安儒海 屈衛(wèi)泉 郭林水 郝士朝

（1.北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050000；2.石家莊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)供水排水公司，石家莊 050000）

引言

在給水工程中，輸水管道排氣是一個非常重要且復(fù)雜的問題，及時排除管道內(nèi)氣體對保證供水系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。本文針對北方某水廠廠區(qū)內(nèi)128米長、口徑DN1400原水輸水管實(shí)際運(yùn)行情況，分析該管段積氣的形成原因，給出解決排除管道積氣的有效方法，并對工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)、分析。

1.工程概況

北方某水廠原設(shè)計(jì)規(guī)模5萬m3/d，南水北調(diào)工程建成通水后企業(yè)關(guān)閉自備井，用水量激增，在老廠區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，并擴(kuò)容至15萬m3/d，該項(xiàng)目用地緊張，設(shè)計(jì)時盡最大可能使土地利用率最大化。廠區(qū)前端設(shè)計(jì)有事故緩沖池，兼有預(yù)氧化功能，事故緩沖池出水設(shè)計(jì)水位標(biāo)高70.30m，為充分利用水池容積，采用堰后渠道出水，用一根DN1400鋼管從渠底引水至配水井，DN1400管道全長128m，水平埋地敷設(shè)，埋地敷設(shè)管中心標(biāo)高62.55m，管道布置呈“U”型，如圖1所示。DN1400輸水管分兩路DN1000管進(jìn)入配水井，配水井控制水位標(biāo)高69.80，DN1400管與DN1000管采用管中心對接，水平輸水管內(nèi)最大工作壓力約為0.075MPa。

圖1 斷面示意圖

本工程建成后通水運(yùn)行，在運(yùn)行過程中連通事故緩沖池與配水井的DN1400輸水管水平管段內(nèi)積氣嚴(yán)重，形成氣囊，管道內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣爆及管道振動，在管道末端地面上，能聽見的管道內(nèi)氣爆聲音；站在管道正上方，能明顯感到管道的振動傳至地面；最嚴(yán)重的情形出現(xiàn)在DN1000管的出口位置，氣囊在水壓作用下越過DN1400與DN1000管道交界面后進(jìn)入DN1000管道，瞬間從管口噴出，氣流帶動沖起水柱高度高出配水井地面約1.0m，DN1000管道出口正上方有活動鍍鋅鋼格板，每塊鋼格板約60 kg，水柱能把鋼格板頂起約0.5m高后落入配水井中，此現(xiàn)象周期性重復(fù)出現(xiàn)，存在嚴(yán)重安全隱患。

2.積氣原因分析及其危害

2.1 管道積氣分析

本工程設(shè)計(jì)規(guī)模15萬m3/d，投產(chǎn)初期冬季供水量7萬m3/d左右，夏季供水量10萬m3/d左右，低峰供水量不足設(shè)計(jì)規(guī)模的50%，整個生產(chǎn)工序處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，使運(yùn)行工藝存在如下情況：

（1）事故緩沖池出水設(shè)堰穩(wěn)定出水水位，出水堰頂標(biāo)高70.70m，堰長7.10m，滿負(fù)荷運(yùn)行時堰上水頭0.26m。配水井控制水位標(biāo)高69.80m，經(jīng)計(jì)算事故緩沖池至配水井管段總水頭損失0.49，則事故緩沖池出水渠水位標(biāo)高70.29m，堰跌落高度0.41m。水流跌落過程中，有跌水曝氣的作用，攜帶部分空氣進(jìn)入水流，溶解到水中，隨水流帶走。低負(fù)荷運(yùn)行時，堰上水頭0.15m，跌落過程中形成較薄水層，跌水高度達(dá)0.70m，加大了跌水曝氣吸入的空氣量。

