上海申弘閥門有限公司
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1.城市輸水管線排氣閥改造方案工程概況本工程案例為某廠的輸水管線的改造。該廠的用水取自湘江，從江邊取水泵房到凈化站新鋪設(shè)一條DN500的供水管道，從凈化站到二次加壓泵房，二次加壓泵房到生產(chǎn)區(qū)新鋪設(shè)兩條DN500的供水管道，總長(zhǎng)度約為3km。本次改造地形起伏多，輸水管線要穿越整個(gè)生活區(qū)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷發(fā)展，對(duì)供水系統(tǒng)的安全性要求越來越高，難度比較大。管網(wǎng)設(shè)計(jì)與改造是市政供水工程與排水工程的重要組成部分,直接關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量。以某縣城供水工程為例,介紹該供水工程輸水管線的設(shè)計(jì),以及配水管網(wǎng)的改造。輸水管線布置包括排氣閥、泄水管、泄水閥和檢修閥等的布置,配水管布置包括閥門和消火栓布置;輸水管線設(shè)計(jì)工程的工程量較配水管網(wǎng)改造工程的工程量更大。該供水工程的管網(wǎng)設(shè)計(jì)與改造結(jié)果可供同類工程參考。
2.故障分析改造項(xiàng)目情況比較復(fù)雜，為做好施工圖設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)人員先后二次到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，一是查看現(xiàn)場(chǎng)情況確定輸水管線的走向;二是聽取廠里動(dòng)力處的同志匯報(bào)舊輸水管線在使用過程中出現(xiàn)的問題和對(duì)本次改造的意見，其中有一點(diǎn)引起了我的高度重視，近幾年管道爆管現(xiàn)象頻繁發(fā)生，平均一個(gè)多月爆一次管，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)。我到的前一天就有一處管道爆管，全廠停水搶修，我要求到現(xiàn)場(chǎng)看了一下，管材為鑄鐵管，管徑為DN300，爆管現(xiàn)象為承口處裂縫長(zhǎng)1m，發(fā)生在二次加壓泵房加壓泵由小泵運(yùn)行換大泵時(shí)。動(dòng)力處的同志說一周前還爆過一次管，上次爆管和這次情況相似，發(fā)生在全廠停車檢修完畢開泵送水時(shí)。輸水管線上的排氣閥，年久失修，沒有及時(shí)更換已失去排氣功能，通過對(duì)爆管時(shí)間和現(xiàn)象的分析，我認(rèn)為是管道排氣不暢，管道內(nèi)有大量氣囊存在，引發(fā)啟泵水錘是爆管的主要原因。
二次加壓泵房的水泵沒有變頻設(shè)備，直接啟動(dòng)開啟速度太快，在大泵換小泵或剛啟泵時(shí)，幾秒鐘內(nèi)水泵就能達(dá)到額定壓力和流量,管道內(nèi)的壓力和流速急劇增大，氣體受壓縮后，體積變小，內(nèi)壓升高，水泵口的壓力降低，流量增大，氣體的內(nèi)壓升到一定程度后反膨脹，動(dòng)量和沖量交替轉(zhuǎn)換，管道中引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象，并以壓力波的形式在管道中傳遞，引起啟泵水錘，終導(dǎo)致爆管。水泵啟動(dòng)時(shí)，管道內(nèi)的流速遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)流速，產(chǎn)生啟泵水錘的壓力可高達(dá)2MPa左右，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)壓力，這種連續(xù)波動(dòng)的動(dòng)壓破壞力是靜壓的數(shù)倍，舊管道使用年限較長(zhǎng)，強(qiáng)度降低，極易發(fā)生爆管。為了避免啟泵水錘引發(fā)的爆管現(xiàn)象再次發(fā)生，本次設(shè)計(jì)管道的排氣問題至關(guān)重要。
3.城市輸水管線排氣閥改造方案管道內(nèi)氣體的來源、運(yùn)行特點(diǎn)及其危害管道中存有氣體的情況很多，氣體來源主要有兩個(gè)方面：
1>管網(wǎng)起伏大，停泵或停水管道局部產(chǎn)生真空致使管道從排氣閥或高的用水點(diǎn)吸氣;
