1.工程概況本工程案例為某廠的輸水管線的改造。該廠的用水取自湘江，從江邊取水泵房到凈化站新鋪設(shè)一條DN500的供水管道，從凈化站到二次加壓泵房，二次加壓泵房到生產(chǎn)區(qū)新鋪設(shè)兩條DN500的供水管道，總長度約為3km。本次改造地形起伏多，輸水管線要穿越整個生活區(qū)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷發(fā)展，對供水系統(tǒng)的安全性要求越來越高，難度比較大。
2.故障分析改造項(xiàng)目情況比較復(fù)雜，為做好施工圖設(shè)計我設(shè)計人員先后二次到現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，一是查看現(xiàn)場情況確定輸水管線的走向;二是聽取廠里動力處的同志匯報舊輸水管線在使用過程中出現(xiàn)的問題和對本次改造的意見，其中有一點(diǎn)引起了我的高度重視，近幾年管道爆管現(xiàn)象頻繁發(fā)生，平均一個多月爆一次管，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)。我到的前一天就有一處管道爆管，全廠停水搶修，我要求到現(xiàn)場看了一下，管材為鑄鐵管，管徑為DN300，爆管現(xiàn)象為承口處裂縫長1m，發(fā)生在二次加壓泵房加壓泵由小泵運(yùn)行換大泵時。動力處的同志說一周前還爆過一次管，上次爆管和這次情況相似，發(fā)生在全廠停車檢修完畢開泵送水時。輸水管線上的排氣閥，年久失修，沒有及時更換已失去排氣功能，通過對爆管時間和現(xiàn)象的分析，我認(rèn)為是管道排氣不暢，管道內(nèi)有大量氣囊存在，引發(fā)啟泵水錘是爆管的主要原因。
二次加壓泵房的水泵沒有變頻設(shè)備，直接啟動開啟速度太快，在大泵換小泵或剛啟泵時，幾秒鐘內(nèi)水泵就能達(dá)到額定壓力和流量,管道內(nèi)的壓力和流速急劇增大，氣體受壓縮后，體積變小，內(nèi)壓升高，水泵口的壓力降低，流量增大，氣體的內(nèi)壓升到一定程度后反膨脹，動量和沖量交替轉(zhuǎn)換，管道中引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象，并以壓力波的形式在管道中傳遞，引起啟泵水錘，zui終導(dǎo)致爆管。水泵啟動時，管道內(nèi)的流速遠(yuǎn)高于設(shè)計流速，產(chǎn)生啟泵水錘的壓力可高達(dá)2MPa左右，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)壓力，這種連續(xù)波動的動壓破壞力是靜壓的數(shù)倍，舊管道使用年限較長，強(qiáng)度降低，極易發(fā)生爆管。為了避免啟泵水錘引發(fā)的爆管現(xiàn)象再次發(fā)生，本次設(shè)計管道的排氣問題至關(guān)重要。
3.管道內(nèi)氣體的來源、運(yùn)行特點(diǎn)及其危害管道中存有氣體的情況很多，氣體來源主要有兩個方面：1>管網(wǎng)起伏大，停泵或停水管道局部產(chǎn)生真空致使管道從排氣閥或高的用水點(diǎn)吸氣;
2>吸入水泵的天然水體，其溶解空氣的zui大體積含氣率約為2%(即水中含溶解性氣體約為20L/m3)，研究表明當(dāng)壓力降低到某一值時水中溶解性氣體會以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流運(yùn)行而聚積成大氣泡或大氣囊。在較長距離的輸管道中，由于設(shè)計流速一般不大，管道中的氣體多以氣囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，氣囊多存在于管道的凸起點(diǎn);而在坡度小、較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨(dú)立的大氣囊形式分散存在。