（2）事故緩沖池出水渠板底標(biāo)高68.50m，滿負(fù)荷運(yùn)行時出水渠水位標(biāo)高70.29m，出水渠通過一根埋地DN1400管連通至配水井，事故緩沖池出水渠管口淹沒深度為1.80m，設(shè)計(jì)管道流速1.18m/s，埋地DN1400鋼管管中心標(biāo)高62.55m。水流通過管道從70.29m標(biāo)高的自然液面跌下至62.55m，下落高度7.74m，水流重力下落過程中沿管壁做加速運(yùn)動，水流速度勢必大于1.18m/s，隨著水流下降流速的增加，水流所受的管壁摩擦力也隨之增加，當(dāng)水流所受向上摩擦力與重力達(dá)到平衡時，下降水流速度才能保持不變。在低負(fù)荷運(yùn)行時，出水口淹沒深度約1.50m，在出水渠管口處，水流沿管壁作下落運(yùn)動，形成有一定厚度的帶有橫向隔膜的附壁環(huán)狀水膜流或水塞流，在管中心處形成離心漩渦，管口淹沒深度不足以克服漩渦形成的離心作用力時，漩渦通向液面吸入空氣。在向下運(yùn)動過程中隔膜下部管內(nèi)壓力不斷增加，壓力達(dá)到一定值時，管內(nèi)氣體將橫向隔膜沖破，管內(nèi)氣壓恢復(fù)正常[1]。在連續(xù)水流下降過程中，又形成新的橫向隔膜，橫向隔膜的形成與破壞交替進(jìn)行。在頻繁的交替運(yùn)行過程中，水中摻入了大量空氣，隨水流進(jìn)入水平管道。

（3）上述兩種情形吸入的空氣進(jìn)入水平管段，溶解的氣體從水中釋放出來與漩渦直接吸入的空氣在管頂聚集，末端DN1400管接DN1000管采用管中心對接，管道中的氣體不能順利排出，被水流分割成較大的分散氣囊，這些氣囊因水流挾帶向前運(yùn)動，再次聚集、分裂，引起水流速度變化和管道中壓力急劇升降。管道中的氣囊在DN1400管道末端不能及時排除，處于被壓縮狀態(tài)，這種氣囊極不穩(wěn)定，不斷分散、聚集，突快突慢，碰撞急停，引起水流速度發(fā)生急劇變化。氣囊運(yùn)動引起局部水流變化一般難以預(yù)料和控制，往往達(dá)到每秒數(shù)米流速，產(chǎn)生的局部水錘[2]。

2.2 管道積氣危害

管道憋氣運(yùn)行，就出現(xiàn)前述的管道氣爆、水擊和振動現(xiàn)象，在DN1400管道末端尤為明顯，長期運(yùn)行可能導(dǎo)致管道失穩(wěn)，導(dǎo)致管道焊口裂縫、儀表、閥門等松動現(xiàn)象。氣囊在管道末端越積越多，達(dá)到一定體積后，在瞬間高水壓的推動下，越過DN1400與DN1000管道交界面，以較大流速進(jìn)入DN1000管道，瞬間從管口噴出，出現(xiàn)前述水柱頂起鋼格板的現(xiàn)象。

管道運(yùn)行一段時間后，管道頂部積存氣體不能及時排除，減少水流斷面，增加了局部水流阻力，嚴(yán)重時可能截?cái)嗨?，造成管道運(yùn)行困難。目前，埋地鋼管大多采用內(nèi)外防腐的成品管，在水擊的反復(fù)作用下，導(dǎo)致成品管的防腐層脫落，失去防腐功能；在局部水錘作用下，管道出現(xiàn)“氣蝕現(xiàn)象”，長期反復(fù)錘擊，防腐層和鋼管內(nèi)壁出現(xiàn)蜂窩狀小孔，加速管道銹蝕，縮短管道使用壽命；管道內(nèi)壁銹蝕，污染輸水水質(zhì)，導(dǎo)致輸水管道二次污染。

進(jìn)入配水井的兩根DN1000管道上設(shè)有電磁流量計(jì)，正常情況下水中溶解空氣釋放和形成的氣泡較少，約占體積的2%，吸附在管道頂部，對流量計(jì)不會產(chǎn)生較大影響，但大量氣泡聚集在管道上部，壓縮了水流通道截面，使水流通道截面積變小，水流速度增大，尤其是較大氣囊通過時，截面積瞬間變小，使流量計(jì)測量值由異常大到異常小或出現(xiàn)負(fù)測量值[3]，測量值出現(xiàn)較大誤差，給工藝運(yùn)行帶來困擾。

