阀门在河北省南水北调配套工程中的应用

曹 亮

河北省南水北调配套工程大部分是长距离输水管道供水工程，阀门作为整个输水管网的控制元件，保证输水管道安全和实现输水管道调度功能，在将来的运行管理中，显得尤为重要。阀门的种类很多，在配套工程应用中按照使用功能主要分为检修阀、调节阀、排水（泥）阀、旁通阀、进排气阀等。

1． 检修阀

配套工程主要提供城市生活生产用水，这就决定了输水管道安全运行的重要性，但由于多方面的原因，管道运行往往会出现一些故障，需要进行维修。为了节省维修时间，加快管道维修速度，减轻事故影响，管道铺设每隔4～8km设置检修阀，便于分段维修。在配套工程中应用的检修阀主要有闸阀、蝶阀和偏心半球阀。

闸阀作为截止介质使用，运行过程中保持闸板全开或全闭且不需要经常启闭，闸板在部分开启状况下可以引起闸门的振动，而振动有可能损伤闸板和阀座的密封面，影响启闭部件的使用寿命。本工程主要采用弹性座封闸暗杆式闸阀作为进排气阀、泄压阀前的检修阀门。

蝶阀结构简单、体积小、重量轻，只由少数几个零件组成。而且只需旋转90°即可快速启闭，操作简单。处于完全开启时，蝶板厚度是介质流经阀体时惟一的阻力，因此通过该阀门所产生的阻力很小。本工程采用软密封、双向挡水承压双偏心蝶阀（蝶板在启闭阀过程中和阀门全启状态时，与密封面处于完全脱离状态，且在密封座处出现较大间隙，减少阀门密封面的磨损和擦伤，延长蝶阀使用寿命）。

偏心半球阀是球阀工业技术进步而诞生的产物，它通过转动偏心轴，带动固定在其上的球冠来达到阀门的启闭。其具有密封性好、耐磨损、阀门全开时水头损失接近于零、开启力小易于操作和维修、关闭能破除结垢障碍有一定自清洁作用，但由于铸造及加工难度大，价格较贵。本工程采用全通径、软硬密封、双向挡水承压偏心半球阀，在对水头损失要求较高，管径不大的输水管道作为检修阀门。

2． 调节阀

在配套工程运行过程中，根据运行要求或用户用水量的变化，需要对输水流量和压力水头进行调节。所以配套工程在输水管线分水口各支线首段、输水干管末端及调压井前设置了调节阀。

调节阀是靠改变阀门阀瓣与阀座间的流通面积，达到调节压力、流量等参数的目的。由于普通闸阀、蝶阀、球阀以及旋塞阀、截止阀的流量系数与开启度的相关性呈非线性曲线，阀门开启少许时的水流在阀门出口端会产生严重的紊流，引起震动与气蚀，不适合调流使用。在工程中常见的调节阀有活塞阀、多喷孔调节阀、带自的清洁功能多喷孔调节阀、固定锥形阀、环喷式流量调节阀、梳齿形蝶板的蝶阀、转芯球阀等。其中活塞阀以活塞沿管内水流方向做轴向运动，在阀门开启状态，活塞在任何位置水流都呈环状对称流。调流阀在运行过程中能够线性调流和稳定减压，并且具有过水流量大、振动小、噪声低、气蚀轻、抗压力强等特点，在国内外均有生产，技术比较成熟，又可同时满足自动化远程控制调节和应急手动调节的需求。因此选用活塞阀作为配套工程中的调节阀。

为满足自动化远程控制要求，调流阀需加装电动执行机构，它一般由电机、减速箱、手操机构、机械位置指示机构等一些部件组成。与其他阀门驱动装置相比，电动驱动装置具有动力源广泛，操作迅速、方便等特点，并且容易满足各种控制要求。

3. 排水（泥）阀

配套工程运行过程中发生事故维修、日常维护检修都需要将该段的水和管道沉积物排空，为此须在两个检修阀之间的低洼处设置排水（泥）阀。一般选用闸阀、蝶阀、球阀均可，但考虑到排水（泥）阀有可能在有淤积物的情况下启闭阀门，为了保证阀门启闭的灵活性和密封性，在配套工程中选用偏心半球阀和闸阀作为排水（泥）阀。

4. 旁通阀

为避免在大口径输水管道的检修阀开启向下游放空的管道充水时，阀门小开度充水，引起震动与气蚀，同时减小阀门开启力。配套工程在检修阀门处设置了小口径旁通阀，先通过旁通阀冲水调节检修阀上下游水压差，再开启检修阀通水。由于旁通阀直径较小，阀门选用闸阀、蝶阀、球阀均可，如果阀井内空间有限，可优先考虑占用空间较少的蝶阀作为旁通阀。

