输配水管道设计与气囊形成的关系探讨

发布时间：2020-05-19

　　摘要：目前，经济在快速发展，社会在不断进步，气囊封堵法已经应用在安全快捷地实现管道封堵方面，也有文章对气囊阻漏进行了研究，从相关研究成果可以看出气囊在封堵方面的效果是显著的，如果气体在供水管道中积累到一定程度并且无法排除的话，严重的气阻是完全可以造成供水中断的。因管道运行过程当中排气不畅造成的气体聚集形成气囊后会占据管道过水断面、增大局部水阻、造成通水困难、增加系统运行电耗，甚至导致爆管。同时，气体的存在也影响到管道的水击防护。因此，在工程设计中正确判断气囊在管道中聚集的可能性，并相应地采取措施是必要的。

　　关键词：管道;气囊;排气阀

　　引言

　　目前，气囊封堵法已经应用在安全快捷地实现管道封堵方面，也有文章对气囊阻漏进行了研究 ，从相关研究成果可以看出气囊在封堵方面的效果是显著的，如果气体在供水管道中积累到一定程度并且无法排除的话，严重的气阻是完全可以造成供水中断的。因管道运行过程当中排气不畅造成的气体聚集形成气囊后会占据管道过水断面、增大局部水阻、造成通水困难、增加系统运行电耗，甚至导致爆管。同时，气体的存在也影响到管道的水击防护。因此，在工程设计中正确判断气囊在管道中聚集的可能性，并相应地采取措施是必要的。本文简要介绍了管线中气体的来源和危害及工程设计中为了减小气体对输配水管线系统的危害而设置的排气阀的必要性，采用赵明博士的毕业论文中关于坡度下降管段的临界俯角的结论，总结了在不同流速和管径条件下临界管道坡度，并针对现有规范 中管道曲线安装允许铺设角度和临界管道坡度的关系进行了对比，对输配水有压管道的设计和施工提出了应对气囊形成的一些建议。

　　期刊推荐：《中国水利水电科学研究院学报》为水利部主管、中国水利水电科学研究院主办的综合性学术刊物。本刊于2003年6月创刊，主要刊登水利水电宏观决策研究、应用基础研究及工程应用方面的科技论文、专题综述和工程技术总结等，开展学术讨论，介绍国内外科技动态。

　　1 有压输水管道中气体的形成

　　有压输水管道在运行中气体的常见来源有：管道排气不畅在局部形成空气囊;运行中的水泵突然停止运行使管道局部产生真空引起管道从排吸气阀吸入空气;阀门突然关闭使管道局部产生真空引起管道从排吸气阀吸入空气;水泵的叶轮负压区气体释放等。还有一个可能经常被我们忽视的因素，就是吸入水泵中的水体本身会溶解一部分空气。据研究表面，水中最大体积含气率约为 2%，即每立方米水含有的溶解性气体量约为20L，当有压输水管道的运行状态由有压运行变为低压运行或无压条件下时，水中含有的溶解性气体会以微小气泡的形式迅速析出，并随着水流运动形成大体积的气泡或者气囊。比如，宁东环保工程中煤化工园区至南湖输水管线从煤化工至高位水池为 DN800~DN1000 球墨铸铁管(距离高位水池 1km 处为DN1000 球墨铸铁管)，从高位水池至梅花井段输水管路为Dn600 钢骨架塑料复合管。像这种由大管径变为小管径的输水管道中，由于管径的突然变化，引起输送介质的流速突然增大，压强减小，导致输送水中的溶解性气体析出，形成气泡或气囊。

　　2输配水管道设计与气囊形成的关系

　　2.1管道曲线安装

　　球墨铸铁管作为输配水管线的常用管材，规范中对曲线安装的管道接口允许转角做出了规定，应符合要求。通常情况下在管道纵向需要调整高程的地点设计都采用11.25°、22.5°、30°、45°标准弯头，而对于仅需要略微调整的小角度，施工时就会利用规范中允许的转角来进行微调施工。设计人员设计时通常会对规范中允许转角进行修正提出设计要求，通常是规范允许转角的一半。

　　2.2输水管道中气体(气囊)危害的防治措施

　　从理论上讲，防止输水管道中气体(气囊)危害一般有三种防治措施：输水管道设计合理，输水管道在正常运行条件下，不会产生可危害输水管道正常运行的大体积气体或气囊;严格按照操作规程操作，保证管道排净气体，任何状态下都不产生气囊运动型断流弥合水锤。从技术措施上讲，输水管道防治气体或气囊的危害措施一般有以下几个方面：第一，设排气井，安装自动排气阀。输配水管路中设自动排气阀是目前最常用的方法，也是最经济合理并且有效的方法。排气阀的设立原则是：应合理选择排气阀的安装位置及间距，笔者认为输水管路应每1~1.2公里处设一个排气阀，排气阀应安装着此段输水管路途经地形的高点;选择合适口径及合适结构的排气阀;对于输送距离不是很长(管路长度一般10km以内)，且地形相对平坦的输配水管路，建议选择单筒式浮球排气阀即可满足使用要求;对于长距离(管路长度10km)以上，地形起伏相对较大的输配水管路，建议选择在多段水柱、气柱相间条件下能持续排气且带缓闭的排气阀。第二，在管道的重要部位安装空气罐及其同样类型的稳压吸压装置，利用空气罐及其同样类型的稳压吸压装置直接吸纳或消除水锤升压波。空气罐是一种内部充有一定量要压缩空气的金属水罐装置。当发生水锤管内压力升高时，原压缩的空气被再度压缩，起到气垫消能作用;而当管内由于突然停泵压力陡降，甚至可能发生水柱分离时，又可利用压缩空气膨胀向管中注水，因而有效地消减了停泵水锤的危害。这种方法在城市输配水工程中运用相对较少。第三，利用调压塔吸收升压波。目前，在长距离有压输配水管道中，运用的比较多的是箱式双向调压塔。

　　2.3管道曲线安装

　　球墨铸铁管作为输配水管线的常用管材，规范 中对曲线安装的管道接口允许转角做出了规定。通常情况下在管道纵向需要调整高程的地点设计都采用 11. 25°、22. 5°、30°、45°标准弯头，而对于仅需要略微调整的小角度，施工时就会利用规范中允许的转角来进行微调施工。设计人员设计时通常会对规范中允许转角进行修正提出设计要求，通常是规范允许转角的一半。

　　2.4曲线安装形成气囊的可能性

　　结合临界管线俯角计算分析结果和实际工程设计施工当中管道曲线安装的情况，可以分析出如果管线曲线安装将会形成气囊的可能性及范围，输配水管线工程设计通常会将管道流速控制在 1m/s。在坡向向下的管段利用借转角度缓慢过度的时候所有竖向俯角小于临界管线俯角的管道中都会聚集气体，通常管道长度为 6m，可以计算出气囊可能形成管道长度。在同等流速情况下，因为小管径管道所要求的临界管线俯角很大，所以如果采取小角度借转安装管道的话，管径越小，可能产生气体聚集的管段就可能越长。如果施工或设计当中采用不设置标准弯头的话，肯有可能会导致在顺水流方向的管道下坡段形成气囊。

　　结语

　　给水管道的工程管道设计中往往无视了流速和管道坡度双重因素对气体运动的影响而只在高点处设置排气阀，本文的结论对给水工程管道设计人员具有指导意义。同时对施工人员也给出了施工要求，施工质量决定着管道运行的安全性。