懸浮管道水錘壓力與振擺特性試驗(yàn)研究

吳國(guó)英，宋莉萱，來(lái)志強(qiáng),2，武彩萍

(1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

多沙河流水庫(kù)為了保持庫(kù)容，常需要各種方式進(jìn)行排沙，目前常用的方式有水庫(kù)調(diào)度排沙和管道排沙。管道排沙較水庫(kù)調(diào)度排沙靈活，通過(guò)合理布設(shè)排沙管道擴(kuò)大清淤范圍以提高清淤效果[1]。采用管道排沙方式進(jìn)行清淤作業(yè)時(shí)，大塊膠泥、石塊等雜物進(jìn)入排沙管道導(dǎo)致管道淤堵或者管道閥門(mén)啟閉，這將引起管道內(nèi)壓強(qiáng)急劇交替升高和降低，進(jìn)而在管道內(nèi)形成水錘效應(yīng)[2,3]。水錘效應(yīng)會(huì)對(duì)閥門(mén)及管壁會(huì)產(chǎn)生壓力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道破裂、塌癟、管道接口位置改變和滲漏等現(xiàn)象[4-7]。另外，管道排沙需要在水庫(kù)內(nèi)布設(shè)管道系統(tǒng)輸送泥沙，為了滿(mǎn)足清淤范圍及工作效率，管道系統(tǒng)常采用軟連接將管段連接起來(lái)，管道布設(shè)的長(zhǎng)度也常常大于清淤距離，這個(gè)富余出的長(zhǎng)度與該距離的比值則定義為管道長(zhǎng)度富余度。懸浮在水面或水中的排沙管道因?yàn)殚L(zhǎng)度有富余，在水錘壓力作用下將產(chǎn)生振擺現(xiàn)象。管道振擺幅度過(guò)大不僅對(duì)管道系統(tǒng)自身產(chǎn)生破壞，還會(huì)給管道系統(tǒng)周邊水體附屬設(shè)施帶來(lái)財(cái)產(chǎn)損失，甚至有可能拖拽水面作業(yè)平臺(tái)致其傾覆，危及操作人員的財(cái)產(chǎn)和生命安全。因此研究水中懸浮管道水錘壓力以及由于水錘壓力產(chǎn)生的管道振擺規(guī)律對(duì)于提高管道排沙技術(shù)實(shí)施安全十分重要。

管道水錘壓力的研究至今已經(jīng)100余年，水錘的研究理論和試驗(yàn)手段也日趨完善和成熟。法國(guó)工程師Menabrea[8]最初通過(guò)模型試驗(yàn)研究簡(jiǎn)單管道的彈性和水體的壓縮性對(duì)水錘的影響，揭開(kāi)彈性水錘研究的序幕。隨后意大利工程師Allievi[8]提出水錘計(jì)算的圖解曲線法以及末相水錘的計(jì)算公式。人們開(kāi)始能夠完全通過(guò)理論公式去計(jì)算簡(jiǎn)單管道的水錘。由于實(shí)際工程遠(yuǎn)比簡(jiǎn)單管道復(fù)雜，后來(lái)水錘的研究開(kāi)始轉(zhuǎn)向復(fù)雜的管道系統(tǒng)。物理模型試驗(yàn)是一種有效的研究手段，對(duì)于比較復(fù)雜且沒(méi)有相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可借鑒的工程，模型試驗(yàn)研究被認(rèn)為是不可缺少的。國(guó)內(nèi)學(xué)者劉光臨等[9]率先探討了泵站系統(tǒng)的水錘模型的相似理論，分析了水泵和冷凝器邊界的相似性。隨后伍超等[10]研究了調(diào)壓室物理模型中變態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，提出了保證模型和原型相似的方程組。近年來(lái)關(guān)于水錘壓力的試驗(yàn)研究還有很多[11-15]，但是目前關(guān)于懸浮柔性管道水錘作用下振擺規(guī)律的研究還十分匱乏，因此急需通過(guò)實(shí)體概化模型試驗(yàn)對(duì)其開(kāi)展研究。

