長距離輸調(diào)水工程真空破壞閥的設(shè)計及選型

高仁超

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

長距離輸調(diào)水工程真空破壞閥的設(shè)計及選型

高仁超

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

文章針對示例輸水工程的真空破壞閥設(shè)計選型進(jìn)行了深入探討。根據(jù)工程的實際情況，先對管道產(chǎn)生真空壓力的原因進(jìn)行了分析，通過合理選擇真空破壞閥的位置以及閥門口徑，減少工程投資并保證輸水管線工程的安全運行。

管道；真空破壞閥；口徑

引言

示例工程的輸水管道為長距離重力流輸水，輸水管線總長度為306km，最大口徑為D N 5800，最小口徑為D N 3200（四根）；設(shè)計最大單管輸水流量為42m3/s，設(shè)計最大流速為1.59m/s。輸水管材以P C C P為主，局部穿路等位置采用鋼管。管道最大工作靜壓為1.51MP a。

當(dāng)管道產(chǎn)生真空壓力后，真空壓力與管外的土荷載、水荷載等外加力疊加作用，將使管道產(chǎn)生變形、破壞密封等一系列的問題，輕則因為管道吸癟減小過流面積，造成輸水能力下降；重則造成管道破壞，形成爆管等極端工況，影響整個工程的運行。

1 輸水管道工程設(shè)置真空破壞閥的作用

真空破壞閥時是一種安全閥，主要用于容器或管道中，在管道或容器因系統(tǒng)運行或停止而產(chǎn)生負(fù)壓或真空時，該閥能自動開啟，破壞真空效應(yīng)，使管道及其他設(shè)備不致產(chǎn)生吸癟、凹裂等現(xiàn)象，以保護(hù)管道工程的安全。

1.1排水時補(bǔ)氣

管道在檢修排水時，隨著管道內(nèi)水量的不斷減少，導(dǎo)致管道內(nèi)生產(chǎn)負(fù)壓真空。此時，真空破壞閥與空氣閥聯(lián)合工作，大量進(jìn)氣，以保證位于高位的管道不會因為產(chǎn)生真空而破壞。

1.2關(guān)閉檢修閥時補(bǔ)氣

在管道正常運行維護(hù)時，當(dāng)關(guān)閉主管道的檢修蝶閥，閥門上游來水被切斷，下游水流在慣性作用下繼續(xù)向前，此時閥后會產(chǎn)生真空，需要大量補(bǔ)氣。

1.3爆管時補(bǔ)氣

示例工程采用P C C P管道作為主輸水管道，而P C C P的預(yù)應(yīng)力鋼絲會因銹蝕、超壓等原因發(fā)生斷裂，極有可能造成在運行中發(fā)生爆管事故。通過水力過渡過程計算，爆管產(chǎn)生的瞬時泄水量最大可達(dá)236m3/s。當(dāng)輸水管道一旦發(fā)生爆管大量泄水時，為避免高位的管道發(fā)生真空破壞，例如吸癟、破壞密封等，普通進(jìn)排氣閥很難滿足短時間大體積的進(jìn)氣要求，因此需要在管道上設(shè)置真空破壞閥大量進(jìn)氣。

2 真空破壞閥設(shè)計及選型

2.1真空破壞閥的設(shè)置原則

真空破壞閥是空氣閥的一種，其位置的設(shè)計原則與空氣閥相同，一般應(yīng)安裝在管線的局部高點，以及在管線發(fā)生大量泄流時最先產(chǎn)生真空的位置。管道沿線設(shè)置的普通空氣閥本身也具備一定的進(jìn)氣功能，當(dāng)已經(jīng)設(shè)置的空氣閥進(jìn)氣能力不滿足時才設(shè)置真空破壞閥。

當(dāng)然，所有的真空破壞閥均可用普通進(jìn)排氣閥替代，相等通氣斷面的真空破壞閥的通氣能力比普通的進(jìn)排氣閥稍大，但等通氣斷面的真空破壞閥要比普通進(jìn)排氣閥便宜的多。

在示例工程中，絕大多數(shù)的真空破壞閥和進(jìn)排氣閥安裝在同一座井內(nèi)，需要單獨設(shè)置真空破壞閥井的位置共有6處。

2.2真空破壞閥口徑計算

真空破壞閥口徑的計算需要首先確定管道內(nèi)外壓差、需要的進(jìn)氣量和真空破壞閥的數(shù)量，再根據(jù)不同口徑真空破壞閥的進(jìn)氣能力選擇其標(biāo)準(zhǔn)口徑。

（1）管道真空壓力的確定

根據(jù)《給水排水工程埋地管道預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（C E C S140∶2010）和本工程所采用的P C C P管結(jié)構(gòu)設(shè)計的允許真空壓力為-0.05MP a，閥井通氣孔進(jìn)氣預(yù)留0.01MP a的阻力，即井室與管道之間允許的最大壓力差0.04MP a。