3.解決方案

為了解決積氣產(chǎn)生的上述問題，需要快速、及時排除管道頂部聚集的空氣，首先想到的方法是在管道上安裝排氣閥。本工程DN1400管末端綜合管線復(fù)雜，不具備增設(shè)排氣閥的條件，選擇距離沿水流方向第一個三通3.0m處設(shè)置一個排氣閥，在水平管段起端設(shè)置另一個排氣閥，如圖1所示。

3.1 排氣閥選擇

浮球（筒）式排氣閥：較早生產(chǎn)的進(jìn)排氣閥，排氣最大壓力一般不超過0.08MPa，浮球式排氣閥的浮力較小，排完第一段氣體后水就把浮球托起，第二段氣體帶有壓力，氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘以管道內(nèi)壓力[4]，按此方法計(jì)算的浮球托力一般都大于浮球重力，即浮球不再落下自行排氣，則僅能排出第一段氣體，不能連續(xù)排氣，常用于管道首次充水或事故檢修后充水排氣。

氣缸式排氣閥：是用浮筒杠桿等控制氣缸內(nèi)氣動膜片動作，控制閥體排氣口啟動，根據(jù)氣缸原理制成的一種進(jìn)排氣閥。能排出多段水柱、氣柱相間氣體，有壓無壓氣體均可排出，能起到防止管道出現(xiàn)水錘、氣爆的作用。

復(fù)合式排氣閥：是在浮球（筒）式排氣閥的基礎(chǔ)上組合改進(jìn)而成，氣、水分離盤設(shè)計(jì)采用特殊結(jié)構(gòu)，只排氣、不排水。當(dāng)空管注水時，排氣閥塞頭位于開啟位置，大量排氣，直至排完氣體，浮力傳動塞頭關(guān)閉；當(dāng)運(yùn)行管道過程中，少量空氣聚集在閥體內(nèi)至一定程度，閥內(nèi)水位下降，浮球隨之下降，空氣由小孔排出。該閥性能可靠，可快速排出管道中的大量氣體及系統(tǒng)運(yùn)行中的少量氣體。只要管道內(nèi)有壓力，排氣閥就能連續(xù)不斷的把積存的氣體快速排出。

本工程改造時要求不能停止運(yùn)行，采用如下安裝方法：在DN1400管頂焊接一個DN150的法蘭盤短管，焊接完成后在法蘭盤段安裝一個DN150閘閥，閘閥全開，通過閘閥中心向下固定DN125的開孔器，在DN1400管頂開孔，成孔后關(guān)閉閘閥，在閘閥上法蘭安裝排氣閥。首先選擇2個DN150雙孔口高速復(fù)合式排氣閥，起端的排氣閥運(yùn)行效果較好，能排出初期積存的少量氣體；下游排氣閥排氣量偏小，排氣效果不佳，偶爾瞬間可排出一股氣體，且運(yùn)行一段時間后易被氣水泡沫中的浮渣堵塞而喪失排氣功能，排氣閥清洗維護(hù)工作量較大，但安裝排氣閥后，管道氣爆、振動現(xiàn)象改善甚微，DN1000管道出口噴水現(xiàn)象未完全消除。再次更換氣缸式排氣閥，運(yùn)行一段時間，同樣效果甚微。

結(jié)合工程具體條件分析：現(xiàn)狀DN1400輸水管水平敷設(shè)，無管道最高點(diǎn)，排氣閥也就不具備安裝在管道最高點(diǎn)的條件，條件限制未設(shè)置在管道末端，加之排氣閥排氣量較小，而管道內(nèi)形成的氣囊較大且氣泡較多，排氣閥不瞬間排出大量有壓氣體，未來得及排出的氣體被水流向前推進(jìn)，在管道末端聚集。氣囊在水壓作用下在管道內(nèi)再次分裂、聚集且隨水流鼓動而運(yùn)動，當(dāng)氣囊往回運(yùn)動至排氣口時，則能被排氣閥排出，但大部分氣囊還是聚集在管道末端。針對此種情況，需要瞬間排出大量過流有壓氣體，目前市場上的排氣閥很難達(dá)到這樣的效果。

