輸水管道排氣閥的增設

tags:    時間:2014-03-12 02:03:48
輸水管道排氣閥的增設簡介
    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。由於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……
輸水管道排氣閥的增設正文
    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。由於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,但可藉助水錘造成危害。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,要求輸水管道的最高點設排氣閥,但實際運行中,許多爆管並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),高崗的最高點有一排氣閥,但排氣閥后50m處,多次發生爆管事故,後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恆定流(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,由於浮力的作用,氣泡流速可能大於水流速。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,經過最高點排氣閥時,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。由於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(見圖二)。


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,後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)


式中:p--氣泡受水的浮力(P=1/6πd3·P)


P--水的容重


d--氣泡直徑


α--管道的俯角


氣泡受水流的推力為P`


V2


p'=----- .S (2)


2g10


V2


式中:--------流速壓強(Kg/cm2)


2g10


S--氣泡最大截面積(S=1/4πd2)


V--水流速(m/s)


當P1=P`時,氣泡受力達到平衡而靜止在管道中。聯立(1)、(2)式得


3


d.Sinα=-----------


10.4p.g


C--平衡常數


式(3)說明,在恆定流條件下,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於d的球形,這隻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,由於表面張力的的作用,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的關係為:


1≈15h


3.氣囊受力分析及臨界位置


根據水利學原理,氣囊在管道內平衡時所受水流的推力,等於垂直於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))


n V2


p'=∑pi= -----.S(5)


1 2g10


S--弓形在積


氣囊能引起爆管,是由於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。


對前例中DN800管道,當V=1.0m/s時,所受推力按(5)式計算:


1.02


p'=------0.2π.402=5.124(Kg)


2g


所受浮力按(1)式計算


P1=PSinα=0.5π0.43×1000Sinα=100.5Sinα


當P`=P1時


5.214


α=arcSin=-----------=2.92° 100.5


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.管道實際俯角小於計算角度時,排氣閥應設在下彎曲線與直線的交點處;


3.為使管內氣體儘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最高點排氣閥

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