氣缸式排氣閥在某廠輸水管線中的應用

張彥平
（核工業(yè)第四研究設計院 ，石家莊 050021）

【摘 要】管道排氣不暢，氣水相間運行，是造成許多輸水管線爆管的主要原因。輸水管線經(jīng)常爆管，嚴重影響了供水系統(tǒng)的安全運行，造成了很大的經(jīng)濟損失，解決管路排氣問題的有效方法之一是選擇和安裝性能良好的排氣閥。本文結合工程實例，分析了某廠輸水管線經(jīng)常爆管的原因，以及有壓管道內(nèi)氣體的來源、運行特點，對目前國內(nèi)市場上常見排氣閥的結構形式及技術性能作了相應的比較，選擇了氣缸式排氣閥作為本工程的排氣閥。

【關鍵詞】輸水管線、氣囊、啟泵水錘、爆管、浮球式排氣閥、氣缸式排氣閥

1．工程概況

　　本工程位于湖南省衡陽市附近，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)新鋪設兩條DN500的供水管道，總長度約為3km。本次改造地形起伏多，輸水管線要穿越整個生活區(qū)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷發(fā)展，對供水系統(tǒng)的安全性要求越來越高，難度比較大。

2．故障分析

　　改造項目情況比較復雜，為做好施工圖設計我設計人員先后二次到現(xiàn)場進行踏勘，一是查看現(xiàn)場情況確定輸水管線的走向；二是聽取廠里動力處的同志匯報舊輸水管線在使用過程中出現(xiàn)的問題和對本次改造的意見，其中有一點引起了我的高度重視，近幾年管道爆管現(xiàn)象頻繁發(fā)生，平均一個多月爆一次管，嚴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1m，發(fā)生在二次加壓泵房加壓泵由小泵運行換大泵時。動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。
　　輸水管線上的排氣閥，年久失修，沒有及時更換已失去排氣功能，通過對爆管時間和現(xiàn)象的分析，我認為是管道排氣不暢，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備，直接啟動開啟速度太快，在大泵換小泵或剛啟泵時，幾秒鐘內(nèi)水泵就能達到額定壓力和流量,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，動量和沖量交替轉換，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，最終導致爆管。水泵啟動時，管道內(nèi)的流速遠高于設計流速，產(chǎn)生啟泵水錘的壓力可高達2MPa左右，遠高于試驗壓力，這種連續(xù)波動的動壓破壞力是靜壓的數(shù)倍，舊管道使用年限較長，強度降低，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，本次設計管道的排氣問題至關重要。

3．管道內(nèi)氣體的來源、運行特點及其危害

　　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吸氣；2>吸入水泵的天然水體，其溶解空氣的最大體積含氣率約為2%(即水中含溶解性氣體約為20L/m³)，研究表明當壓力降低到某一值時水中溶解性氣體會以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流運行而聚積成大氣泡或大氣囊。
　　在較長距離的輸管道中，由于設計流速一般不大，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；而在坡度小、較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨立的大氣囊形式分散存在。根據(jù)美國著名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行過程中呈現(xiàn)六種氣液兩相流狀態(tài)(圖1)。

圖1各種氣液兩相流狀態(tài)

　　輸水管道充水排氣過程是相當復雜的，一般來說剛開始充水時管道流態(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雜程度、管徑大小、充水的速度和方法、排氣措施等。
大量的工程實踐表明，管道中存氣囊隨水流動時，對長距離輸水管線帶來了很大危害，主要有以下兩個方面： 1>排氣不暢造成輸水管通水困難，水阻增大,流量達不到設計值。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,更為嚴重。管道內(nèi)有氣囊存在，氣阻增大，嚴重時形成“氣堵”，過水斷面減小，流量達不到設計值。2>排氣不暢造成通水及運行期間爆管,供水系統(tǒng)無法正常運行。管道中存在的氣囊隨水流動時由于管坡、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于不可壓縮的水來說不會有什么影響，但對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。目前國內(nèi)常見的排氣閥按結構形式可分為2類，浮球式排氣閥（包括組合式、復合式、動力復合式）和氣缸式排氣閥。
4．1浮球式排氣閥
　　浮球式排氣閥在其閥體內(nèi)護筒上有一浮球，在閥體內(nèi)無水時，浮球落入護筒，排氣口打開排氣，有水時，浮球浮起堵住排氣口，封住水流。該類型的排氣閥結構簡單，但有以下技術缺陷：
　　 1>水氣相間時大排氣口僅能排出第一段氣體,不能連續(xù)排氣。輸水管道坡度不大時，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，而排完第一段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體即有壓力,假定壓力為0.2PMa，氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘管道內(nèi)壓力,計算可得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，對于大管徑輸水管是極危險的。
　　 3>運行時長期不動作,浮球易因貼粘而失效。
4．2氣缸式排氣閥
　　 氣缸式排氣閥（圖2）是利用浮筒杠桿等控制氣缸內(nèi)氣動膜片動作，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入排氣閥，排氣閥就開啟大、小排氣口排氣。當水進入排氣閥內(nèi)，大、小排氣口即關閉,不漏水。或者說該閥能做到見氣即高速排出，見水即關閉，可連續(xù)多次的大量排氣。
　　 這類排氣閥結構上的主要特點是：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。一般設計者在選擇排氣閥時是以排氣閥的公稱直徑計算排氣量的。氣缸式排氣閥則完全能滿足設計要求,真正起到防止管道出現(xiàn)水錘和爆管的作用。

圖2 氣缸式排氣閥

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)氣體的運行狀態(tài)比較復雜，應當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800m，壓力流，坡度大，在中間隆起點處安裝了排氣閥，為了能夠均勻分配進各處理構筑物的水量，在進凈化站前安裝了超聲波時差式流量計，如果管道中有大量氣囊,容易造成流量計測量超差或無法測量，所以在超聲波時差式流量計前大于10倍管徑處安裝了排氣閥，確保計量準確無誤。從凈化站到二次加壓泵房，管道長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，為了保護二次加壓泵房內(nèi)的水泵，在進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600m，壓力流，坡度較平坦，在中間隆起點處安裝了排氣閥。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管道內(nèi)有氣體而出現(xiàn)問題。

6．結語

　　由于輸水管道排氣順暢與否是其保證安全運行的最重要指標，工程實踐證明，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行的關鍵。
　　 排氣閥要有良好的性能，尤其是當管道內(nèi)氣體呈段塞流、氣團流時，不僅能快速地排出第一個氣囊，而且能夠持續(xù)排出任何一個氣囊。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，水進入閥體，閥門就關閉而不排水。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。投標廠商必須出示排氣閥通過自行或檢測機構檢驗合格的合格證。
　　 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，最好在一處安裝一大一小兩個排氣閥。如果選用帶有緩閉的排氣閥，僅在管頂處安裝一個即可。如果管道平坦，坡度≤D/1000時,應每隔0.5～1.0km安裝一個排氣閥。如果坡度≤D/100時,應每隔1.0～1.5km安裝一個排氣閥。坡度再大時,可考慮每隔1.5～3.0km安裝一個排氣閥。坡度≥D/10時,可考慮僅在高點處安裝排氣閥(D為管道直徑)。多起伏的管路,應在各高點處安裝排氣閥。按有關的規(guī)范和技術要求，科學地選擇排氣閥，對所選購的排氣閥進行性能測定試驗，以鑒定排氣閥的性能，合格后方可選用。

參考文獻

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