大口徑蝶閥在水庫引水中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)探討

尹成志

(新疆吐魯番市高昌區(qū)煤窯溝水庫建設(shè)管理局，新疆 吐魯番 838000)

1 概況

采用蝶閥作為控制設(shè)備，是管道工程普遍采用的一種方法。蝶閥是關(guān)閉和調(diào)節(jié)流體通道的一種閥門，主要是用圓形板件作啟閉件，90度往復(fù)回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、耗材少、投資小等特點(diǎn)；在大口徑閥門中性價(jià)比較高；缺點(diǎn)是流量調(diào)節(jié)范圍不大，當(dāng)開啟達(dá)40%時(shí)，可進(jìn)流量95%以上，難以實(shí)現(xiàn)流量的精確調(diào)節(jié)；開度45%以下時(shí)，流阻和氣蝕明顯增加。由于蝶閥密封材料的限制導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不同，在高溫，高壓的管路系統(tǒng)中，不適宜用此蝶閥，通常在300℃以及40 MPa莊力下可以正常的工作。目前，在輕工、冶金、電力、油化工系統(tǒng)的煤氣管道及水道等方面，蝶閥的使用率很大。

某水庫工程總庫容980萬 m3，其中防洪庫容200萬 m3，興利庫容580萬 m3，死庫容200萬 m3，引水涵洞設(shè)計(jì)為豎井式引水涵洞，整個(gè)涵洞由進(jìn)口段、閘前洞身段、閘井段、閘后洞身段、分水站房、消力池組成，涵洞采用外包鋼筋混凝土的DN1800鋼管，設(shè)計(jì)最大水頭38.9 m，設(shè)計(jì)流量12 m3/s。引水涵洞出口控制部分采用DN1800手電兩用中心型蝶閥，其后采用DN1800波紋式補(bǔ)償器連接5 m短管，末端轉(zhuǎn)90后向下進(jìn)入深井式消力池，最后進(jìn)入渠道。

該水庫所在河流屬內(nèi)陸區(qū)艾丁湖水系的一條山溪性小河溝，水庫位于出山口附近，流域平均坡度61.7‰，河長46 km，水庫以上控制面積為481 km2，流域平均高程2 664 m，其多年平均年徑流量約0.808 1×108m3，最大年徑流量為1.212×108m3，最小年徑流量為0.450 6×108m3，年徑流量變差系數(shù)Cv在0.20～0.23之間。河流主要由冰雪融水和夏季降雨補(bǔ)給，其中，降雨補(bǔ)給占77.3%，冰雪融水補(bǔ)給占12.3%，地下水補(bǔ)給量占10.4%。6-9月徑流量占年水量的80.4%。河流流經(jīng)低山丘陵區(qū)時(shí)，河水滲漏嚴(yán)重，部分水量迅速轉(zhuǎn)化為地下水。河流實(shí)測最大流量為494 m3/s(1969年6月26日)。洪水時(shí)空分布很不均勻，主要為山區(qū)暴雨引發(fā)洪水。山洪來勢兇猛，夾雜著大量泥沙和漂浮物，傾瀉而下，水面流速可達(dá)7 m/s,洪水過程陡漲陡落、歷時(shí)較短、洪量不大、泥沙含量較大的特性。

河洪水成因：(1)山區(qū)降雨特別是高中山區(qū)大降雨形成的暴雨洪水；洪水特點(diǎn)是具有突發(fā)性，一般為獨(dú)立的峰形，無明顯的日變化，洪水過程陡漲陡落，峰高量小，歷時(shí)較短，多發(fā)生在6-7月份。(2)隨著氣溫逐漸上升冰川以及積雪融化，形成消融洪水；洪水過程具有明顯的日變化，與升溫過程關(guān)系密切，洪水歷時(shí)較長，峰不大，漲落平緩。(3)氣溫上升，加之大降雨形成暴雨，形成降水冰雪融水即混合性洪水。洪水特征具有明顯的日變化，洪水前期有數(shù)日高溫天氣，出現(xiàn)融(冰)雪洪水，后期遇降水天氣，從而形成洪水。河流洪水一般出現(xiàn)在6-8月份。各種頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量和各時(shí)段洪量值，其0.1%頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量為933 m3/s，2%頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量為466 m3/s(如圖1所示)。

圖1 水庫設(shè)計(jì)洪水過程線圖

該水庫主要向農(nóng)業(yè)供水，典型年3月下旬至11月中旬為供水期。其中3月下旬至6月下旬、10-11月中旬DN1800蝶閥供水流量為0.3～4 m3/s，對應(yīng)開度為0～20%，累計(jì)146 d；7-9月DN1800蝶閥供水流量為4～9 m3/s，對應(yīng)開度為20%～25%，累計(jì)92 d。6-8月為該水庫主汛期，每當(dāng)50 m3/s以上的洪水來臨，都會(huì)攜帶大量樹干、樹枝和樹葉等雜物，雖然進(jìn)水口設(shè)置有0.5 m*0.15 m凈空的水平攔污柵，仍然免不了洪水中雜物進(jìn)入引水涵洞(如圖2所示)。

