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輸水管道排氣閥的增設(shè)
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,?！?br />
從這個例子看，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(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。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(diǎn)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（見圖二）。
越過排氣閥的氣泡順坡而行,，運(yùn)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(yùn)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(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,，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,，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(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(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(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),。這時氣囊的體積和斷面積簡單計(jì)算為：
V≈0.5πr3,，S≈0.2πr2。
對前例中DN800管道,，當(dāng)V=1.0m/s時,，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
5.214
α =arcSin=-----------=2.92°
100.5
該俯角α與實(shí)測爆管點(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,，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。