2>吸入水泵的天然水體，其溶解空氣的zui大體積含氣率約為2%(即水中含溶解性氣體約為20L/m3)，研究表明當(dāng)壓力降低到某一值時(shí)水中溶解性氣體會(huì)以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流運(yùn)行而聚積成大氣泡或大氣囊。在較長(zhǎng)距離的輸管道中，由于設(shè)計(jì)流速一般不大，管道中的氣體多以氣囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，氣囊多存在于管道的凸起點(diǎn);而在坡度小、較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨(dú)立的大氣囊形式分散存在。根據(jù)美國(guó)水錘專家馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管路在充水和運(yùn)行過程中呈現(xiàn)六種氣液兩相流狀態(tài)。輸水管道充水排氣過程是相當(dāng)復(fù)雜的，一般來說剛開始充水時(shí)管道流態(tài)多為層狀流、波狀流、段塞流或環(huán)狀流，排氣較為容易;后期則多呈段塞流、氣團(tuán)流或泡沫流狀態(tài)，普通排氣裝置就很難排氣了。管道中存在的氣囊的大小、數(shù)量則取決于管道的復(fù)雜程度、管徑大小、充水的速度和方法、排氣措施等。
管網(wǎng)設(shè)計(jì)與改造是市政供水工程與排水工程的重要組成部分,直接關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量。以某縣城供水工程為例,介紹該供水工程輸水管線的設(shè)計(jì),以及配水管網(wǎng)的改造。輸水管線布置包括排氣閥、泄水管、泄水閥和檢修閥等的布置,配水管布置包括閥門和消火栓布置;輸水管線設(shè)計(jì)工程的工程量較配水管網(wǎng)改造工程的工程量更大。該供水工程的管網(wǎng)設(shè)計(jì)與改造結(jié)果可供同類工程參考。大量的工程實(shí)踐表明，管道中存氣囊隨水流動(dòng)時(shí)，對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線帶來了很大危害，主要有以下兩個(gè)方面：
1>排氣不暢造成輸水管通水困難，水阻增大,流量達(dá)不到設(shè)計(jì)值。
坡度不是很大的輸水管在初次通水或檢修后再次通水,管道中水氣相間是必然的,如果排氣不暢，就造成了嚴(yán)重“氣堵”,氣排不出，水流不暢，充水極其困難，尤其是重力流，坡度較小,管徑較大時(shí),更為嚴(yán)重。管道內(nèi)有氣囊存在，氣阻增大，嚴(yán)重時(shí)形成“氣堵”，過水?dāng)嗝鏈p小，流量達(dá)不到設(shè)計(jì)值。管內(nèi)空氣的來源：通水前或因事故停水排空后;進(jìn)（吸）水管吸入空氣;吸水管密封不嚴(yán)吸入空氣;局部的負(fù)壓吸氣;溶解氣體析出等。來自進(jìn)（吸）水口的空氣,起初都是細(xì)小的氣泡,在流動(dòng)過程中,逐步積聚成大的氣囊,
2>排氣不暢造成通水及運(yùn)行期間爆管,供水系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。管道中存在的氣囊隨水流動(dòng)時(shí)由于管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，管道內(nèi)流速的變化，極易造成氣囊兩端壓差改變，這種微小壓差變化對(duì)于不可壓縮的水來說不會(huì)有什么影響，但對(duì)于空氣來說影響是極大的，它能引起水流速度的變化和管道中壓力的急劇升降，造成水錘引發(fā)爆管。
4.排氣閥的類型排氣閥是輸水管道上的特殊產(chǎn)品,其性能差極大。目前國(guó)內(nèi)常見的排氣閥按結(jié)構(gòu)形式可分為2類，浮球式排氣閥(包括組合式、復(fù)合式、動(dòng)力復(fù)合式)和氣缸式排氣閥。排氣閥是供水管道系統(tǒng)中*的輔助元件，是把管道中氣體及時(shí)排出系統(tǒng)之外的一種裝置。它起著提高管道使用效率，增加管道過水?dāng)嗝妫档湍芎暮捅Ｗo(hù)管道安全的重要作用。在城鎮(zhèn)供水管道系統(tǒng)中必須設(shè)置排氣閥。
4.1浮球式排氣閥浮球式排氣閥在其閥體內(nèi)護(hù)筒上有一浮球，在閥體內(nèi)無水時(shí)，浮球落入護(hù)筒，排氣口打開排氣，有水時(shí)，浮球浮起堵住排氣口，封住水流。該類型的排氣閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有以下技術(shù)缺陷：
1>水氣相間時(shí)大排氣口僅能排出*段氣體,不能連續(xù)排氣。輸水管道坡度不大時(shí)，管道中大多是一段水一段氣的段塞流狀態(tài)，浮球式排氣閥的浮力僅幾公斤重，而排完*段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體即有壓力,假定壓力為0.2PMa，氣體對(duì)浮球的托力等于排氣口面積乘管道內(nèi)壓力,計(jì)算可得DN100排氣閥托球力約150kg，DN300排氣閥托球力約1400kg，故大排氣口不可能再自動(dòng)開啟排氣，在段塞流狀態(tài)中失去排氣功能。
2>小排氣口徑一般為3～5mm，僅能微量排氣如果大排氣口性能不好,僅靠微孔排氣，對(duì)于大管徑輸水管是極危險(xiǎn)的。
