对空气阀用于长距离输水工程的探索

□杜建军（新疆哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司）



对空气阀用于长距离输水工程的探索

□杜建军（新疆哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司）

摘要：在长距离输水工程中空气阀是其关键设备，主要负责排气与负压控制，因此对长距离输水工程的空气阀应用进行研究具有重要意义。基于此，文章首先对长距离输水工程中气囊危害进行分析，对空气阀设置的作用、技术要求、类型、性能参数进行研究，对长距离输水工程中空气阀设置原则进行总结，对安装位置进行校核，在完成孔径计算的基础上，结合应用实例进行计算分析，以期对空气阀的应用起到一定的促进作用。

关键词：空气阀；长距离；输水工程；管线；危害

1气囊危害分析

1.1具体原因

在输水管线工程中必须要针对空气来源采取对应的方法，以期尽量减小输水管线中空气所占的比例。一般来说，输水管线中气体来源有以下几种可能性：

一是在进行充水之前管内即有空气存在，充水过程中没有做到完全排尽空气；二是动力机械在具体工作过程中有气体进入，比如说潜水深井泵通过吸水提升段在启泵流程中并未完全排出气体，导致在水泵吸水过程中出现涡流的情况，使得吸入部分空气，此外在水泵密封填料过程中也有很大可能空气进入。

1.2危害

第一，气囊出现会加大输水管线的水头损失，使得管道通水面积下降，管道输水能力降低。实际上，水中溶解的空气在管道中会使得压力降低或者是在温度不断升高过程中逐渐从水中释放，然后形成气泡与原本空管内的空气相互混合，水流组成气液两相流动介质。如此一来，输送一样流量的水的流速变大，换言之是摩阻水头损失不断变大。第二，输水管线中出现气囊而引发管道漏水、振动失稳等情况，甚至会产生爆管等安全事故。如果管道内排气不大顺畅，气囊在长距离输水管道中非常容易导致局部水流速度及管道压力在短暂时间内产生急剧的变化，因此引发管道局部振动失稳的情况，具体反映为管道振动与管道噪音，在一段时间内持续振动，而导致接头松动，使得管网的漏水量大增。假如水锤的压力符合爆管条件，会发生严重的安全事故。

2空气阀设置

2.1作用与技术要求分析

根据专家理论，对于相对平坦的输水管路而言，在其充水与运行时均有可能表现为6种不同的气、液两相流状态，各种流态参考图一。其中，气、液两相流的6种流态具体是由两相速度、物理特性及水流充满度等因素而受到一定程度的影响，具体会随着影响因素而不断调整，6种流态之间会随时发生转换。所以，管道在充水时也并不是那么简单，水流不断充满管道内而迫使气体自然排出，真正情况是在充水与运行过程中会出现各种流态过程。其中，气团流与段塞流是管道存气的具体形式之一，也就是说气体是以不连续的独立气囊的形式浮于管道顶部，并且会随着水流而产生运动，容易在管道的凸点、变径处发生聚集，因而出现压力震荡的情况。所以说，要求必须在管线上设置空气阀，可以将管道内气体处于气团流状态时将其迅速排出。

2.2类型与性能参数

2.2.1空气阀的类型

现阶段，我国市场上比较常见的空气阀有三类，根据功能分类，包括微量空气阀、高速进排气阀、复合空气阀。如果根据结构形式分类，则包括浮球空气阀、浮球杠杆式空气阀以及动力复合式空气阀等。

2.2.2空气阀性能参数

图1　6种气液两相流状态示意图

对空气阀性能参数指标进行衡量比较困难，必须参考具体工程实际情况，考虑具体的使用条件及关注点。整体而言，空气阀性能参数包括排气能力、进气能力、开阀力、承压力等，可以作为工程中产品选择的标准之一。

2.3长距离输水工程中空气阀设置原则分析

实际工程应用过程中必须按照工程的实际特点及其运行需求对空气阀类型选择及安装位置进行确定，其设置原则包括以下几个方面：第一，安装于输水管线中纵断面比较隆起的地方，该处也称之为管线驼峰处，一般来说大多安装复合式空气阀。第二，安装于管线水力坡度出现变化的地方。比如下降坡度变大点必须要安装复合式空气阀，在上升坡度不断变小的转折点要安装高速进排气阀。