根據(jù)美國水錘專家馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管路在充水和運(yùn)行過程中呈現(xiàn)六種氣液兩相流狀態(tài)。輸水管道充水排氣過程是相當(dāng)復(fù)雜的，一般來說剛開始充水時管道流態(tài)多為層狀流、波狀流、段塞流或環(huán)狀流，排氣較為容易;后期則多呈段塞流、氣團(tuán)流或泡沫流狀態(tài)，普通排氣裝置就很難排氣了。管道中存在的氣囊的大小、數(shù)量則取決于管道的復(fù)雜程度、管徑大小、充水的速度和方法、排氣措施等。
大量的工程實(shí)踐表明，管道中存氣囊隨水流動時，對長距離輸水管線帶來了很大危害，主要有以下兩個方面：
1>排氣不暢造成輸水管通水困難，水阻增大,流量達(dá)不到設(shè)計值。
坡度不是很大的輸水管在初次通水或檢修后再次通水,管道中水氣相間是必然的,如果排氣不暢，就造成了嚴(yán)重“氣堵”,氣排不出，水流不暢，充水極其困難，尤其是重力流，坡度較小,管徑較大時,更為嚴(yán)重。管道內(nèi)有氣囊存在，氣阻增大，嚴(yán)重時形成“氣堵”，過水?dāng)嗝鏈p小，流量達(dá)不到設(shè)計值。
2>排氣不暢造成通水及運(yùn)行期間爆管,供水系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。管道中存在的氣囊隨水流動時由于管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，管道內(nèi)流速的變化，極易造成氣囊兩端壓差改變，這種微小壓差變化對于不可壓縮的水來說不會有什么影響，但對于空氣來說影響是極大的，它能引起水流速度的變化和管道中壓力的急劇升降，造成水錘引發(fā)爆管。
4.排氣閥的類型排氣閥是輸水管道上的特殊產(chǎn)品,其性能差極大。目前國內(nèi)常見的排氣閥按結(jié)構(gòu)形式可分為2類，浮球式排氣閥(包括組合式、復(fù)合式、動力復(fù)合式)和氣缸式排氣閥。
4.1浮球式排氣閥在其閥體內(nèi)護(hù)筒上有一浮球，在閥體內(nèi)無水時，浮球落入護(hù)筒，排氣口打開排氣，有水時，浮球浮起堵住排氣口，封住水流。該類型的排氣閥結(jié)構(gòu)簡單，但有以下技術(shù)缺陷：1>水氣相間時大排氣口僅能排出*段氣體,不能連續(xù)排氣。輸水管道坡度不大時，管道中大多是一段水一段氣的段塞流狀態(tài)，浮球式排氣閥的浮力僅幾公斤重，而排完*段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體即有壓力,假定壓力為0.2PMa，氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘管道內(nèi)壓力,計算可得DN100排氣閥托球力約150kg，DN300排氣閥托球力約1400kg，故大排氣口不可能再自動開啟排氣，在段塞流狀態(tài)中失去排氣功能。
2>小排氣口徑一般為3～5mm，僅能微量排氣如果大排氣口性能不好,僅靠微孔排氣，對于大管徑輸水管是極危險的。3>運(yùn)行時長期不動作,浮球易因貼粘而失效。4.2氣缸式排氣閥氣缸式排氣閥是利用浮筒杠桿等控制氣缸內(nèi)氣動膜片動作，從而使閥體上大、小排氣口啟閉，是全壓高速排氣閥，該閥在任何壓力和水流狀態(tài)下，只要管路中的氣體進(jìn)入排氣閥，排氣閥就開啟大、小排氣口排氣。當(dāng)水進(jìn)入排氣閥內(nèi)，大、小排氣口即關(guān)閉,不漏水?；蛘哒f該閥能做到見氣即高速排出，見水即關(guān)閉，可連續(xù)多次的大量排氣。這類排氣閥結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)是：大、小排氣口或僅大排氣口的有效排氣口徑不小于排氣閥公稱直徑的70%～80%，排氣口徑大，排氣速度快，且在任何情況下均可高速排氣。一般設(shè)計者在選擇排氣閥時是以排氣閥的公稱直徑計算排氣量的。氣缸式排氣閥則完滿足設(shè)計要求,真正起到防止管道出現(xiàn)水錘和爆管的作用。