（2）管道發(fā)生爆管時的最大泄流量計算

如果管道某個位置一旦發(fā)生爆管，將有大量的水迅速泄出，爆管點一側(cè)管道的最大瞬時流量取決于管道直徑、爆管的位置與該側(cè)臨近控制高點的距離和高程差等。

下面以示例工程中空氣閥井P Q 3-128為例，說明爆管時的最大泄流量及最大進(jìn)氣量計算，空氣閥井P Q 3-128的樁號為111771.70，附近爆管點的樁號為112266.14，兩點相距494.44m，高程差為40.42m。如圖1所示。

圖1 空氣閥井P Q3-128位置示意圖

最大泄流量按下式計算∶

式中∶Q—爆管最大泄流量，m3/s；

i—爆管點一側(cè)管道的泄流水力坡降，m/m；

Δ H—為爆管點與附近控制高點的高程差，取40.42m；

L—為爆管點至附近控制高點的距離，取494.44m；

n—管道糙率，取0.0115；

D—管道內(nèi)徑，取3.2m。

經(jīng)過計算可得爆管點管道泄流量為

（3）真空破壞閥進(jìn)氣量計算

根據(jù)計算的最大泄流量，忽略溫度和高程對氣壓的影響，再根據(jù)波義耳定律即可計算出真空破壞閥的總進(jìn)氣量。

2.3真空破壞閥個數(shù)確定

為提高保證率，防止在真空破壞有損壞的前提下，管道依然可以安全運行，因此每個設(shè)置真空破壞閥位置的每條管道上至少設(shè)置2臺真空破壞閥。

2.4真空破壞閥口徑計算成果

根據(jù)目前對相關(guān)廠家的了解，國內(nèi)生產(chǎn)真空破壞閥的最大口徑一般不超過D N 500，因此該工程的真空破壞閥最大直徑確定為D N 500。

以空氣閥井P Q 3-128為例計算，將一個D N 910的真空破壞閥通過等面積換算需4個D N 500口徑的真空破壞閥。

3 結(jié)語

隨著近年來我國長距離輸水工程項目的增多，對輸水管道爆管工況的設(shè)計越來越引起科研和工程設(shè)計人員的重視。如何保證在爆管工況下避免或減少次生災(zāi)害的發(fā)生，是個系統(tǒng)而復(fù)雜的設(shè)計內(nèi)容。

真空破壞閥是避免管道發(fā)生真空破壞最有效的設(shè)備之一，示例工程通過對爆管工況的分析計算，在輸水管道特定位置設(shè)置一定數(shù)量的真空破壞閥，僅從保護(hù)管道的角度，能夠有效避免管道在發(fā)生事故時發(fā)生真空破壞。為保障工程安全運行，避免工程出現(xiàn)連鎖破壞起到一定的控制作用。

［1］美國水工程協(xié)會安全飲用水專用標(biāo)準(zhǔn).供水工程應(yīng)用手冊M 51［S］.

［2］武漢水利水電學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊［M］.北京∶水利出版社，1980（12）.

［3］李瀚，劉長林.長距離多起伏輸水管道爆管分析與防護(hù)探討［J］.水利建設(shè)與管理，2015（10）.

［4］張生財.長距離有壓重力流輸水在供水工程中的設(shè)計及應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（10）.

［5］劉向榮.輸水管設(shè)計中的負(fù)壓問題探討［J］.山西建筑，2007（26）.

［6］王振業(yè).淺談長距離輸水管線在設(shè)計中應(yīng)注意的問題［J］.中華建設(shè)科技，2012（02）.

［7］張春娟.馮家山水庫引水工程爆管事故分析研究［D］.西北農(nóng)林科技大學(xué)，2007.

［8］何芳，劉遂慶.供水管網(wǎng)爆管事故分析與對策探討［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2004（05）∶20-23.

空氣井P Q 3-128內(nèi)每條管道設(shè)置了4個空氣閥，當(dāng)下游爆管需要補(bǔ)氣時，空氣閥正常工作開啟，進(jìn)氣總量為14.24m3/s，因此真空破壞閥的進(jìn)氣量為103.39-14.24＝89.15m3/s。

（4）真空破壞閥口徑計算

真空破壞閥的口徑需滿足進(jìn)氣壓差為0.04MP a進(jìn)氣速度的要求，經(jīng)計算，真空破壞閥的進(jìn)氣速度在-0.04MP a壓力下的進(jìn)氣速度為137m/s。

真空破壞閥的過流斷面的最小直徑按如下公式計算∶

T V 682＋.2

：B

：1672-2469（2016）05-0084-02

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.031

2016-01-15

高仁超（1972年—），男，高級工程師。