淺析有壓輸水管道氣囊形成及防治措施

趙海洋

【摘 要】長距離有壓輸水管道在我國的運用越來越廣，而且隨著輸水管道新產品的不斷涌現和新技術的不斷開發，在我國很多山區等地形相對復雜的地方，這種長距離有壓輸水管道運用的案例也越來越多。由于管道從設計到安裝，到后期運行的過程中很難避免在管道中形成局部氣囊，管道中的氣囊對輸水管道的安全運行會產生很大的危害。因此要想盡量減少或防止由于氣囊的形成對輸水管道的危害，就要從研究有壓輸水管道中氣囊的形成原理開始，進而采取有效的防治措施。論文分析了有壓輸水管道中氣囊的形成及常見的防治措施。

【Abstract】Long distance pressure pipeline is increasingly widely used in China， and with the continuous development of new technology and new pipeline products emerging， in many of China's mountainous and complex terrain areas， the application cases of long distance pressure pipeline are more and more. As it is difficult to avoid the formation of local airbag from the design to installation to later operation of this pipeline， the airbag has a great harm on the safety operation of water pipeline. So in order to reduce or prevent the hazards form the formation of air bags to the pipeline， we need to research on the formation principle of airbag in pressure pipeline， to take effective measures to prevent and control it. The paper analyzes the formation and common prevention and control measures of the airbags in the pipeline.

【關鍵詞】氣囊形成；防治措施；有壓輸水管道

【Keywords】formation of air bags； control measures； pressurized water supply pipe

【中圖分類號】TV672+.2 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0154-02

1 引言

在國家不斷推行環保新政的條件下，寧東環保工程煤化工園區至南湖輸水管線附屬工程是寧東環保工程的重要輸水管線，其輸水能力為45000m3/d，管線總長59.1km，輸水管路管徑為DN600～DN1000，管路沿線地形高差較大，管道工作壓力為1.45MPa至2.4MPa。像這種有壓長距離輸水管道在運行中會在局部形成很多氣囊，這些氣囊的形成會對管路的正常運行帶來很大的阻礙，因此就有壓輸水管路的氣囊運動理論作如下淺析。

2 有壓輸水管道中氣體的形成

有壓輸水管道在運行中氣體的常見來源有：管道排氣不暢在局部形成空氣囊；運行中的水泵突然停止運行使管道局部產生真空引起管道從排吸氣閥吸入空氣；閥門突然關閉使管道局部產生真空引起管道從排吸氣閥吸入空氣；水泵的葉輪負壓區氣體釋放等。還有一個可能經常被我們忽視的因素，就是吸入水泵中的水體本身會溶解一部分空氣。據研究表面，水中最大體積含氣率約為2%，即每立方米水含有的溶解性氣體量約為20L，當有壓輸水管道的運行狀態由有壓運行變為低壓運行或無壓條件下時，水中含有的溶解性氣體會以微小氣泡的形式迅速析出，并隨著水流運動形成大體積的氣泡或者氣囊。比如，寧東環保工程中煤化工園區至南湖輸水管線從煤化工至高位水池為DN800～DN1000球墨鑄鐵管（距離高位水池1km處為DN1000球墨鑄鐵管），從高位水池至梅花井段輸水管路為Dn600鋼骨架塑料復合管。像這種由大管徑變為小管徑的輸水管道中，由于管徑的突然變化，引起輸送介質的流速突然增大，壓強減小，導致輸送水中的溶解性氣體析出，形成氣泡或氣囊。