5.排氣閥的選擇及安裝本工程輸水管線有壓力流、有重力流、有坡度大的、有坡度小的，管道內(nèi)氣體的運(yùn)行狀態(tài)比較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)選用一種排氣閥在任何狀態(tài)都能有效地排出管道內(nèi)的氣體。經(jīng)比較選用了氣缸式排氣閥。凈化站建在一山頭上，從江邊取水泵房到凈化站，管道長800m，壓力流，坡度大，在中間隆起點(diǎn)處安裝了排氣閥，為了能夠均勻分配進(jìn)各處理構(gòu)筑物的水量，在進(jìn)凈化站前安裝了超聲波時差式流量計，如果管道中有大量氣囊,容易造成流量計測量超差或無法測量，所以在超聲波時差式流量計前大于10倍管徑處安裝了排氣閥，確保計量準(zhǔn)確無誤。從凈化站到二次加壓泵房，管道長1600m，重力流，下山段坡度大，其它管道坡度較平坦，下山管道內(nèi)的氣體能夠直接排入山上的清水池，山下坡度平坦的管道共在三處安裝了排氣閥，為了保護(hù)二次加壓泵房內(nèi)的水泵，在進(jìn)二次加壓泵房處的管道上安裝了排氣閥。
從二次加壓泵房到生產(chǎn)區(qū)，管道長600m，壓力流，坡度較平坦，在中間隆起點(diǎn)處安裝了排氣閥。輸水管線上共在6處安裝了排氣閥，能夠有效地排出管道內(nèi)的氣體，確保了輸水管線不會管道內(nèi)有氣體而出現(xiàn)問題。
6.結(jié)語由于輸水管道排氣順暢與否是其保證安全運(yùn)行的zui重要指標(biāo)，工程實(shí)踐證明，不裝或者所裝排氣閥性能不符合要求，都可能造成爆管,停水停產(chǎn)，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。因此使用排氣性能良好的排氣閥并合理安裝是管路安全運(yùn)行的關(guān)鍵。排氣閥要有良好的性能，尤其是當(dāng)管道內(nèi)氣體呈段塞流、氣團(tuán)流時，不僅能快速地排出*個氣囊，而且能夠持續(xù)排出任何一個氣囊。即在一定壓力條件下，排氣閥必須做到閥體內(nèi)充滿空氣就開啟大小排氣口排氣，水進(jìn)入閥體，閥門就關(guān)閉而不排水。滿足上述要求的排氣閥，其大排氣口直徑不得小于公稱直徑的70%～80%，小排氣口直徑不限。投標(biāo)廠商必須出示排氣閥通過自行或檢測機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)合格的合格證。排氣閥口徑一般為主管道直徑的1/8～1/5。如果選用不帶緩閉的排氣閥時，在一處安裝一大一小兩個排氣閥。如果選用帶有緩閉的排氣閥，僅在管頂處安裝一個即可。如果管道平坦，坡度≤D/1000時,應(yīng)每隔0.5～1.0km安裝一個排氣閥。如果坡度≤D/100時,應(yīng)每隔1.0～1.5km安裝一個排氣閥。坡度再大時,可考慮每隔1.5～3.0km安裝一個排氣閥。坡度≥D/10時,可考慮僅在高點(diǎn)處安裝排氣閥(D為管道直徑)。多起伏的管路,應(yīng)在各高點(diǎn)處安裝排氣閥。按有關(guān)的規(guī)范和技術(shù)要求，科學(xué)地選擇排氣閥，對所選購的排氣閥進(jìn)行性能測定試驗(yàn)，以鑒定排氣閥的性能，合格后方可選用。
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