圖2 DN1800蝶閥特征曲線圖

2 出現(xiàn)的問題

在引水涵洞供水期間，DN1800蝶閥主要供水流量在0～4 m3/s，開度0～20%，正常使用半年中，DN1800蝶閥和配套波紋式補(bǔ)償器均存在較嚴(yán)重的振動(dòng)現(xiàn)象。后期DN1800蝶閥出現(xiàn)故障，無法正常操作；補(bǔ)償器底部外層連接焊縫出現(xiàn)長32 cm開裂漏水，經(jīng)測量后估算，最大漏水量約11 L/s，分水站房內(nèi)形成1.2 m深的積水，采用水泵抽出，避免了分水站房機(jī)電設(shè)備遭受積水浸泡的嚴(yán)重后果，但蝶閥和配套波紋式補(bǔ)償器故障也嚴(yán)重影響了水庫供水工作。經(jīng)聯(lián)系供貨人，將扇形齒輪、渦輪桿、電機(jī)等設(shè)備拆卸帶回廠進(jìn)行維修檢查后，認(rèn)為使用頻率較高，閉門力過大造成渦輪桿齒輪變形，并且與扇形齒輪間隙較大，極易在全閉時(shí)造成跳齒現(xiàn)象(如圖3所示)。

圖3 DN1800蝶閥現(xiàn)場

3 原因分析

(1)管道末端蝶閥全開時(shí)，復(fù)核計(jì)算過閥流速約10 m/s，遠(yuǎn)超蝶閥安全限制流速5 m/s，也超出電驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力矩，致使蝶閥失控；現(xiàn)有DN1800 波紋管伸縮節(jié)，由于復(fù)合金屬層破壞，補(bǔ)焊后金屬疲勞強(qiáng)度難以保證，復(fù)合層修復(fù)技術(shù)復(fù)雜，周期長綜合費(fèi)效比高，且由于功能構(gòu)造所限，流道不暢，高速水流易在波紋皺壁處形成局部氣蝕。

(2)洪水入庫造成水位迅速上漲，此時(shí)水庫也開始加大供水，豎井進(jìn)水口會(huì)形成漩渦，洪水中攜帶的大量樹干樹枝等雜物，尤其是其中有的較長的樹干，在漩渦旋轉(zhuǎn)力作用下，原本水平的樹干逐漸發(fā)生豎向傾斜并隨著漩渦方向運(yùn)動(dòng)，最終進(jìn)入引水涵洞。加之DN1800蝶閥開度較小，導(dǎo)致樹干樹枝等雜物卡在DN1800蝶閥閥板和閥體之間的間隙中，造成閥門調(diào)節(jié)開度時(shí)受阻嚴(yán)重不能關(guān)閉，改為手動(dòng)操作閥門后，導(dǎo)致閥件損壞、操作失效。工程示例中，該水庫曾清理出卡阻在DN1800蝶閥閥板和閥體之間、長3 m的樹干，以及長1.2 m的短木和其他雜物。

(3)根據(jù)相關(guān)分析研究，在全開至半開(開度為100%～45%)狀態(tài)下，大口徑蝶閥過流性能較好。尤其是開度為66%以上時(shí)，流體流動(dòng)隨開度增大穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，閥板受力越均勻，流動(dòng)擾動(dòng)隨之減少。在閥門為半開(開度為45%)以及水流速度1 m/s條件下，閥板前、后分別形成了典型的高壓區(qū)、低壓區(qū)，閥板前后這種較大的壓力差會(huì)造成閥板整體受力不均勻；閥板和閥體之間的過流區(qū)水流，隨著流速逐漸變大，速度梯度也相應(yīng)的變大，管壁受力也變大，在閥板下游面低壓區(qū)，加劇了流體從上方向下分流，部分流體從下方向上分流，極易形成旋渦現(xiàn)象；在水流速度3 m/s狀態(tài)下，較水流速度1 m/s狀態(tài)下的受力區(qū)域大差別較大，但壓力分布基本一致，蝶閥半開(開度45%)時(shí)，閥板受到的壓力場相對穩(wěn)定；高速場與低速場形態(tài)一致條件下，蝶閥閥板下游面的渦流區(qū)向外擴(kuò)張明顯，閥板周圍的流程出現(xiàn)紊亂，閥板下游面的渦流區(qū)也變得更多、更清晰。閥板開度(開度為10%)時(shí)，流速分別在1 m/s和3 m/s狀態(tài)下，閥門開度較小，閥板上、下游面形成明顯的高壓區(qū)和低壓區(qū)，閥板受力較大，承受了較大沖擊；流速在1 m/s和3 m/s下，閥門開度越小，閥板下游面越容易形成渦流區(qū)，流速越大時(shí)，渦流區(qū)也相應(yīng)變大，閥板下游面就越容易形成渦流區(qū)，對閥門的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。因此，蝶閥開度小于45%狀態(tài)下，隨著流速的增大，閥板下游面更容易形成漩渦區(qū)，水流在通過狹窄截面時(shí)產(chǎn)生的作用力也就越大，對閥壁沖擊更大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成閥門不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)甚至損壞的情況。閥板開度小于33%時(shí)，流阻增大，能量損失也越大，不適宜蝶閥工作。