本文進(jìn)行了一系列懸浮管道物理模型試驗(yàn)，詳細(xì)研究了管道流速、閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間和管道長(zhǎng)度富余度對(duì)管道水錘壓力和振擺幅度的影響，研究成果能夠?yàn)樗畮?kù)清淤管道排沙工程實(shí)踐安全運(yùn)行提供參考。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

水庫(kù)清淤管道排沙工程實(shí)踐時(shí)經(jīng)常采用由鋼管和PE柔軟管交叉連接的管道系統(tǒng)。物理模型試驗(yàn)通過(guò)交替連接鋼管和橡膠軟管形成管道，連接處采用鐵絲固定。另外軟管的存在使得管道長(zhǎng)度富余度改變時(shí)管道布局更加容易調(diào)整；當(dāng)管道發(fā)生擺動(dòng)時(shí)，軟管也能夠減小擺動(dòng)過(guò)大對(duì)管道帶來(lái)的影響。

物理模型試驗(yàn)在黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院水工試驗(yàn)大廳進(jìn)行。模型場(chǎng)地由磚墻合圍而成，東西南北墻體長(zhǎng)度分別為13.2、13.2、20.9和19.5 m，其中管道對(duì)稱(chēng)布置在東西方向，管道初始設(shè)置長(zhǎng)度為20.6 m，如圖1所示。試驗(yàn)所用鋼管長(zhǎng)1.5 m，橡膠軟管長(zhǎng)0.625 m，兩者內(nèi)徑為0.05 m，管壁厚均為0.002 m。模型中管道穿過(guò)兩側(cè)墻壁的鑿孔懸浮于水中且彎曲布置，管內(nèi)水流流速由實(shí)驗(yàn)室水塔水頭提供。

為量測(cè)管道閥門(mén)關(guān)閉時(shí)管道擺動(dòng)幅度，在南北方向每隔2.0 m拉一條鋼絲，管道上方布置云臺(tái)攝像機(jī)記錄管道擺動(dòng)情況，通過(guò)管道與鋼絲間的距離計(jì)算管道振擺幅度。試驗(yàn)中以位于最中間的軟管作為研究對(duì)象，以其垂直于管道布置方向的最大振幅(南北向振幅之和)作為管道最大振幅，如圖1所示。為量測(cè)管道沿程不同位置處水錘壓力變化情況，分別在管道入口處、彎曲處和尾部閥門(mén)附近3個(gè)位置的鋼管上方設(shè)置了脈動(dòng)測(cè)壓傳感器(如圖1所示)，傳感器測(cè)試數(shù)值可轉(zhuǎn)變?yōu)樗N壓強(qiáng)，用于表征水錘壓力大小。為了描述方便，分別稱(chēng)管道入口處、彎曲處和尾部閥門(mén)處的脈動(dòng)測(cè)壓傳感器為傳感器1，傳感器2和傳感器3。建成物理模型試驗(yàn)如圖2所示。

圖1 物理模型試驗(yàn)管道系統(tǒng)布置示意圖Fig.1.Schematic view of the layout of the suspended pipeline

圖2 物理模型試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2.Photo of the model test

1.2 試驗(yàn)方案

為研究管道流速、閥門(mén)關(guān)閉速度和長(zhǎng)度富余度對(duì)管道水錘壓力和振擺幅度的影響，設(shè)置了如表1所示試驗(yàn)方案。試驗(yàn)設(shè)置了3種富余度，分別為0%，10%和30%，其中0%即為初始設(shè)計(jì)管道長(zhǎng)度22.5 m，試驗(yàn)中管道長(zhǎng)度通過(guò)管道中間段彎曲程度進(jìn)行調(diào)節(jié)。富余度為0%時(shí)，設(shè)置了3種流速，分別為2.0，2.5和3.5 m/s，用于研究流速的影響；設(shè)置了3種閥門(mén)關(guān)閉速度，分別為快速0.5 s，中速5.0 s和慢速10.0 s，用于研究閥門(mén)關(guān)閉速度影響。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容Tab.1 Test schemes

