□杜建軍（新疆哈密托實水利水電勘測設(shè)計有限責任公司）

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對空氣閥用于長距離輸水工程的探索

□杜建軍（新疆哈密托實水利水電勘測設(shè)計有限責任公司）

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

關(guān)鍵詞：空氣閥；長距離；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空氣來源采取對應的方法，以期盡量減小輸水管線中空氣所占的比例。一般來說，輸水管線中氣體來源有以下幾種可能性：

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

1.2危害

第一，氣囊出現(xiàn)會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。實際上，水中溶解的空氣在管道中會使得壓力降低或者是在溫度不斷升高過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介質(zhì)。如此一來，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、振動失穩(wěn)等情況，甚至會產(chǎn)生爆管等安全事故。如果管道內(nèi)排氣不大順暢，氣囊在長距離輸水管道中非常容易導致局部水流速度及管道壓力在短暫時間內(nèi)產(chǎn)生急劇的變化，因此引發(fā)管道局部振動失穩(wěn)的情況，具體反映為管道振動與管道噪音，在一段時間內(nèi)持續(xù)振動，而導致接頭松動，使得管網(wǎng)的漏水量大增。假如水錘的壓力符合爆管條件，會發(fā)生嚴重的安全事故。

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，對于相對平坦的輸水管路而言，在其充水與運行時均有可能表現(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，具體會隨著影響因素而不斷調(diào)整，6種流態(tài)之間會隨時發(fā)生轉(zhuǎn)換。所以，管道在充水時也并不是那么簡單，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行過程中會出現(xiàn)各種流態(tài)過程。其中，氣團流與段塞流是管道存氣的具體形式之一，也就是說氣體是以不連續(xù)的獨立氣囊的形式浮于管道頂部，并且會隨著水流而產(chǎn)生運動，容易在管道的凸點、變徑處發(fā)生聚集，因而出現(xiàn)壓力震蕩的情況。所以說，要求必須在管線上設(shè)置空氣閥，可以將管道內(nèi)氣體處于氣團流狀態(tài)時將其迅速排出。

2.2類型與性能參數(shù)

2.2.1空氣閥的類型

現(xiàn)階段，我國市場上比較常見的空氣閥有三類，根據(jù)功能分類，包括微量空氣閥、高速進排氣閥、復合空氣閥。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力復合式空氣閥等。

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

對空氣閥性能參數(shù)指標進行衡量比較困難，必須參考具體工程實際情況，考慮具體的使用條件及關(guān)注點。整體而言，空氣閥性能參數(shù)包括排氣能力、進氣能力、開閥力、承壓力等，可以作為工程中產(chǎn)品選擇的標準之一。

2.3長距離輸水工程中空氣閥設(shè)置原則分析

實際工程應用過程中必須按照工程的實際特點及其運行需求對空氣閥類型選擇及安裝位置進行確定，其設(shè)置原則包括以下幾個方面：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，一般來說大多安裝復合式空氣閥。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必須要安裝復合式空氣閥，在上升坡度不斷變小的轉(zhuǎn)折點要安裝高速進排氣閥。

2.4安裝位置校核

實際工程設(shè)計過程中必須要參考以上幾種原則，對空氣閥設(shè)置完畢，還應當結(jié)合工程的具體情況，采用定量分析與計算的方法，對管線中空氣閥設(shè)置位置及其數(shù)量進行復核。比如，在工程實際運行過程中，大部分爆管并沒有出現(xiàn)在管道高點，大多是出現(xiàn)在高點下面的下坡管段，所以針對于管線中平直管段及下坡管段的空氣閥設(shè)置必須要利用詳細計算才可以準確復核。一般而言，管道中水流情況被認作是恒定流，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動，在途經(jīng)管道高點空氣閥時，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，剩余氣泡會由于水流作用越過空氣閥而不斷向下游流去。對氣泡受力情況進行分析得知，運動方向和所受浮力的分力P1處于兩個相反的方向，浮力合力而使得阻力變大，導致氣泡運動速度降低，位于后面的氣泡對前面氣泡進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，因為表面張力產(chǎn)生的作用，它具體是以半橢圓的形狀出現(xiàn)。

2.5孔徑計算

空氣是一種可壓縮流體，其密度與體積會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)補充水流體積應與排出壓縮空氣體積相一致；如果系統(tǒng)在排水進氣過程中，管道負壓環(huán)境下吸入空氣不斷膨脹，其體積不小于外界標準條件下的體積。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，孔口空氣流動是在絕熱環(huán)境中進行，具體包括兩種流動狀態(tài)，分別是亞臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)。

臨界流動狀態(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)。

在進氣過程中，p2＞p1；排氣過程中，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

國投新疆哈密礦區(qū)長輸供水管線（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。水務公司重工業(yè)園區(qū)新水供水點，距哈密市15 km，終點至國投哈密能源開發(fā)有限責任公司一礦，距哈密市50 km，地形北高南低，該工程設(shè)計流量為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53.06 km，樁號0+000～27+450段、樁號31+350～41+700段為DN350 mm、DN500 mm、DN450 mm、DN400 mm球墨鑄鐵管，樁號27+450～31+350段為DN529 mm螺紋鋼管，樁號41+700～52+844段為DN400 mm、DN350 mm鋼骨架PE管。

工程設(shè)計過程中，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，共計65個DN80 mm空氣閥。有關(guān)空氣閥口徑選擇，根據(jù)規(guī)范要求“進氣排氣閥的口徑在僅需要排氣功能時應取輸水管直徑的1/8～1/12，在進排氣功能均需要時，應取輸水管直徑的1/5～1/8”，空氣閥口徑設(shè)計符合規(guī)范，但通過進一步的分析模擬，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，應每隔0.50～1.00 km設(shè)置進氣排氣閥。一般情況下每1.00 km左右設(shè)置進氣排氣閥”，空氣閥位置設(shè)計合理，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

經(jīng)過認真復核與計算，通過合理設(shè)置空氣閥，采用水錘分析計算，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，最大值達到187.02 m（樁號29+350）；二是全線無負壓，最低值達到0.51 m（樁號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，最大值達到56.45 m（樁號45+400），全線無負壓，最低值達到1.94 m（樁號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，未超過承壓能力（100 m）。具體如圖3所示：

經(jīng)過5 a的實際運行，證明全線空氣閥布置方案比較科學合理，空氣閥孔徑可以達到相關(guān)工況要求。

（責任編輯：左英勇）

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文章編號：1673-8853（2016）05-0108-03

收稿日期：2016-03-12

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