對空氣閥用于長距離輸水工程的探索

□杜建軍（新疆哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司）

?

對空氣閥用于長距離輸水工程的探索

□杜建軍（新疆哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司）

摘要：在長距離輸水工程中空氣閥是其關鍵設備，主要負責排氣與負壓控制，因此對長距離輸水工程的空氣閥應用進行研究具有重要意義。基于此，文章首先對長距離輸水工程中氣囊危害進行分析，對空氣閥設置的作用、技術要求、類型、性能參數進行研究，對長距離輸水工程中空氣閥設置原則進行總結，對安裝位置進行校核，在完成孔徑計算的基礎上，結合應用實例進行計算分析，以期對空氣閥的應用起到一定的促進作用。

關鍵詞：空氣閥；長距離；輸水工程；管線；危害

1氣囊危害分析

1.1具體原因

在輸水管線工程中必須要針對空氣來源采取對應的方法，以期盡量減小輸水管線中空氣所占的比例。一般來說，輸水管線中氣體來源有以下幾種可能性：

一是在進行充水之前管內即有空氣存在，充水過程中沒有做到完全排盡空氣；二是動力機械在具體工作過程中有氣體進入，比如說潛水深井泵通過吸水提升段在啟泵流程中并未完全排出氣體，導致在水泵吸水過程中出現渦流的情況，使得吸入部分空氣，此外在水泵密封填料過程中也有很大可能空氣進入。

1.2危害

第一，氣囊出現會加大輸水管線的水頭損失，使得管道通水面積下降，管道輸水能力降低。實際上，水中溶解的空氣在管道中會使得壓力降低或者是在溫度不斷升高過程中逐漸從水中釋放，然后形成氣泡與原本空管內的空氣相互混合，水流組成氣液兩相流動介質。如此一來，輸送一樣流量的水的流速變大，換言之是摩阻水頭損失不斷變大。第二，輸水管線中出現氣囊而引發管道漏水、振動失穩等情況，甚至會產生爆管等安全事故。如果管道內排氣不大順暢，氣囊在長距離輸水管道中非常容易導致局部水流速度及管道壓力在短暫時間內產生急劇的變化，因此引發管道局部振動失穩的情況，具體反映為管道振動與管道噪音，在一段時間內持續振動，而導致接頭松動，使得管網的漏水量大增。假如水錘的壓力符合爆管條件，會發生嚴重的安全事故。

2空氣閥設置

2.1作用與技術要求分析

根據專家理論，對于相對平坦的輸水管路而言，在其充水與運行時均有可能表現為6種不同的氣、液兩相流狀態，各種流態參考圖一。其中，氣、液兩相流的6種流態具體是由兩相速度、物理特性及水流充滿度等因素而受到一定程度的影響，具體會隨著影響因素而不斷調整，6種流態之間會隨時發生轉換。所以，管道在充水時也并不是那么簡單，水流不斷充滿管道內而迫使氣體自然排出，真正情況是在充水與運行過程中會出現各種流態過程。其中，氣團流與段塞流是管道存氣的具體形式之一，也就是說氣體是以不連續的獨立氣囊的形式浮于管道頂部，并且會隨著水流而產生運動，容易在管道的凸點、變徑處發生聚集，因而出現壓力震蕩的情況。所以說，要求必須在管線上設置空氣閥，可以將管道內氣體處于氣團流狀態時將其迅速排出。

2.2類型與性能參數

2.2.1空氣閥的類型

現階段，我國市場上比較常見的空氣閥有三類，根據功能分類，包括微量空氣閥、高速進排氣閥、復合空氣閥。如果根據結構形式分類，則包括浮球空氣閥、浮球杠桿式空氣閥以及動力復合式空氣閥等。

2.2.2空氣閥性能參數

圖1　6種氣液兩相流狀態示意圖

對空氣閥性能參數指標進行衡量比較困難，必須參考具體工程實際情況，考慮具體的使用條件及關注點。整體而言，空氣閥性能參數包括排氣能力、進氣能力、開閥力、承壓力等，可以作為工程中產品選擇的標準之一。

2.3長距離輸水工程中空氣閥設置原則分析

實際工程應用過程中必須按照工程的實際特點及其運行需求對空氣閥類型選擇及安裝位置進行確定，其設置原則包括以下幾個方面：第一，安裝于輸水管線中縱斷面比較隆起的地方，該處也稱之為管線駝峰處，一般來說大多安裝復合式空氣閥。第二，安裝于管線水力坡度出現變化的地方。比如下降坡度變大點必須要安裝復合式空氣閥，在上升坡度不斷變小的轉折點要安裝高速進排氣閥。

