虹吸管全自動(dòng)真空器及有關(guān)問題探討

陳起紅，胡棟輝

（1.寧波江河信息科技有限公司，浙江 余姚 315400；2.余姚市水利局，浙江 余姚 315400）

1 虹吸管概況

根據(jù)《浙江省山塘綜合整治技術(shù)導(dǎo)則》要求，山塘水庫(kù)在除險(xiǎn)加固時(shí)，原壩下涵管均需進(jìn)行封堵處理?？紤]到山塘水庫(kù)除險(xiǎn)加固投資有限，多數(shù)采用虹吸管作為新的輸水設(shè)施。虹吸管是一種利用虹吸原理來輸送液體的裝置，一部分管軸高于上游面，出口則低于上游水面的管道，其中部分液體為負(fù)壓，出口可以自由出流或淹沒出流。本文主要研究如何解決其真空問題。

虹吸管流量公式采用曼寧公式：

式中：Q為流量，m3/s；u為流量系數(shù)，無量綱；A為面積，m2；g為9.81 m/s2；ΔH為上下游水位差，m；ξ為局部水頭損失系數(shù)，無量綱；n為管道糙率，無量綱；R為水力半徑，m；l為管道長(zhǎng)度，m。

不同管徑的鍍鋅鋼管在不同的上下游水位差下，計(jì)算流速和流量見表1。n取0.012，∑ξ取3.0，l取50 m。

表1 不同水位差下管道流速和流量表

從計(jì)算結(jié)果看，在同樣水頭下，隨著管徑的增大，流速也增大。計(jì)算中要求管道必須為滿管流。虹吸管在實(shí)際運(yùn)行中很多管子輕微漏氣及下游管子會(huì)引入空氣，往往導(dǎo)致虹吸管頂部存在大量空氣，不斷積累后產(chǎn)生斷流現(xiàn)象。

分析原因主要是：

（1）管道焊縫漏氣：虹吸管一般采用鍍鋅鋼管，需在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接。由于受工地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，焊接可靠度不高，隨著時(shí)間推移，焊縫容易銹蝕導(dǎo)致管道漏氣，以及管道未考慮熱脹冷縮，產(chǎn)生裂縫繼而漏氣。

（2）管道構(gòu)件漏氣：虹吸管頭部單向閥和頂部氣液交換箱構(gòu)件因安裝精密度原因或構(gòu)件腐蝕，導(dǎo)致密閉性不良，產(chǎn)生漏氣。運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)調(diào)查，有很多虹吸管頭部單向閥堵塞或關(guān)閉不嚴(yán)。

（3）水體低壓汽化、溶解氣體析出：在長(zhǎng)期負(fù)壓作用下，水體本身會(huì)產(chǎn)生汽化和溶解氣體析出現(xiàn)象，負(fù)壓大于60 kPa時(shí)更為明顯。山塘水庫(kù)通常以灌溉為主，不經(jīng)常放水，放水周期有時(shí)甚至達(dá)幾個(gè)月之久，水體釋放的氣體積累到一定程度，虹吸管內(nèi)的真空就會(huì)被破壞。