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 流速影響

圖3為富余度為0閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s時(shí)相同管道流速下不同位置傳感器測(cè)得的管道壓強(qiáng)。可以看出，同一流速下閥門(mén)關(guān)閉后3個(gè)位置管壁壓強(qiáng)會(huì)突然增大又恢復(fù)穩(wěn)定，這是因?yàn)殚y門(mén)關(guān)閉時(shí)管道內(nèi)水體相互擠壓產(chǎn)生一個(gè)向上游傳播的正壓波，所以各個(gè)通道都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正壓力突變的情況。由于懸浮管道在水中有較明顯的擺動(dòng)現(xiàn)象、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且水的阻力消耗了管道水錘的能量，因此管道壓力又迅速恢復(fù)了穩(wěn)定。考慮到儀器本身的量程的限制和反應(yīng)靈敏度的誤差以及管道振擺現(xiàn)象，因此圖3中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的負(fù)的壓強(qiáng)值。從圖3還可以看出，越靠近閥門(mén)位置處的傳感器所測(cè)壓強(qiáng)越大且發(fā)生突變的時(shí)間最遲，這是因?yàn)樗N傳播需要一定的時(shí)間且水錘能量在傳播過(guò)程中由于軟管的存在轉(zhuǎn)換成了彈性勢(shì)能。

圖3 相同管道流速下不同位置傳感器測(cè)得的水錘強(qiáng)度Fig.3 Measured pressures on the pipeline at the same velocity

工程中最關(guān)心的為最大水錘壓力情況，因此圖4給出了富余度為0閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s時(shí)不同流速下傳感器3測(cè)得的管道壓強(qiáng)。從圖4可以看出，管道內(nèi)流速越大，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)管道內(nèi)水體在突然停止流動(dòng)后受到的壓縮程度越大，因此傳感器測(cè)得管道壓強(qiáng)越大，其中流速為3.5 m/s時(shí)最大壓強(qiáng)可達(dá)300 kPa。為了測(cè)試管道所能承受最大壓力，因此補(bǔ)充了流速為5.0 m/s的模型試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，閥門(mén)快速關(guān)閉后出現(xiàn)了管道連接處直接崩開(kāi)的現(xiàn)象，且管道擺動(dòng)非常大，實(shí)驗(yàn)直接被迫中止。這說(shuō)明在流速為5.0 m/s時(shí)突然關(guān)閉閥門(mén)的管道水錘壓力相較于之前流速下的壓力又增大了許多，因此發(fā)生了管道連接處的崩裂情況。通過(guò)上述不同流速下啟閉閥門(mén)管道壓力試驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出：工程實(shí)踐時(shí)在不影響水庫(kù)排水排沙的效率下應(yīng)該盡可能降低管道內(nèi)的初始流速，減小水錘帶來(lái)的影響。

圖4 不同管道流速下傳感器3測(cè)得的水錘強(qiáng)度Fig.4 The pressures on the pipeline measured by the sensor 3 at different velocities

圖5為富余度為0閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s管道流速為3.5 m/s時(shí)測(cè)得的管道振擺情況。管道擺幅圖是空中云臺(tái)從側(cè)上方對(duì)管道擺動(dòng)時(shí)記錄的照片，平行的黑色鋼絲線為參照線，參照線間實(shí)際距離為2.0 m。通過(guò)記錄管道中間段距離鋼絲的距離，可以就算出管道的南、北最大擺幅。圖5中管道最大擺幅為0.320+0.100=0.420 m。利用最大擺幅以及管道擺動(dòng)持續(xù)時(shí)間可以算出關(guān)閉閥門(mén)的平均擺幅，已知振幅持續(xù)時(shí)間約為3 s，因此計(jì)算出富余度為0閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s管道流速為3.5 m/s時(shí)管道每秒平均振幅約為0.140 m。利用相同原理計(jì)算得到2.5 m/s和2.0 m/s的平均振幅分別為0.113 m和0.097 m，圖6給出了不同流速下富余度為0閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s時(shí)的平均振幅。可見(jiàn)，管道平均振幅隨著流管道流速增大而增大，這與各個(gè)流速下快速閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的管道水錘壓力變化結(jié)果一致。