3.2 常壓排氣裝置

針對排氣閥排氣量小，不能瞬間排出大量氣體的情況，開發(fā)了常壓排氣裝置。拆除原閘閥上端的排氣閥，在閘閥的上法蘭安裝定制的橡膠軟連接變徑DN150×DN500，變徑的DN500端通過法蘭連接DN500一根成品鋼管與大氣相通；在管底安裝一個DN65泄水閥，末端設(shè)快接卡盤，可重力泄水，也可接移動泵快速泄水，如圖2所示。DN500鋼管高8米，鋼管管頂標(biāo)高72.00m，高于事故緩沖池最高水位標(biāo)高70.96m。為防止雨水、飛鳥及空氣中的灰塵落入DN500鋼管內(nèi)，在管頂安裝一個不銹鋼風(fēng)帽。為使高聳的鋼管與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，在鋼管頂部做一個圓環(huán)球，在地面上種植爬山虎或其它藤蔓植物爬上圓環(huán)球，最終形成一個綠植圓球，融入周圍環(huán)境中，即解決了管道排氣問題，也起到美化環(huán)境的景觀效果，如圖3所示。

圖2 常壓排氣裝置

圖3 改造實(shí)景圖

3.3 改造效果

安裝完成后打開閘閥，DN1400管道內(nèi)與大氣相通，管道中的有壓或無壓氣囊、氣泡劃過排氣口時，瞬間上溢進(jìn)入DN500的排氣管中，有壓氣體從DN150管進(jìn)入DN500鋼管，斷面突然增大，釋放有壓氣體能量，形成自然氣泡上浮至自然液面，釋放至大氣中。改造完成后管道內(nèi)無氣爆、水擊現(xiàn)象，管道也無振動現(xiàn)象；配水井出水口水面穩(wěn)定，無瞬間噴水現(xiàn)象；DN1000管道上的電磁流量計(jì)生成計(jì)量曲線平穩(wěn)，在正常誤差范圍內(nèi)。

每周或十天關(guān)閉下端閘閥，打開泄水閥，排除管道內(nèi)存水，管道內(nèi)的浮渣通過泄水管一并排除，重復(fù)一至兩次操作，清洗干凈排氣管道，關(guān)閉泄水閥，打開閘閥恢復(fù)運(yùn)行。此方法不像傳統(tǒng)排氣維護(hù)操作復(fù)雜、需要定期巡視，檢查排氣閥是否正常工作；常壓排氣裝置維護(hù)操作簡單易行，投入使用后一勞永逸，不再擔(dān)心出現(xiàn)排氣閥故障不排氣的事故了。經(jīng)過長期運(yùn)行實(shí)踐表明，采用常壓排氣裝置對輸水管進(jìn)行排氣改造后，給水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，保障輸水管道安全運(yùn)行，保障生產(chǎn)工藝穩(wěn)定運(yùn)行。

4.結(jié)語

根據(jù)本次工程經(jīng)驗(yàn)及觀測情況，改造后排氣管內(nèi)水面無劇烈波動情況，因此釋放壓力的排氣管可適當(dāng)減小，可改為DN300，具體規(guī)格大小根據(jù)輸水管管徑及運(yùn)行工況研究決定。輸水管頂部開孔孔徑取經(jīng)計(jì)算的排氣閥口徑，一般取輸水管直徑的1/5～1/8為開孔孔徑[5]。排氣管管頂標(biāo)高應(yīng)高于上游水位（壓）標(biāo)高1.2～1.5m，確保氣囊壓力釋放時管頂不溢水。以上工程經(jīng)驗(yàn)在另一項(xiàng)目的泵站吸水母管上得到充分應(yīng)用，該泵站吸水母管上的排氣閥頻繁失靈，經(jīng)常維護(hù)或更換，排氣不暢導(dǎo)致啟泵困難或啟泵后水泵運(yùn)行不穩(wěn)定，采用常壓排氣裝置后得到完美解決，再無吸水母管積氣的情況出現(xiàn)。

輸水管道改造工程投入使用后運(yùn)行良好，常壓排氣裝置給水廠安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力保障，該裝置簡單易行且非常有效，給解決低壓（建議水壓≤0.1MPa）輸水管道類似的工程問題提供新思路、新方法。