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永嘉縣弘凌泵閥有限公司

排氣閥在輸水管道的增設問題探討

時間:2009-10-27閱讀:816
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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(wǎng)的管道。由于輸水管道負擔全系統(tǒng)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,但可借助水錘造成危害。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zui高點設排氣閥,但實際運行中,許多爆管并未發(fā)生在高點或低點,而是發(fā)生在高點后的下彎管段,甚至低壓管道也發(fā)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(qū),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(xù)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zui高點有一排氣閥,但排氣閥后50m處,多次發(fā)生爆管事故,后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(fā)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恒定流(壓力、流速、溫度不變)。在這種狀態(tài)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,由于浮力的作用,氣泡流速可能大于水流速。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(jīng)過zui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。由于管壁處的紊流和流速和切線特性,使一些經(jīng)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(chǎn)生的阻力,必然使氣泡運動的速度減慢,后序氣泡容易撞擊前面氣泡而全成大氣泡,大氣泡產(chǎn)生大的浮力。

浮力分力p1=psinα (1)

式中:p--氣泡受水的浮力(p=1/6π d3·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zui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(lián)立(1)、 (2)式得

3

d.sinα =-----------

10.4p.g

c--平衡常數(shù)

式(3)說明,在恒定流條件下,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(tài)

前述氣泡平衡問題時,假定了氣泡為直徑等于d的球形,這只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,由于表面張力的的作用,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(jù)模擬測量,氣囊的長l與高h的關系為:

1≈15h

3.氣囊受力分析及臨界位置

根據(jù)水利學原理,氣囊在管道內平衡時所受水流的推力,等于垂直于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,是由于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(chǎn)生高壓而爆管。

根據(jù)一些爆管的經(jīng)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=psin α=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.管道實際俯角小于計算角度時,排氣閥應設在下彎曲線與直線的交點處;

3.為使管內氣體盡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zui高點排氣閥。

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