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(dān)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(shè)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(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(shè)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），高崗的最高點有一排氣閥，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�！倪@個例子看，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)過最高點排氣閥時，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，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）TD\\QXK168式中：p--氣泡受水的浮力（p=1/6π d3·p）p--水的容重vo=B#8d--氣泡直徑/bv-Fsa3~fα--管道的俯角:CWfL}|[[Z氣泡受水流的推力為p v2T1D'cU -9p'=----- .s （2）SX+=$ h% 式中：----- --－流速壓強（kg/cm2） X_kS| Nfb^.=5�1?.,
s-- 氣泡最大截面積（s=1/4πd2）/v-- 水流速（m/s）0n*當(dāng)p1＝p`時，氣泡受力達到平衡而靜止在管道中。聯(lián)立（1）、 （2）d.sinα10.4p.gLtWPY_�=11c--平衡常數(shù)QeJSC,@.式（3）說明，在恒定流條下，氣泡直徑與管道俯角的正弦成反比。當(dāng)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(dāng)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。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(guān)系為1≈15hvi3.氣囊受力分析及臨界位置A|H+h根據(jù)水利學(xué)原理，氣囊在管道內(nèi)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，這個截面為以h為高的弓形Vn v2 L]Mp'=∑ pi= -----.s （5）�1 2g10z..7| |xls--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，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。-2ts018^0對前例中dn800管道，當(dāng)v=1.0m/s時，所受推力按（5）式計算：VDaoK1.02Dj-qKEUi6p'＝------0.2π.402=5.124（kg）*2g所受浮力按（1）式計算ap1=psin α=0.5π0.43×1000sinα=100.5sinα當(dāng)p`=p1時?5.214K&t%α =arcsin=-----------=2.92°100.5NEQO該俯角α與實測爆管點俯角基本吻合。
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(yīng)設(shè)在下彎曲線與直線的交點處；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均應(yīng)設(shè)排氣閥；4.本文所增設(shè)的排氣閥不能取代最高點排氣閥。