該水庫DN1800蝶閥選型較大，根據(jù)其流量特征曲線，最大過流達(dá)到32 m3/s，設(shè)計(jì)流量12 m3/s僅運(yùn)行在開度45%以下，并且長期在開度30%以下工作，因此造成了嚴(yán)重的振動(dòng)現(xiàn)象直至不能運(yùn)行，同時(shí)也導(dǎo)致了下游伸縮節(jié)損壞漏水，對水庫供水產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

4 問題處理

現(xiàn)有蝶閥及伸縮節(jié)損壞的情況，均符合高速水流破壞的特征。因此，對現(xiàn)有蝶閥、伸縮節(jié)進(jìn)行修復(fù)節(jié)進(jìn)行修復(fù)，或更換同類或更換同類閥組均不能解決高速水流引起的各類問題。為滿足經(jīng)常性調(diào)流需要，對市場活塞閥、錐形閥、套筒式多噴孔和淹沒式多噴孔等進(jìn)行了對比(詳見表1)。

表1 設(shè)備對比

根據(jù)以上設(shè)備的對比，活塞閥和固定錐形閥運(yùn)用工況滿足該水庫要求，其中固定錐形閥要求拆除的建筑物較多，綜合投資較大，工期較長，因此選擇結(jié)構(gòu)尺寸較小的活塞閥。按本工程供水需求計(jì)算，初擬活塞式流量調(diào)節(jié)閥公稱通徑DN1400 mm，最大過閥流速約7.5 m/s，低于活塞閥安全控制流速9 m/s，閥前鋼管流速降低至約4.5 m/s，有利于鋼管長期可靠運(yùn)行；依據(jù)水庫調(diào)度運(yùn)行情況，水位變化情況，綜合考慮工業(yè)及灌溉引水涵洞流程，體型等因素造成的沿程阻力，疊加閥門關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的水擊壓力，初擬活塞式流量調(diào)節(jié)閥公稱壓力等級為DN0.6 MPa，閥體耐壓強(qiáng)度不低于0.9 MPa，密封壓力不低于0.72 MPa。

本工程鋼制管道較短，閥室基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)，沉降可能性不大，伸縮節(jié)僅用于補(bǔ)償閥門安裝時(shí)的尺寸誤差，無角變位補(bǔ)償功能需要。為平順?biāo)?，將閥后鋼管段與閥組連成剛性整體，我院推薦伸縮節(jié)型式由波紋管更換為傳力型套筒伸縮節(jié)。公稱通徑及公稱壓力等級均與活塞式流量調(diào)節(jié)閥匹配。該水庫將DN1800蝶閥更換為DN1400活塞閥，將伸縮節(jié)安裝在閥前，并在閥后60 cm處設(shè)置兩根DN300的補(bǔ)氣鋼管。在閥前DN1800管道上方增設(shè)DN600的人孔，配合檢修閘門操作，進(jìn)行閥前雜物清理。工程實(shí)例中，該水庫至少每年打開人孔對其中雜物進(jìn)行清理一次?，F(xiàn)有DN1800 鋼管通過變徑管與新購置的DN1400 活塞式流量調(diào)節(jié)閥連接。變徑管為雙法蘭結(jié)構(gòu)，工廠制造，減少現(xiàn)場施工難度，保證法蘭焊接質(zhì)量?；钊搅髁空{(diào)節(jié)閥招標(biāo)后，待我院復(fù)核該閥外形尺寸后，如滿足現(xiàn)有閥室安裝尺寸，則保留現(xiàn)有蝶閥上游側(cè)法蘭，變徑管直接與現(xiàn)有法蘭連接，進(jìn)一步減少技改切割與焊接工程量。閥室出口DN1800 鋼管維持現(xiàn)狀，其內(nèi)部套裝DN1400 短鋼管，與活塞式流量調(diào)節(jié)閥連接，將水流導(dǎo)出至引水渠。增設(shè)活塞式流量調(diào)節(jié)閥后補(bǔ)氣管，以減輕閥后紊流對鋼管的氣蝕和磨蝕，延長鋼管使用壽命。閥室內(nèi)現(xiàn)有各支墩維持現(xiàn)狀，并依據(jù)新購置活塞式流量調(diào)節(jié)閥支撐位置增加相應(yīng)高度，鋪設(shè)鋼板，與活塞式流量調(diào)節(jié)閥采用滑動(dòng)連接，支墩僅承受閥體自重，不對閥門做軸向限位。活塞式流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉擋水時(shí)，產(chǎn)生的水推力經(jīng)由上游側(cè)鋼管傳至鎮(zhèn)墩承擔(dān)。

5 結(jié)語

通過以上技術(shù)改造后，活塞閥運(yùn)行平穩(wěn)，再未出現(xiàn)閥件和伸縮節(jié)問題，保證了該水庫大壩的安全和運(yùn)行穩(wěn)定，保證了水庫供水安全，正常發(fā)揮供水效率。