2.4安装位置校核

实际工程设计过程中必须要参考以上几种原则，对空气阀设置完毕，还应当结合工程的具体情况，采用定量分析与计算的方法，对管线中空气阀设置位置及其数量进行复核。比如，在工程实际运行过程中，大部分爆管并没有出现在管道高点，大多是出现在高点下面的下坡管段，所以针对于管线中平直管段及下坡管段的空气阀设置必须要利用详细计算才可以准确复核。一般而言，管道中水流情况被认作是恒定流，这种情况下，水中气泡根据水流的流速沿着管壁逐渐向前运动，在途经管道高点空气阀时，吸入到通气支管内的气泡可利用空气阀排出部分气体到管外，剩余气泡会由于水流作用越过空气阀而不断向下游流去。对气泡受力情况进行分析得知，运动方向和所受浮力的分力P1处于两个相反的方向，浮力合力而使得阻力变大，导致气泡运动速度降低，位于后面的气泡对前面气泡进行撞击而使得气泡变大，气泡逐渐变大至一定体积，逐渐上升至管顶内壁从而形成气囊，因为表面张力产生的作用，它具体是以半椭圆的形状出现。

2.5孔径计算

空气是一种可压缩流体，其密度与体积会随着气压与温度的变化而改变。假如系统处于充水排气的状态，管道内补充水流体积应与排出压缩空气体积相一致；如果系统在排水进气过程中，管道负压环境下吸入空气不断膨胀，其体积不小于外界标准条件下的体积。按照流体连续性理论分析，管道或者孔口的位置，空气瞬间质量流量是恒定的，因此仅与该位置处气体密度有直接关系。我们可以假设条件是，孔口空气流动是在绝热环境中进行，具体包括两种流动状态，分别是亚临界状态和超临界状态。

临界流动状态出现的条件参考以下公式

式中，p2是指孔口内侧气压；p1是孔口外侧气压；k是空气绝热系数。

在进气过程中，p2＞p1；排气过程中，p1＞p2，如果空气绝热系数k是1.40，那么气压比，

3算例分析

国投新疆哈密矿区长输供水管线（两段）工程位于哈密市以西约40 km，哈密盆地西北至西南地带，呈线形分布。水务公司重工业园区新水供水点，距哈密市15 km，终点至国投哈密能源开发有限责任公司一矿，距哈密市50 km，地形北高南低，该工程设计流量为518.20 m3/h。哈密市重工业园区至矿区新水供水管线全长53.06 km，桩号0+000～27+450段、桩号31+350～41+700段为DN350 mm、DN500 mm、DN450 mm、DN400 mm球墨铸铁管，桩号27+450～31+350段为DN529 mm螺纹钢管，桩号41+700～52+844段为DN400 mm、DN350 mm钢骨架PE管。

工程设计过程中，哈密市重工业园区至矿区新水供水管线全线安装空气阀65处，每处安装口径为DN80 mm的空气阀1个，共计65个DN80 mm空气阀。有关空气阀口径选择，根据规范要求“进气排气阀的口径在仅需要排气功能时应取输水管直径的1/8～1/12，在进排气功能均需要时，应取输水管直径的1/5～1/8”，空气阀口径设计符合规范，但通过进一步的分析模拟，建议采用口径为DN80 mm空气阀；有关空气阀位置选择，根据规范要求“输水管在坡度小于0.001时，应每隔0.50～1.00 km设置进气排气阀。一般情况下每1.00 km左右设置进气排气阀”，空气阀位置设计合理，满足规范要求；有关空气阀重要程度方面，在管线波峰处，位置非常重要，选择组合式排气阀；因此，在管线波峰处等非常重要位置建议采取三阶段排气型空气阀以避免排气速度过快形成的水锤。在管道上升及下降段等重要位置，设置普通排气阀。

4结语

经过认真复核与计算，通过合理设置空气阀，采用水锤分析计算，哈密市重工业园区至蓄水池段：一是哈密市重工业园区至蓄水池段管线全线压力均未超出1.50倍承压能力，最大值达到187.02 m（桩号29+350）；二是全线无负压，最低值达到0.51 m（桩号0+610），满足规范要求；三是哈密市重工业园区至蓄水池段管线关阀阀前压力最大值为126.51 m，未超过承压能力（200 m）。具体如图2所示。

图2　哈密市重工业园区至蓄水池段关阀水锤管线压力包络线

蓄水池至矿区段：蓄水池至矿区段管线全线压力均未超出1.50倍承压能力，最大值达到56.45 m（桩号45+400），全线无负压，最低值达到1.94 m（桩号41+712），满足规范要求；蓄水池至矿区段管线关阀阀前压力最大值为51.66 m，未超过承压能力（100 m）。具体如图3所示：

经过5 a的实际运行，证明全线空气阀布置方案比较科学合理，空气阀孔径可以达到相关工况要求。

（责任编辑：左英勇）

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收稿日期：2016-03-12

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