輸配水管道設計與氣囊形成的關系探討

梅 青，裘 娜，姚左鋼

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

目前，氣囊封堵法已經應用在安全快捷地實現管道封堵方面[1]，也有文章對氣囊阻漏進行了研究[2-3]，從相關研究成果可以看出氣囊在封堵方面的效果是顯著的，如果氣體在供水管道中積累到一定程度并且無法排除的話，嚴重的氣阻是完全可以造成供水中斷的。因管道運行過程當中排氣不暢造成的氣體聚集形成氣囊后會占據管道過水斷面、增大局部水阻、造成通水困難、增加系統運行電耗，甚至導致爆管[4]。同時，氣體的存在也影響到管道的水擊防護[5-7]。因此，在工程設計中正確判斷氣囊在管道中聚集的可能性，并相應地采取措施是必要的。

本文簡要介紹了管線中氣體的來源和危害及工程設計中為了減小氣體對輸配水管線系統的危害而設置的排氣閥的必要性，采用趙明博士的畢業論文中關于坡度下降管段的臨界俯角的結論[8]，總結了在不同流速和管徑條件下臨界管道坡度，并針對現有規范[16]中管道曲線安裝允許鋪設角度和臨界管道坡度的關系進行了對比，對輸配水有壓管道的設計和施工提出了應對氣囊形成的一些建議。

1 輸配水管線中氣體的來源[9]

管道在運行前，初次充水后未能排盡管道內空氣，也是空氣進入管道的主要方式。

管道使用過程中，對管道進行檢修后未能排盡管道內空氣或水源接水口設計不合理導致進水吸氣，是空氣進入管道的主要方式。當系統運行當中發生極端工況造成管道處于負壓狀態時，空氣也會從排氣閥或者其他縫隙漏點進入管道。而水中溶解的氣體在系統運行過程也會因為壓力和溫度的變化從水中析出。

2 輸配水管線中氣體存在的危害

以各種方式進入管道或從水中析出的氣體會上升到管道上部，細小的氣泡隨著水流運動的過程中進一步聚集形成氣囊[10]，在管道內水流速度足以帶動氣囊運動時，水流可以帶動氣囊運動到管道高點，當水流不足以帶動氣囊一起運動時，氣囊便會停留在系統的各個管段內。

管線中氣囊的存在會增加管線的水頭損失[11-12]，管道內的氣囊和水在運動過程中形成的氣體液體兩相流狀態極易引起管道的壓力波動，進而造成管道局部震動[13]。其壓力在破壞管道前引起的振動會造成接頭和法蘭等連接件的松動，導致管道滲漏量增加。當壓力足夠大，就會造成爆管[14]。

3 臨界管道坡度

3.1 原理介紹

工程設計中一般在管線沿線的高點設置空氣閥，但由于管壁處的紊流流態和流速的切線特性，有一些小氣泡會繞過高點的空氣閥向下游運動[15]。在這種情況下，氣囊的運動方向與其所受的浮力的分力方向相反，有相關研究[8]對該情況下的氣囊是否可以隨水流運動進行闡述，文獻[8]中的受力分析示意圖如圖1所示。

圖1 氣泡受力分析示意

文獻[8]中通過推導給出了臨界管線俯角的計算公式(1)，并指出當管道的俯角小于計算出的臨界俯角時，氣囊就會跨過高點沿管道向下游移動。

sinα1=200×ν2/(ρ×g×R)

(1)

式中，α1—臨界管線俯角，(°)；R—管線半徑,m;ρ—水的密度,kg/m3；g—重力加速度,m/s2。

3.2 臨界管線俯角計算分析

根據式(1)計算出不同管道直徑在不同管內流速情況下的臨界管線俯角，如圖2—3。從圖2—3中可以看出，在相同管徑條件下，隨著管道內流速的增加，臨界管線俯角就越大。也就是同種管道管徑條件下，流速越大，為了不讓氣囊沿管道向下運動所需要的管道傾角就越大。