3 輸水管道中氣體（氣囊）危害分析

有壓輸水管道，尤其是長距離有壓輸水管道由于大體積氣體或氣囊的存在，導致的爆管事故在這種長距離有壓輸配水工程中可謂屢見不鮮。長距離輸水管道一般壓力都較小，管道中由于各種因素引起的氣體一般存在于管道上部或者管道凸起的地方。管道中存在的大體積氣體或者氣囊隨水流動時由于管道坡度、管道阻力（管道材質不同，管道阻力也不同）及管道轉彎、變徑的地方而分散聚合，極易造成氣囊兩端壓差變化，這種壓差變化很可能會造成管道中壓力驟降或突增，引起管道壓力震蕩，對輸水管道或管件造成危害。輸水管道中水錘的產生其中很大一部分原因是管道中大體積氣囊的存在。如著名美國水錘專家V.L.Streeter在其所著《瞬變流》（Hydraulic Transients）一書中介紹了一個實例：一條由水池接出的直徑為1m、長度為61m的單一管道，水池水位為30m，距管道末端12m一端存有空氣，管首端閥門在0.95s內打開，該管段開始時絕對壓力為102kPa，在接近2.5s時壓力猛增至絕對壓力2331 kPa（約223米水柱），由此可見氣囊運動所引起管道壓力振蕩的嚴重程度。

4 輸水管道中氣體（氣囊）危害的防治措施

從理論上講，防止輸水管道中氣體（氣囊）危害一般有三種防治措施：輸水管道設計合理，輸水管道在正常運行條件下，不會產生可危害輸水管道正常運行的大體積氣體或氣囊；嚴格按照操作規程操作，保證管道排凈氣體，任何狀態下都不產生氣囊運動型斷流彌合水錘[1]。

從技術措施上講，輸水管道防治氣體或氣囊的危害措施一般有以下幾個方面：第一，設排氣井，安裝自動排氣閥。輸配水管路中設自動排氣閥是目前最常用的方法，也是最經濟合理并且有效的方法。排氣閥的設立原則是：應合理選擇排氣閥的安裝位置及間距，筆者認為輸水管路應每1～1.2公里處設一個排氣閥，排氣閥應安裝著此段輸水管路途經地形的高點；選擇合適口徑及合適結構的排氣閥；對于輸送距離不是很長（管路長度一般10km以內），且地形相對平坦的輸配水管路，建議選擇單筒式浮球排氣閥即可滿足使用要求；對于長距離（管路長度10km）以上，地形起伏相對較大的輸配水管路，建議選擇在多段水柱、氣柱相間條件下能持續排氣且帶緩閉的排氣閥。第二，在管道的重要部位安裝空氣罐及其同樣類型的穩壓吸壓裝置，利用空氣罐及其同樣類型的穩壓吸壓裝置直接吸納或消除水錘升壓波。空氣罐是一種內部充有一定量要壓縮空氣的金屬水罐裝置[2]。當發生水錘管內壓力升高時，原壓縮的空氣被再度壓縮，起到氣墊消能作用；而當管內由于突然停泵壓力陡降，甚至可能發生水柱分離時，又可利用壓縮空氣膨脹向管中注水，因而有效地消減了停泵水錘的危害。這種方法在城市輸配水工程中運用相對較少。第三，利用調壓塔吸收升壓波。目前，在長距離有壓輸配水管道中，運用的比較多的是箱式雙向調壓塔。箱式雙向調壓塔的調壓方式是在其活塞上部承受箱內水深的壓力，活塞下部承受管道壓力，活塞上部面積大，下部面積小，且其面積的比值根據箱式雙向調壓塔的水深即高度要求和管道內壓的大小決定。在正常運行時，管道內壓等于或小于其最大設計水壓，活塞上部總壓力大于或等于管道對活塞下部的總壓力，活塞靜止不動，被壓在閥座上，并保持活塞與閥座間的密封。

箱式雙向調壓塔一般裝于管道重要部位，其底部通過三通與主管道連通，頂部必須與管道穩定運行的最高水壓線同高。可通過注水防止管道斷流水錘發生，可通過泄水削減水錘壓力峰值。箱式雙向調壓塔一般安裝于閥門井內，為工程應用創造了較為方便的條件，得到廣泛應用。

【參考文獻】

【1】王亞平，薛東娥. 輸水管道中氣囊運動危害及防護[J]. 水力采煤與管道運輸，2001（01）：25-27+48.

【2】金維，姜乃昌，汪興華.停泵水錘及其防護[M].北京： 中國建筑工業出版社，1993.