2.4安裝位置校核

實際工程設計過程中必須要參考以上幾種原則，對空氣閥設置完畢，還應當結合工程的具體情況，采用定量分析與計算的方法，對管線中空氣閥設置位置及其數量進行復核。比如，在工程實際運行過程中，大部分爆管并沒有出現在管道高點，大多是出現在高點下面的下坡管段，所以針對于管線中平直管段及下坡管段的空氣閥設置必須要利用詳細計算才可以準確復核。一般而言，管道中水流情況被認作是恒定流，這種情況下，水中氣泡根據水流的流速沿著管壁逐漸向前運動，在途經管道高點空氣閥時，吸入到通氣支管內的氣泡可利用空氣閥排出部分氣體到管外，剩余氣泡會由于水流作用越過空氣閥而不斷向下游流去。對氣泡受力情況進行分析得知，運動方向和所受浮力的分力P1處于兩個相反的方向，浮力合力而使得阻力變大，導致氣泡運動速度降低，位于后面的氣泡對前面氣泡進行撞擊而使得氣泡變大，氣泡逐漸變大至一定體積，逐漸上升至管頂內壁從而形成氣囊，因為表面張力產生的作用，它具體是以半橢圓的形狀出現。

2.5孔徑計算

空氣是一種可壓縮流體，其密度與體積會隨著氣壓與溫度的變化而改變。假如系統處于充水排氣的狀態，管道內補充水流體積應與排出壓縮空氣體積相一致；如果系統在排水進氣過程中，管道負壓環境下吸入空氣不斷膨脹，其體積不小于外界標準條件下的體積。按照流體連續性理論分析，管道或者孔口的位置，空氣瞬間質量流量是恒定的，因此僅與該位置處氣體密度有直接關系。我們可以假設條件是，孔口空氣流動是在絕熱環境中進行，具體包括兩種流動狀態，分別是亞臨界狀態和超臨界狀態。

臨界流動狀態出現的條件參考以下公式

式中，p2是指孔口內側氣壓；p1是孔口外側氣壓；k是空氣絕熱系數。

在進氣過程中，p2＞p1；排氣過程中，p1＞p2，如果空氣絕熱系數k是1.40，那么氣壓比，

3算例分析

國投新疆哈密礦區長輸供水管線（兩段）工程位于哈密市以西約40 km，哈密盆地西北至西南地帶，呈線形分布。水務公司重工業園區新水供水點，距哈密市15 km，終點至國投哈密能源開發有限責任公司一礦，距哈密市50 km，地形北高南低，該工程設計流量為518.20 m3/h。哈密市重工業園區至礦區新水供水管線全長53.06 km，樁號0+000～27+450段、樁號31+350～41+700段為DN350 mm、DN500 mm、DN450 mm、DN400 mm球墨鑄鐵管，樁號27+450～31+350段為DN529 mm螺紋鋼管，樁號41+700～52+844段為DN400 mm、DN350 mm鋼骨架PE管。

工程設計過程中，哈密市重工業園區至礦區新水供水管線全線安裝空氣閥65處，每處安裝口徑為DN80 mm的空氣閥1個，共計65個DN80 mm空氣閥。有關空氣閥口徑選擇，根據規范要求“進氣排氣閥的口徑在僅需要排氣功能時應取輸水管直徑的1/8～1/12，在進排氣功能均需要時，應取輸水管直徑的1/5～1/8”，空氣閥口徑設計符合規范，但通過進一步的分析模擬，建議采用口徑為DN80 mm空氣閥；有關空氣閥位置選擇，根據規范要求“輸水管在坡度小于0.001時，應每隔0.50～1.00 km設置進氣排氣閥。一般情況下每1.00 km左右設置進氣排氣閥”，空氣閥位置設計合理，滿足規范要求；有關空氣閥重要程度方面，在管線波峰處，位置非常重要，選擇組合式排氣閥；因此，在管線波峰處等非常重要位置建議采取三階段排氣型空氣閥以避免排氣速度過快形成的水錘。在管道上升及下降段等重要位置，設置普通排氣閥。