3>運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期不動(dòng)作,浮球易因貼粘而失效。
4.2氣缸式排氣閥氣缸式排氣閥是利用浮筒杠桿等控制氣缸內(nèi)氣動(dòng)膜片動(dòng)作，從而使閥體上大、小排氣口啟閉，是全壓高速排氣閥，該閥在任何壓力和水流狀態(tài)下，只要管路中的氣體進(jìn)入排氣閥，排氣閥就開啟大、小排氣口排氣。當(dāng)水進(jìn)入排氣閥內(nèi)，大、小排氣口即關(guān)閉,不漏水。或者說該閥能做到見氣即高速排出，見水即關(guān)閉，可連續(xù)多次的大量排氣。這類排氣閥結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)是：大、小排氣口或僅大排氣口的有效排氣口徑不小于排氣閥公稱直徑的70%～80%，排氣口徑大，排氣速度快，且在任何情況下均可高速排氣。一般設(shè)計(jì)者在選擇排氣閥時(shí)是以排氣閥的公稱直徑計(jì)算排氣量的。氣缸式排氣閥則完滿足設(shè)計(jì)要求,真正起到防止管道出現(xiàn)水錘和爆管的作用。
5.排氣閥的選擇及安裝本工程輸水管線有壓力流、有重力流、有坡度大的、有坡度小的，管道內(nèi)氣體的運(yùn)行狀態(tài)比較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)選用一種排氣閥在任何狀態(tài)都能有效地排出管道內(nèi)的氣體。經(jīng)比較選用了氣缸式排氣閥。凈化站建在一山頭上，從江邊取水泵房到凈化站，管道長(zhǎng)800m，壓力流，坡度大，在中間隆起點(diǎn)處安裝了排氣閥，為了能夠均勻分配進(jìn)各處理構(gòu)筑物的水量，在進(jìn)凈化站前安裝了超聲波時(shí)差式流量計(jì)，如果管道中有大量氣囊,容易造成流量計(jì)測(cè)量超差或無法測(cè)量，所以在超聲波時(shí)差式流量計(jì)前大于10倍管徑處安裝了排氣閥，確保計(jì)量準(zhǔn)確無誤。從凈化站到二次加壓泵房，管道長(zhǎng)1600m，重力流，下山段坡度大，其它管道坡度較平坦，下山管道內(nèi)的氣體能夠直接排入山上的清水池，山下坡度平坦的管道共在三處安裝了排氣閥，為了保護(hù)二次加壓泵房?jī)?nèi)的水泵，在進(jìn)二次加壓泵房處的管道上安裝了排氣閥。
從二次加壓泵房到生產(chǎn)區(qū)，管道長(zhǎng)600m，壓力流，坡度較平坦，在中間隆起點(diǎn)處安裝了排氣閥。輸水管線上共在6處安裝了排氣閥，能夠有效地排出管道內(nèi)的氣體，確保了輸水管線不會(huì)管道內(nèi)有氣體而出現(xiàn)問題。 排氣閥是長(zhǎng)距離輸水管道安全的重要防護(hù)設(shè)備.通過對(duì)比分析傳統(tǒng)浮球式排氣閥和氣缸式恒速緩沖排氣閥的,指出傳統(tǒng)浮球式排氣閥普遍存在的技術(shù)缺陷,認(rèn)為氣缸式恒速緩沖排氣閥的結(jié)構(gòu)更合理.工程實(shí)證研究結(jié)果表明,氣缸式恒速緩沖排氣閥對(duì)于管道水錘防護(hù)具有重要意義.
6.結(jié)語(yǔ)由于輸水管道排氣順暢與否是其保證安全運(yùn)行的zui重要指標(biāo)，工程實(shí)踐證明，不裝或者所裝排氣閥性能不符合要求，都可能造成爆管,停水停產(chǎn)，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。因此使用排氣性能良好的排氣閥并合理安裝是管路安全運(yùn)行的關(guān)鍵。排氣閥要有良好的性能，尤其是當(dāng)管道內(nèi)氣體呈段塞流、氣團(tuán)流時(shí)，不僅能快速地排出*個(gè)氣囊，而且能夠持續(xù)排出任何一個(gè)氣囊。即在一定壓力條件下，排氣閥必須做到閥體內(nèi)充滿空氣就開啟大小排氣口排氣，水進(jìn)入閥體，閥門就關(guān)閉而不排水。滿足上述要求的排氣閥，其大排氣口直徑不得小于公稱直徑的70%～80%，小排氣口直徑不限。投標(biāo)廠商必須出示排氣閥通過自行或檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)合格的合格證。排氣閥口徑一般為主管道直徑的1/8～1/5。如果選用不帶緩閉的排氣閥時(shí)，好在一處安裝一大一小兩個(gè)排氣閥。如果選用帶有緩閉的排氣閥，僅在管頂處安裝一個(gè)即可。如果管道平坦，坡度≤D/1000時(shí),應(yīng)每隔0.5～1.0km安裝一個(gè)排氣閥。如果坡度≤D/100時(shí),應(yīng)每隔1.0～1.5km安裝一個(gè)排氣閥。坡度再大時(shí),可考慮每隔1.5～3.0km安裝一個(gè)排氣閥。坡度≥D/10時(shí),可考慮僅在高點(diǎn)處安裝排氣閥(D為管道直徑)。多起伏的管路,應(yīng)在各高點(diǎn)處安裝排氣閥。按有關(guān)的規(guī)范和技術(shù)要求，科學(xué)地選擇排氣閥，對(duì)所選購(gòu)的排氣閥進(jìn)行性能測(cè)定試驗(yàn)，以鑒定排氣閥的性能，合格后方可選用。