圖5 管道擺動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic view of the piping vibration

圖6 管道擺動(dòng)平均振幅隨流速的變化Fig.6 Average amplitude versus flow velocity of the piping vibration

2.2 閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間影響

圖7為富余度為0流速為2.0 m/s時(shí)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為5.0 s和10.0 s時(shí)管道各傳感器測(cè)得的管道壓強(qiáng)，其中閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s管道壓強(qiáng)已在圖3(a)給出。可以看出，5.0 s和10.0 s關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，各個(gè)通道的變化整體趨勢(shì)仍然符合0.5 s關(guān)閉時(shí)的規(guī)律。圖8為富余度為0流速為2.0 m/s不同閘門(mén)關(guān)閉速度傳感器3測(cè)得的水錘壓力。可以看出，相比于0.5 s關(guān)閉閥門(mén)，5.0 s和10.0 s關(guān)閉閥門(mén)時(shí)管道壓強(qiáng)增大值較小，增長(zhǎng)速率明顯減緩，出現(xiàn)峰值的時(shí)間也相對(duì)延后，這說(shuō)明增長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間后，水流不會(huì)在一瞬間對(duì)管道造成較大的沖擊力，這樣做能夠盡可能保證管道作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。圖9給出了富余度為0不同閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間在不同流速下管道振擺平均幅度變化圖，可以看出不同閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間時(shí)管道振擺平均幅度規(guī)律與管道壓強(qiáng)規(guī)律及產(chǎn)生的相同，這里不再贅述。

圖7 相同閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間不同位置傳感器測(cè)得的壓強(qiáng)Fig.7 Measured pressures on the pipeline at the same valve closure time

圖8 不同管道流速下傳感器3測(cè)得的水錘壓強(qiáng)Fig.8 The pressures on the pipeline measured by the sensor 3 at different valve closure times

圖9 管道擺動(dòng)平均振幅在不同流速下隨閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的變化Fig.9 Average amplitude versus valve closure times at different flow velocity

2.3 富余度影響

圖10為閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s時(shí)3種流速下不同富余度傳感器3測(cè)得的水錘強(qiáng)度。可以看出，當(dāng)流速一定時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)由于受到壓縮的水體質(zhì)量隨著管道富余度的增加而增大，因此水錘最大強(qiáng)度也有所增大。

圖10 不同富余度傳感器3測(cè)得的水錘壓強(qiáng)Fig.10 The pressures on the pipeline measured by the sensor 3 at different surplus degrees

表2給出了閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.5 s時(shí)3種流速下不同富余度管道振擺幅度。可以看出，富余度為0時(shí)在各個(gè)流速下擺幅要明顯大于10%和30%的情況，后兩者振幅差別不明顯。造成富余度越大振擺越小是因?yàn)殡S著管道富余度增加，管道總長(zhǎng)增加，管道受到水的阻力增大，水體對(duì)管道擺動(dòng)消耗的能量也隨之增加，導(dǎo)致管道擺動(dòng)減小。工程實(shí)踐時(shí)在一定范圍內(nèi)增大管道的富余度有利于減小水錘帶來(lái)的管道擺動(dòng)的影響。

表2 管道擺幅統(tǒng)計(jì)Tab.2 The rate statistics of the piping vibration

3 結(jié) 論

(1)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，懸浮管道水錘壓力和振擺幅度會(huì)隨著管道流量增大而增大，其中越靠近閥門(mén)關(guān)閉的地方水錘壓力越大，且當(dāng)流量過(guò)大時(shí)還會(huì)造成管道爆裂。

(2)快速關(guān)閉管道閥門(mén)會(huì)在管道中產(chǎn)生很大的水錘壓力，從而使得管道振擺幅度增大，工程中應(yīng)增加閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間，盡可能保證懸浮管道作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。

(3)懸浮管道長(zhǎng)度富余度改變會(huì)引起管道最大水錘壓力的改變，管道富余度增大時(shí)，水錘的最大值也會(huì)增加，而擺動(dòng)程度則在一定范圍內(nèi)會(huì)越小。

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