2 全自動(dòng)真空器研制

解決虹吸管真空破壞問題，主要有2種方式：

（1）虹吸管管道進(jìn)口設(shè)置單向閥，管道頂部設(shè)置氣液交換箱，在氣液交換箱中灌水，灌滿整個(gè)管道后關(guān)閥。

（2）利用真空泵從虹吸管最高處（頂部）抽空氣，待管頂有水溢出時(shí)關(guān)閉閥門（見圖1）。

圖1 虹吸管示意圖

本文主要考慮第二種方式，研制虹吸管全自動(dòng)真空器，主要構(gòu)造是2個(gè)密閉箱，下密閉箱直接與虹吸管相連，即虹吸管內(nèi)水與下密閉箱連通，放置水位控制單元，對(duì)虹吸管內(nèi)水位情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)下密閉箱內(nèi)水位低于設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)排氣信號(hào)，將虹吸管內(nèi)水提升上來；當(dāng)下密閉箱內(nèi)水位高于設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)關(guān)閉信號(hào)，停止排氣，使虹吸管長(zhǎng)期處于滿水狀態(tài)。上密閉箱放置負(fù)壓發(fā)生器和電源控制單元。負(fù)壓發(fā)生器排氣量5~10 L/min，功率5~8 W，負(fù)壓80~90 kPa。虹吸管全自動(dòng)真空器外殼采用Ф150 mm不銹鋼管，高度160 mm，內(nèi)部?jī)?chǔ)水量約1.5 L?？紤]到虹吸管全自動(dòng)真空器安裝環(huán)境惡劣，山塘水庫(kù)高水位期間設(shè)備可能被淹沒，故對(duì)其進(jìn)行整體密封，防水等級(jí)達(dá)到IP68（見圖2~3）。

圖2 全自動(dòng)真空器示意圖

圖3 全自動(dòng)真空器實(shí)物圖

另外，需要解決設(shè)備供電的問題。根據(jù)實(shí)際使用情況，虹吸管管道一般24 h漏氣量小于2~7 L，按上述選取的負(fù)壓發(fā)生器，24 h工作時(shí)間不超過10 min，典型工況下日耗電量不超過1 W?h，故采用12 V/5 W~12 V/10 W太陽(yáng)能板和12 V/5 A?h動(dòng)力電池組即可滿足30 d以上陰雨天氣連續(xù)工作需要，完全可解決山塘沒市電的問題。

本設(shè)備已獲實(shí)用新型專利（ZL201721399848.1）和浙江省水利新技術(shù)推廣證書，并應(yīng)用廣泛。

3 虹吸管設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題

（1）經(jīng)調(diào)查，很多虹吸管設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮管道的熱脹冷縮問題，且設(shè)置鎮(zhèn)墩過多。若壩頂處按固端處理，則上下游支墩（鎮(zhèn)墩）均需按滑動(dòng)設(shè)計(jì)。若上下游設(shè)有鎮(zhèn)墩，則虹吸管外需包油毛氈以便管道能夠伸縮。管道較長(zhǎng)時(shí)，可設(shè)伸縮節(jié)。

（2）虹吸管下游端負(fù)壓不能過大。管道較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)在高差8~9 m處設(shè)置閥門，閥門后設(shè)置排氣閥，下游的空氣從排氣閥中出來，而不再積累至虹吸管管頂，以減少真空器工作時(shí)間。若出口閥門裝在高差大于8~9 m處但未裝排氣閥，則需控制放水流量，使虹吸管真空度低于設(shè)計(jì)值，以控制下游高差8~9 m處不出現(xiàn)負(fù)壓，一定要正壓。設(shè)排氣閥后，排氣時(shí)壓力為0 kPa，不排氣時(shí)為正壓，也就是控制真空器負(fù)壓不超過80~90 kPa。

（3）虹吸管正常工作的核心是管道防漏氣。鋼管或PE管施工完工后應(yīng)運(yùn)行0.3 MPa壓力試驗(yàn)，各類管道閥門應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，出水閥后建議接彎管深入儲(chǔ)水池中0.2~0.5 m，以減少小流量放水時(shí)空氣侵入管道。

（4）加強(qiáng)管道防腐設(shè)計(jì)，尤其是焊接部位，有條件的情況下進(jìn)行內(nèi)外防腐。

4 結(jié) 語(yǔ)

山塘水庫(kù)采用虹吸管輸水方便，投資成本低。通過安裝全自動(dòng)真空器可徹底解決山塘水庫(kù)虹吸管放水過程中容易斷水的問題，在山塘水庫(kù)防洪調(diào)度、生態(tài)流量管理、農(nóng)村供水取水口等均可廣泛應(yīng)用。