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當(dāng)前位置:永嘉縣弘凌泵閥有限公司 >>技術(shù)文章>>排氣閥在輸水管道的增設(shè)問題探討
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(fù)擔(dān)全系統(tǒng)供水,且壓力較高,所以它的安全運(yùn)行問題始終被從水部門和設(shè)計(jì)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(yīng)力、管材質(zhì)量、施工質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)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(shè)置排氣閥,避免氣體聚集成氣囊進(jìn)行探討。
二、實(shí)例及分析
在地形起估地段,要求輸水管道的zui高點(diǎn)設(shè)排氣閥,但實(shí)際運(yùn)行中,許多爆管并未發(fā)生在高點(diǎn)或低點(diǎn),而是發(fā)生在高點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(gè)例子看,爆管與管中的氣體有關(guān)(安排氣閥后無爆管)。下面對(duì)管道中氣囊的形成過程和它的受力情況進(jìn)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(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)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(dòng),經(jīng)過zui高點(diǎn)排氣閥時(shí),排氣管直徑內(nèi)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(yùn)動(dòng)方向與氣泡所受浮力的分力p1方向相反(見圖三),這個(gè)浮力合力產(chǎn)生的阻力,必然使氣泡運(yùn)動(dòng)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(qiáng)(kg/cm2)
2g10
s-- 氣泡zui大截面積(s=1/4πd2)
v-- 水流速(m/s)
當(dāng)p1=p`時(shí),氣泡受力達(dá)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(dāng)d·sinα>c時(shí),氣泡向上移動(dòng)。
2.管道中氣囊的形態(tài)
前述氣泡平衡問題時(shí),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(shí)際上當(dāng)氣泡達(dá)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(zhǎng)大,氣泡的形狀將受水流推力、重力和管道形狀控制,在長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)較大,在橫向成弓形。
根據(jù)模擬測(cè)量,氣囊的長(zhǎng)l與高h(yuǎn)的關(guān)系為:
1≈15h
3.氣囊受力分析及臨界位置
根據(jù)水利學(xué)原理,氣囊在管道內(nèi)平衡時(shí)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(gè)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(guān)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(yīng)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(yàn),氣囊高度達(dá)到管徑四分之一是爆管的危險(xiǎn)點(diǎn),也就是氣囊的臨界點(diǎn)。這時(shí)氣囊的體積和斷面積簡(jiǎn)單計(jì)算為:
v≈0.5πr3,s≈0.2πr2。
對(duì)前例中dn800管道,當(dāng)v=1.0m/s時(shí),所受推力按(5)式計(jì)算:
1.02
p'=------0.2π.402=5.124(kg)
2g
所受浮力按(1)式計(jì)算
p1=psin α=0.5π0.43×1000sinα=100.5sinα
當(dāng)p`=p1時(shí)
5.214
α =arcsin=-----------=2.92°
100.5
該俯角α與實(shí)測(cè)爆管點(diǎn)俯角基本吻合。
三、結(jié)論
1.輸水管道下坡段必須增設(shè)排氣閥,具體位置由式p`=psinα確定,計(jì)算流速取平均值為宜;
2.管道實(shí)際俯角小于計(jì)算角度時(shí),排氣閥應(yīng)設(shè)在下彎曲線與直線的交點(diǎn)處;
3.為使管內(nèi)氣體盡早排出而不形成氣囊,下彎管線與直管線的交點(diǎn)均應(yīng)設(shè)排氣閥;
4.本文所增設(shè)的排氣閥不能取代zui高點(diǎn)排氣閥。
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