道內(nèi)排氣不大順暢，氣囊在長(zhǎng)距離輸水管道中非常容易導(dǎo)致局部水流速度及管道壓力在短暫時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生急劇的變化，因此引發(fā)管道局部振動(dòng)失穩(wěn)的情況，具體反映為管道振動(dòng)與管道噪音，在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)振動(dòng)，而導(dǎo)致接頭松動(dòng)，使得管網(wǎng)的漏水量大增。假如水錘的壓力符合爆管條件，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。

2空氣閥設(shè)置

2.1作用與技術(shù)要求分析

根據(jù)專家理論，對(duì)于相對(duì)平坦的輸水管路而言，在其充水與運(yùn)行時(shí)均有可能表現(xiàn)為6種不同的氣、液兩相流狀態(tài)，各種流態(tài)參考圖一。其中，氣、液兩相流的6種流態(tài)具體是由兩相速度、物理特性及水流充滿度等因素而受到一定程度的影響，具體會(huì)隨著影響因素而不斷調(diào)整，6種流態(tài)之間會(huì)隨時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換。所以，管道在充水時(shí)也并不是那么簡(jiǎn)單，水流不斷充滿管道內(nèi)而迫使氣體自然排出，真正情況是在充水與運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種流態(tài)過(guò)程。其中，氣團(tuán)流與段塞流是管道存氣的具體形式之一，也就是說(shuō)氣體是以不連續(xù)的獨(dú)立氣囊的形式浮于管道頂部，并且會(huì)隨著水流而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，容易在管道的凸點(diǎn)、變徑處發(fā)生聚集，因而出現(xiàn)壓力震蕩的情況。所以說(shuō)，要求必須在管線上設(shè)置空氣閥，可以將管道內(nèi)氣體處于氣團(tuán)流狀態(tài)時(shí)將其迅速排出。

2.2類型與性能參數(shù)

2.2.1空氣閥的類型

現(xiàn)階段，我國(guó)市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的空氣閥有三類，根據(jù)功能分類，包括微量空氣閥、高速進(jìn)排氣閥、復(fù)合空氣閥。如果根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分類，則包括浮球空氣閥、浮球杠桿式空氣閥以及動(dòng)力復(fù)合式空氣閥等。

2.2.2空氣閥性能參數(shù)

圖1　6種氣液兩相流狀態(tài)示意圖

對(duì)空氣閥性能參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行衡量比較困難，必須參考具體工程實(shí)際情況，考慮具體的使用條件及關(guān)注點(diǎn)。整體而言，空氣閥性能參數(shù)包括排氣能力、進(jìn)氣能力、開(kāi)閥力、承壓力等，可以作為工程中產(chǎn)品選擇的標(biāo)準(zhǔn)之一。

2.3長(zhǎng)距離輸水工程中空氣閥設(shè)置原則分析

實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中必須按照工程的實(shí)際特點(diǎn)及其運(yùn)行需求對(duì)空氣閥類型選擇及安裝位置進(jìn)行確定，其設(shè)置原則包括以下幾個(gè)方面：第一，安裝于輸水管線中縱斷面比較隆起的地方，該處也稱之為管線駝峰處，一般來(lái)說(shuō)大多安裝復(fù)合式空氣閥。第二，安裝于管線水力坡度出現(xiàn)變化的地方。比如下降坡度變大點(diǎn)必須要安裝復(fù)合式空氣閥，在上升坡度不斷變小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)要安裝高速進(jìn)排氣閥。

2.4安裝位置校核

實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要參考以上幾種原則，對(duì)空氣閥設(shè)置完畢，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程的具體情況，采用定量分析與計(jì)算的方法，對(duì)管線中空氣閥設(shè)置位置及其數(shù)量進(jìn)行復(fù)核。比如，在工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，大部分爆管并沒(méi)有出現(xiàn)在管道高點(diǎn)，大多是出現(xiàn)在高點(diǎn)下面的下坡管段，所以針對(duì)于管線中平直管段及下坡管段的空氣閥設(shè)置必須要利用詳細(xì)計(jì)算才可以準(zhǔn)確復(fù)核。一般而言，管道中水流情況被認(rèn)作是恒定流，這種情況下，水中氣泡根據(jù)水流的流速沿著管壁逐漸向前運(yùn)動(dòng)，在途經(jīng)管道高點(diǎn)空氣閥時(shí)，吸入到通氣支管內(nèi)的氣泡可利用空氣閥排出部分氣體到管外，剩余氣泡會(huì)由于水流作用越過(guò)空氣閥而不斷向下游流去。對(duì)氣泡受力情況進(jìn)行分析得知，運(yùn)動(dòng)方向和所受浮力的分力P1處于兩個(gè)相反的方向，浮力合力而使得阻力變大，導(dǎo)致氣泡運(yùn)動(dòng)速度降低，位于后面的氣泡對(duì)前面氣泡進(jìn)行撞擊而使得氣泡變大，氣泡逐漸變大至一定體積，逐漸上升至管頂內(nèi)壁從而形成氣囊，因?yàn)楸砻鎻埩Ξa(chǎn)生的作用，它具體是以半橢圓的形狀出現(xiàn)。

