不同因素對含氣水流輸水管道泄漏量的影響

李東來

(遼寧省石佛寺水庫管理局有限責任公司，遼寧 沈陽 110055)

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

此次研究以大伙房輸水工程為依托，著眼于有壓管道流，在試驗裝置的設計和制作過程中盡可能模擬工程實際，提高試驗研究結果與實際工程的契合性，以獲得科學、準確的研究成果。

試驗裝置的供水系統主要由水泵、水箱、管道、電動調節閥、止回閥、電磁閥、球閥等部分組成。其中，水箱是連接管路首、末兩端的過渡裝置，其容積略大于管道和穩壓罐體積之和。此次試驗中水箱為容積2.5 m3的長方體水箱，由厚度5 mm的鋼板焊接而成。水泵是管道水流運動的能量提供裝置[1]，經過比選，采用的是上海佳福ISG80-125型水泵，其揚程為20 m，額定流量為50 m3/s。基于此次研究的需要，管道需要方便觀察和拍攝，同時要具有一定的承壓能力，因此選用有機玻璃材質的管道，管道的內徑為90 mm，管壁厚度為10 mm。整個試驗裝置采用圓環式回轉管道布置，可以節省試驗場地，增加管道長度[2]。此次試驗中管道回轉一次，總長度為45 m。在管道的首端和末端均設置電動調節閥，在中段和后段設置電磁閥，其余管路調節閥采用手動球閥。

試驗裝置的供氣系統主要由空氣壓縮機、空氣濾清器、調壓閥、轉子流量計、逆止閥等部分組成。其中，空氣壓縮機為臺灣捷豹V-0.6/8型，其公稱流量為0.6 m3/min，額定壓力為0.8 MPa。系統的氣流量變化利用調壓閥進行調解，計量由豎直放置的轉子流量計實現，其量程為1～10 m3/h，精度為0.2 m3/h。

1.2 研究方法

由于停泵、關閥、初通水、檢修、空氣閥排氣不暢等原因常會使輸水管道處于氣水兩相流狀態，而兩相間的相互作用較于單相流來說更為復雜，氣水兩相流在正常運行時會引發輸水管道的劇烈振動，輸水管道各節點的壓力會突然增大然后衰減，對輸水管道的安全運行帶來危害。此次研究利用模型試驗的方法對比分析了不同初始含氣率、不同泄漏位置、不同泄漏量等因素對閥門末端壓力的影響。在試驗過程中，水由水泵從水箱抽出，并經過電動調節閥調節流量[3]；空氣則由空氣壓縮機壓縮之后存入氣罐，經過調壓閥和轉子流量計之后進入管道[4]。管道中的水流量測量采用的是大連海峰 TDS-100P 型便攜式超聲波流量計，采用傳播時間差法進行測量，其參數精度為1%。試驗中的數據利用Advantech公司的USB-4711A數據采集卡和電腦連接實現數據的自動采集和存儲。

1.3 試驗方案

根據《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》(CECS 193—2005)中的相關規定，輸水管道中的水流速度應在3.0 m/s以內。結合此次試驗中試驗裝置的參數，流速控制在2.0 m3/s不變，將含氣率、泄漏位置和泄漏孔的大小作為試驗變量。結合工程經驗和相關研究成果，設置0.010、0.005和0.001等三種不同的含氣率；設置上、中、下三個不同的泄漏位置，其與上游水箱的距離分別為10 m、25 m和40 m；設置5 mm、6 mm和7 mm等三種不同直徑的泄漏孔進行試驗。為了減少成本和時間投入，在試驗研究過程中保持兩個變量不變，研究第三個變量對管道泄漏量的影響，每種試驗方案進行三次試驗，以其均值作為最終的試驗結果。其中，泄漏量占比為泄漏水量占管道總輸水量的百分比。

2 結果與討論

2.1 含氣率

在試驗中保持泄漏位置在管道中部，管道的泄漏孔大小為6 mm不變，對不同含氣率方案下的泄漏量進行試驗，根據試驗結果統計計算出具體的泄漏量，結果如表1所示。由表中的試驗結果可以看出，在含氣管道的泄漏位置和泄漏孔大小保持不變的情況下，改變管道的初始含氣率，在閥門突然關閉發生泄漏水擊的情況下，泄漏量會隨著含氣量的增大而減小，但是平均泄漏量和水流量的泄漏比并沒有比較明顯的規律。

表1 不同含氣率方案泄漏量試驗結果

2.2 泄漏位置

在試驗中保持管道含氣率0.001、管道的泄漏孔大小為6 mm不變，對不同泄漏位置方案下的泄漏量進行試驗，根據試驗結果統計計算出具體的泄漏量，結果如表2所示。由表中的試驗結果可以看出，在含氣管道的初始含氣率和泄漏孔大小保持不變的情況下，泄漏位置越靠近上游，其泄漏量就越大，而泄流位置與上游的距離越大，其泄漏量就越小。當然，在泄漏量數據的采集過程中，會有少量的水在瞬變水擊過程中濺出，因此試驗結果存在少量的誤差，但是不會對試驗結果呈現的規律造成影響。

表2 不同泄漏位置方案泄漏量試驗結果

2.3 泄漏孔大小

在試驗中保持管道含氣率0.001、泄漏位置位于管道中部不變，對不同泄漏孔大小方案下的泄漏量進行試驗，根據試驗結果統計計算出具體的泄漏量參數，結果如表3所示。由表中的試驗結果可以看出，在含氣管道的初始含氣率和泄漏孔位置保持不變的情況下，隨著泄漏孔直徑的增大，管道的泄漏量也呈現出明顯增大的變化特點。但是，隨著泄漏孔直徑的增大，泄漏量的增大速率逐步趨緩。此外，由于管道的泄漏孔屬于人為鉆孔，其大小存在一定的誤差，但是試驗結果的誤差在允許范圍之內，不會對試驗結果呈現的規律造成顯著影響。

表3 不同泄漏孔大小方案泄漏量試驗結果

3 結 論

此次研究利用物理模型試驗的方式，對含氣管瞬變流特征進行了試驗研究，分析了不同因素在泄漏水擊作用下對管道泄漏特征的影響。結果顯示，閥門突然關閉發生泄漏水擊的情況下，管道泄漏量會隨著含氣量的增大而減小，但是平均泄漏量和水流量的泄漏比并沒有比較明顯的規律；泄漏位置越靠近上游，其泄漏量就越大；隨著泄漏孔直徑的增大，管道的泄漏量也呈現出明顯增大的變化特點，但是，隨著泄漏孔直徑的增大，泄漏量的增大速率逐步趨緩。當然，本文試驗中壓力傳感器的精度以及噪聲、管道振動等問題，會產生較高的誤報警率，因此在試驗數據采集過程中會產生較大誤差。在今后的研究中應該采取必要的技術措施，降低管道的誤報警率以及提高信號采集精度，進一步提高研究結果的科學性和準確性。