圖2 管徑DN100～DN600在不同管內流速情況下的臨界俯角

從圖2中可以看出，DN100的管道在大于0.35m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于3°，DN200的管道在大于0.55m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于3°，DN300的管道在大于0.65m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于3°，DN400的管道在大于0.7m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于3°，DN600的管道在大于0.85m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于3°。

圖3 管徑DN800～DN2000在不同管內流速情況下的臨界管線俯角

從圖3中可以看出，DN800的管道在大于0.8m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于2°，DN1000的管道在大于0.65m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于1°，DN1200的管道在大于0.7m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于1°，DN1400的管道在大于0.75m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于1°，DN1600的管道在大于0.8m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于1°，DN1800的管道在大于0.85m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于1°，DN2000的管道在大于0.9m/s的流速范圍內臨界管線俯角都大于1°。

4 管道安裝及設計問題分析

4.1 管道曲線安裝

球墨鑄鐵管作為輸配水管線的常用管材，規范[16]中對曲線安裝的管道接口允許轉角做出了規定，應符合表1的要求。通常情況下在管道縱向需要調整高程的地點設計都采用11.25°、22.5°、30°、45°標準彎頭，而對于僅需要略微調整的小角度，施工時就會利用規范中允許的轉角來進行微調施工，如圖4所示。設計人員設計時通常會對規范中允許轉角進行修正提出設計要求，通常是規范允許轉角的一半。

表1 沿曲線安裝接口的允許轉角

圖4 轉角微調施工圖

4.2 曲線安裝形成氣囊的可能性

結合臨界管線俯角計算分析結果和實際工程設計施工當中管道曲線安裝的情況，可以分析出如果管線曲線安裝將會形成氣囊的可能性及范圍，見表2。輸配水管線工程設計通常會將管道流速控制在1m/s。在坡向向下的管段利用借轉角度緩慢過度的時候所有豎向俯角小于臨界管線俯角的管道中都會聚集氣體，通常管道長度為6m，可以計算出氣囊可能形成管道長度。

表2 曲線安裝形成氣囊的可能性

從表2中可以發現，在同等流速情況下，因為小管徑管道所要求的臨界管線俯角很大，所以如果采取小角度借轉安裝管道的話，管徑越小，可能產生氣體聚集的管段就可能越長。如果施工或設計當中采用不設置標準彎頭的話，肯有可能會導致在順水流方向的管道下坡段形成氣囊。實際管線安裝時有可能存在以下幾種情況：①氣體在坡度突變點無法繼續移動，如圖5所示；②氣體可以一直向下游繼續移動，如圖6所示；③氣體無法從高點向下游繼續移動，但在下游聚集的氣體無法排除如圖7所示。

圖5 第①種情況示意圖

圖6 第②種情況示意圖

圖7 第③種情況示意圖

5 結論及建議

(1)為了讓氣體從高點排氣閥處排除，同時限制其向坡向向下的管段移動，建議在高點排氣閥后就采用角度大于臨界管線俯角的標準彎頭。管徑越小就越有必要采取這種措施，小于等于DN100推薦值為22.5°，大于等于DN200推薦值為11.25°。如圖7所示。

(2)在氣體從高點排氣閥處完全排除，但氣體可以在管道安裝角度小于管線臨界俯角的管道中隨水體順利流向下游的情況，如果小于臨界管線坡度的管道距離較長，建議增設排氣閥。如圖6所示。

(3)為了避免在坡向向下的管道中聚集氣體且氣體無法順利排到下游排氣閥處，應避免在坡向向下管道由小于臨界坡度突變為大于臨界坡度，如果有突變段，應在突變處設置排氣閥。如圖5、7所示。

給水管道的工程管道設計中往往無視了流速和管道坡度雙重因素對氣體運動的影響而只在高點處設置排氣閥，本文的結論對給水工程管道設計人員具有指導意義。同時對施工人員也給出了施工要求，施工質量決定著管道運行的安全性。