2.5孔徑計(jì)算

空氣是一種可壓縮流體，其密度與體積會(huì)隨著氣壓與溫度的變化而改變。假如系統(tǒng)處于充水排氣的狀態(tài)，管道內(nèi)補(bǔ)充水流體積應(yīng)與排出壓縮空氣體積相一致；如果系統(tǒng)在排水進(jìn)氣過(guò)程中，管道負(fù)壓環(huán)境下吸入空氣不斷膨脹，其體積不小于外界標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積。按照流體連續(xù)性理論分析，管道或者孔口的位置，空氣瞬間質(zhì)量流量是恒定的，因此僅與該位置處氣體密度有直接關(guān)系。我們可以假設(shè)條件是，孔口空氣流動(dòng)是在絕熱環(huán)境中進(jìn)行，具體包括兩種流動(dòng)狀態(tài)，分別是亞臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)。

臨界流動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)的條件參考以下公式

式中，p2是指孔口內(nèi)側(cè)氣壓；p1是孔口外側(cè)氣壓；k是空氣絕熱系數(shù)。

在進(jìn)氣過(guò)程中，p2＞p1；排氣過(guò)程中，p1＞p2，如果空氣絕熱系數(shù)k是1.40，那么氣壓比，

3算例分析

國(guó)投新疆哈密礦區(qū)長(zhǎng)輸供水管線（兩段）工程位于哈密市以西約40 km，哈密盆地西北至西南地帶，呈線形分布。水務(wù)公司重工業(yè)園區(qū)新水供水點(diǎn)，距哈密市15 km，終點(diǎn)至國(guó)投哈密能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司一礦，距哈密市50 km，地形北高南低，該工程設(shè)計(jì)流量為518.20 m3/h。哈密市重工業(yè)園區(qū)至礦區(qū)新水供水管線全長(zhǎng)53.06 km，樁號(hào)0+000～27+450段、樁號(hào)31+350～41+700段為DN350 mm、DN500 mm、DN450 mm、DN400 mm球墨鑄鐵管，樁號(hào)27+450～31+350段為DN529 mm螺紋鋼管，樁號(hào)41+700～52+844段為DN400 mm、DN350 mm鋼骨架PE管。

工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，哈密市重工業(yè)園區(qū)至礦區(qū)新水供水管線全線安裝空氣閥65處，每處安裝口徑為DN80 mm的空氣閥1個(gè)，共計(jì)65個(gè)DN80 mm空氣閥。有關(guān)空氣閥口徑選擇，根據(jù)規(guī)范要求“進(jìn)氣排氣閥的口徑在僅需要排氣功能時(shí)應(yīng)取輸水管直徑的1/8～1/12，在進(jìn)排氣功能均需要時(shí)，應(yīng)取輸水管直徑的1/5～1/8”，空氣閥口徑設(shè)計(jì)符合規(guī)范，但通過(guò)進(jìn)一步的分析模擬，建議采用口徑為DN80 mm空氣閥；有關(guān)空氣閥位置選擇，根據(jù)規(guī)范要求“輸水管在坡度小于0.001時(shí)，應(yīng)每隔0.50～1.00 km設(shè)置進(jìn)氣排氣閥。一般情況下每1.00 km左右設(shè)置進(jìn)氣排氣閥”，空氣閥位置設(shè)計(jì)合理，滿足規(guī)范要求；有關(guān)空氣閥重要程度方面，在管線波峰處，位置非常重要，選擇組合式排氣閥；因此，在管線波峰處等非常重要位置建議采取三階段排氣型空氣閥以避免排氣速度過(guò)快形成的水錘。在管道上升及下降段等重要位置，設(shè)置普通排氣閥。

4結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)認(rèn)真復(fù)核與計(jì)算，通過(guò)合理設(shè)置空氣閥，采用水錘分析計(jì)算，哈密市重工業(yè)園區(qū)至蓄水池段：一是哈密市重工業(yè)園區(qū)至蓄水池段管線全線壓力均未超出1.50倍承壓能力，最大值達(dá)到187.02 m（樁號(hào)29+350）；二是全線無(wú)負(fù)壓，最低值達(dá)到0.51 m（樁號(hào)0+610），滿足規(guī)范要求；三是哈密市重工業(yè)園區(qū)至蓄水池段管線關(guān)閥閥前壓力最大值為126.51 m，未超過(guò)承壓能力（200 m）。具體如圖2所示。

圖2　哈密市重工業(yè)園區(qū)至蓄水池段關(guān)閥水錘管線壓力包絡(luò)線

蓄水池至礦區(qū)段：蓄水池至礦區(qū)段管線全線壓力均未超出1.50倍承壓能力，最大值達(dá)到56.45 m（樁號(hào)45+400），全線無(wú)負(fù)壓，最低值達(dá)到1.94 m（樁號(hào)41+712），滿足規(guī)范要求；蓄水池至礦區(qū)段管線關(guān)閥閥前壓力最大值為51.66 m，未超過(guò)承壓能力（100 m）。具體如圖3所示：

經(jīng)過(guò)5 a的實(shí)際運(yùn)行，證明全線空氣閥布置方案比較科學(xué)合理，空氣閥孔徑可以達(dá)到相關(guān)工況要求。

（責(zé)任編輯：左英勇）

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文章編號(hào)：1673-8853（2016）05-0108-03

收稿日期：2016-03-12

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