4結語

經過認真復核與計算，通過合理設置空氣閥，采用水錘分析計算，哈密市重工業園區至蓄水池段：一是哈密市重工業園區至蓄水池段管線全線壓力均未超出1.50倍承壓能力，最大值達到187.02 m（樁號29+350）；二是全線無負壓，最低值達到0.51 m（樁號0+610），滿足規范要求；三是哈密市重工業園區至蓄水池段管線關閥閥前壓力最大值為126.51 m，未超過承壓能力（200 m）。具體如圖2所示。

圖2　哈密市重工業園區至蓄水池段關閥水錘管線壓力包絡線

蓄水池至礦區段：蓄水池至礦區段管線全線壓力均未超出1.50倍承壓能力，最大值達到56.45 m（樁號45+400），全線無負壓，最低值達到1.94 m（樁號41+712），滿足規范要求；蓄水池至礦區段管線關閥閥前壓力最大值為51.66 m，未超過承壓能力（100 m）。具體如圖3所示：

經過5 a的實際運行，證明全線空氣閥布置方案比較科學合理，空氣閥孔徑可以達到相關工況要求。

（責任編輯：左英勇）

《河南水利與南水北調》投稿須知

《河南水利與南水北調》全文被《中國核心期刊（遴選）數據庫》《萬方數據》《中國知網》《超星數據庫》等網站收錄。

為了規范學術論文及體例和格式，本刊對論文投稿作以下要求：

一、基本要求

1.論文符合本刊范疇，具有較高學術水平，內容應涉及水利及相關領域。

2.投稿論文須未曾在其他任何形式的出版物或網站刊登和發表，本刊嚴禁一稿多投。因稿件文、圖內容引起的各種糾紛，由作者承擔責任，本刊概不負責。

3.文稿要求主題明確、結構嚴謹、數據可靠、文字精煉、語句通順。本期刊一個版面2200字，投稿一般勿超過3500字。

4.來稿請自擬“摘要”“關鍵詞”，“摘要”字數控制在100～300字，“關鍵詞”宜為3～6個。

5.內文采用4級標題：1；1.1；1.1.1；1.1.1.1。

6.來稿請附主要參考文獻，未發表的資料請勿引用。

參考文獻格式：參考文獻的類型以單字母方式標識：M-專著，C-論文集，N-報紙文章，J-期刊文章，D-學位論文，R-報告，S-標準，P-專利；對于不屬于上述的文獻類型，采用字母“Z”標識。參考文獻一律置于文末。

期刊文獻：作者.文章名.刊物名稱，年，月，卷（期）。如：［1］郭英德.元明文學史觀散論（J）.北京師范大學學報（社會科學版），1995（3）.

專著文獻：主要著作者.書名.版本.出版地：出版社，出版年，起止頁碼。如：［J］張志健.嚴復思想研究［M］.桂林：廣西師范大學出版社，1989，85-86.

8.來稿請采用國家法定計量單位，且用國際單位符號，小數點后請保留兩位，且全文統一。如：面積用公頃、h㎡，長度用千米、km，“砼”用“混凝土”，0.65 cm。

9.圖片稿件要求：電子文檔格式，圖像文件≥800 k，文字說明300字左右，組稿照片要注明照片順序。

10.請在文末注明作者的真實姓名、個人資料（包括出生年份、性別、職務、職稱、主要研究方向）、詳細通訊地址、聯系電話、電子郵箱。

11.本刊為中國知識資源總庫、《中國學術期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司、北京萬方數據股份有限公司、萬方數據電子出版社等入選期刊，并由其對外提供信息服務，相關著作權使用費和稿費由本刊一并支付，如有異議，請在來稿時注明，本刊將作適當處理。

二、來稿及處理

1.來稿請寄編輯部，勿寄個人。本刊不辦理退稿，請作者自留底稿。

2.自稿件寄出，3個月仍未見采用或通知，可自行處理。

三、聯系地址

鄭州市緯五路11號《河南水利與南水北調》雜志社郵編：450003

電話：0371-65571282傳真：0371-65571282

E-mail：hnslzz@hnsl.gov.cn

QQ群組號：124995901

攝影部電話：0371-65571267 65571281 E-mail：abc@hnsl.gov.cn

中圖分類號：TV672

文章編號：1673-8853（2016）05-0108-03

收稿日期：2016-03-12

［文獻標識碼］7.來稿請按中國圖書分類辦法在標題下注明［中圖分類號］和。 A