5. 进排气阀

在长距离输水工程中，管道充水时需大量排出管道内空气，运行期间要排出管道内产生的微量积气，避免管线中由于空气的聚集，导致过流面积减小，直接影响输送水量，使输水量降低，同时使水的流速加大，水泵的耗能也相应增加，影响测量仪表的准确性和使用寿命。当系统检修泄水或发生事故停泵水锤时，管线中主要出现负压，需及时向管道内部送气，防止管内负压过大，避免管道塌陷，同时消除形成拉断性水锤的动力源，避免弥合性水锤的产生。为此配套工程在输水管道的一些局部高点以及部分节点位置布置了进排气阀。进排气阀是一种同时具备大、小进排气孔，当管道空管充水时实现快速排气，当管道内产生负压时又能快速进气，且在工作压力下可排出管道中集结气体的进、排气装置。在配套工程中应用的进排气阀主要有复合式排气阀和带限流板的复合式排气阀两种型式。

复合式排气阀由主阀体、阀盖、浮球、阀座和微排阀等组成。在输水管道的一些局部高点以及部分节点安装复合式进排气阀，在供水初期，排出管道中大量的空气，排气阀在水浮力作用下关闭，有效保护管线，通过微量排气阀不间断的排出管道运行中析出的少量空气，消除所有气囊，解决气阻带来的危害。当管线产生真空负压时，进排气阀大量吸气，避免负压过大而使管道塌陷。当负压消除完，断开水柱回流时，进排气阀以适当速度排气，避免弥合性水锤产生的巨大水锤升压，保证输水系统的安全。

带限流板的复合式排气阀由主阀体、阀座、阀盖、浮球、阀瓣、弹簧、限流板和微排阀等组成。其工作原理与复合式排气阀基本相同，在消除弥合水锤作用方面尤为显著，其原理是当管道快速充水或管道发生水柱分离后的水柱弥合时，管道中空气经过空气阀全速排出，同时阀内外产生压差，压差达到预定值，限流板受压力影响自动上升，通过限流板上的排气孔排气，限制排气速度，直至浮球密封主排气孔。从而利用管道内空气的可压缩原理和气团弹性，缓冲系统内的压力波动，阻止因快速排放所产生的弥合水锤，保护管道系统。

配套工程在一般管道段使用了复合式排气阀，地形起伏较大，有断流弥合水锤可能发生处，选用带限流板的复合式排气阀。

6. 水锤消除设备

在长距离输水工程中，由于种种外因引起的水锤压力，经常对输水管道造成严重破坏。轻者造成漏水、停水，重者发生爆管、淹没泵站。为保护输水管道不出现超压破坏，配套工程在泵站出水总管首端、重力输水管道末端阀门上游和管线中间可能出现较大水锤压力的位置设置水锤消除设备，常用的水锤消除设备主要有安全阀、带限流板的复合式排气阀，水击泄放阀、气囊式压力罐、缓闭止回阀、多功能水泵控制阀等。其中安全阀只能泄水降压，但其快开快闭的泄压特点容易在关闭时产生二次水锤，对管道、阀门造成损坏。根据不同的现场条件，后5种水锤消除设备在配套工程中均有应用，其中带限流板的复合式排气阀主要消除断流弥合水锤。

水击泄放阀当水锤升压达到管道需要的压力保护值，水击泄放阀瞬间开阀泄水、泄压。当阀前压力低于设定值才缓慢关闭，不产生自身关阀水锤。具有完全水力式自动控制，不需任何外动力，快速响应过压条件，泄水消锤性能可靠等特点。

气囊式压力罐利用气体压缩性大的特点，将压缩气体注入和水隔开的薄膜橡胶囊中，使充满气体富有弹性的气囊，能有效地吸收或抑制水管中发生的各类水锤和其他可能产生的水锤正压和负压，保护水泵、阀门和管道不受损坏。具有适应性强，消除各种类型水击波的效果良好，加工制作和维护检修方便，动作简单快捷，无滞后延时动作的特点，唯独体积较大，需有空压机配套。

缓闭止回阀由阀体、对开双半圆型蝶板、阀杆、复位弹簧、液压缓闭油缸及旁通调节管路组成。安装在水泵出口，设有微阻缓闭装置，能够有效防止介质倒流和水锤发生。当水泵停止时，管道内压力突然减小，阀瓣在复位弹簧的作用力下，开始迅速回位，当阀瓣与缓闭活塞接触时，缓闭活塞内液体开始通过旁通管压回液压缸。阀瓣缓闭时间可由旁通管路上的调节阀设定，理论上缓闭时间越长越能有效的消除水锤，但同时泄水量会增加，对水泵安全造成影响。缓闭时间需通过计算确定。

多功能水泵控制阀采用膜片式结构，由阀体、阀盖、主阀板、缓闭阀板、阀杆、膜片、膜片压板及控制管路等组成，其融控制、止回、水锤消除三种功能于一体，有效的提高系统安全可靠性，满足系统自动化控制的要求。靠水力自动控制，启、闭运行应与水泵联锁，实现了离心水泵的闭阀启动。启泵时缓开、停泵时先快闭后缓闭的两阶段关闭功能。