输配水管道设计与气囊形成的关系探讨

梅 青，裘 娜，姚左钢

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

目前，气囊封堵法已经应用在安全快捷地实现管道封堵方面[1]，也有文章对气囊阻漏进行了研究[2-3]，从相关研究成果可以看出气囊在封堵方面的效果是显著的，如果气体在供水管道中积累到一定程度并且无法排除的话，严重的气阻是完全可以造成供水中断的。因管道运行过程当中排气不畅造成的气体聚集形成气囊后会占据管道过水断面、增大局部水阻、造成通水困难、增加系统运行电耗，甚至导致爆管[4]。同时，气体的存在也影响到管道的水击防护[5-7]。因此，在工程设计中正确判断气囊在管道中聚集的可能性，并相应地采取措施是必要的。

本文简要介绍了管线中气体的来源和危害及工程设计中为了减小气体对输配水管线系统的危害而设置的排气阀的必要性，采用赵明博士的毕业论文中关于坡度下降管段的临界俯角的结论[8]，总结了在不同流速和管径条件下临界管道坡度，并针对现有规范[16]中管道曲线安装允许铺设角度和临界管道坡度的关系进行了对比，对输配水有压管道的设计和施工提出了应对气囊形成的一些建议。

1 输配水管线中气体的来源[9]

管道在运行前，初次充水后未能排尽管道内空气，也是空气进入管道的主要方式。

管道使用过程中，对管道进行检修后未能排尽管道内空气或水源接水口设计不合理导致进水吸气，是空气进入管道的主要方式。当系统运行当中发生极端工况造成管道处于负压状态时，空气也会从排气阀或者其他缝隙漏点进入管道。而水中溶解的气体在系统运行过程也会因为压力和温度的变化从水中析出。

2 输配水管线中气体存在的危害

以各种方式进入管道或从水中析出的气体会上升到管道上部，细小的气泡随着水流运动的过程中进一步聚集形成气囊[10]，在管道内水流速度足以带动气囊运动时，水流可以带动气囊运动到管道高点，当水流不足以带动气囊一起运动时，气囊便会停留在系统的各个管段内。

管线中气囊的存在会增加管线的水头损失[11-12]，管道内的气囊和水在运动过程中形成的气体液体两相流状态极易引起管道的压力波动，进而造成管道局部震动[13]。其压力在破坏管道前引起的振动会造成接头和法兰等连接件的松动，导致管道渗漏量增加。当压力足够大，就会造成爆管[14]。

3 临界管道坡度

3.1 原理介绍

工程设计中一般在管线沿线的高点设置空气阀，但由于管壁处的紊流流态和流速的切线特性，有一些小气泡会绕过高点的空气阀向下游运动[15]。在这种情况下，气囊的运动方向与其所受的浮力的分力方向相反，有相关研究[8]对该情况下的气囊是否可以随水流运动进行阐述，文献[8]中的受力分析示意图如图1所示。

图1 气泡受力分析示意

文献[8]中通过推导给出了临界管线俯角的计算公式(1)，并指出当管道的俯角小于计算出的临界俯角时，气囊就会跨过高点沿管道向下游移动。

sinα1=200×ν2/(ρ×g×R)

(1)

式中，α1—临界管线俯角，(°)；R—管线半径,m;ρ—水的密度,kg/m3；g—重力加速度,m/s2。

3.2 临界管线俯角计算分析

根据式(1)计算出不同管道直径在不同管内流速情况下的临界管线俯角，如图2—3。从图2—3中可以看出，在相同管径条件下，随着管道内流速的增加，临界管线俯角就越大。也就是同种管道管径条件下，流速越大，为了不让气囊沿管道向下运动所需要的管道倾角就越大。

图2 管径DN100～DN600在不同管内流速情况下的临界俯角

从图2中可以看出，DN100的管道在大于0.35m/s的流速范围内临界管线俯角都大于3°，DN200的管道在大于0.55m/s的流速范围内临界管线俯角都大于3°，DN300的管道在大于0.65m/s的流速范围内临界管线俯角都大于3°，DN400的管道在大于0.7m/s的流速范围内临界管线俯角都大于3°，DN600的管道在大于0.85m/s的流速范围内临界管线俯角都大于3°。

图3 管径DN800～DN2000在不同管内流速情况下的临界管线俯角

从图3中可以看出，DN800的管道在大于0.8m/s的流速范围内临界管线俯角都大于2°，DN1000的管道在大于0.65m/s的流速范围内临界管线俯角都大于1°，DN1200的管道在大于0.7m/s的流速范围内临界管线俯角都大于1°，DN1400的管道在大于0.75m/s的流速范围内临界管线俯角都大于1°，DN1600的管道在大于0.8m/s的流速范围内临界管线俯角都大于1°，DN1800的管道在大于0.85m/s的流速范围内临界管线俯角都大于1°，DN2000的管道在大于0.9m/s的流速范围内临界管线俯角都大于1°。

4 管道安装及设计问题分析

4.1 管道曲线安装

球墨铸铁管作为输配水管线的常用管材，规范[16]中对曲线安装的管道接口允许转角做出了规定，应符合表1的要求。通常情况下在管道纵向需要调整高程的地点设计都采用11.25°、22.5°、30°、45°标准弯头，而对于仅需要略微调整的小角度，施工时就会利用规范中允许的转角来进行微调施工，如图4所示。设计人员设计时通常会对规范中允许转角进行修正提出设计要求，通常是规范允许转角的一半。

表1 沿曲线安装接口的允许转角

图4 转角微调施工图

4.2 曲线安装形成气囊的可能性

结合临界管线俯角计算分析结果和实际工程设计施工当中管道曲线安装的情况，可以分析出如果管线曲线安装将会形成气囊的可能性及范围，见表2。输配水管线工程设计通常会将管道流速控制在1m/s。在坡向向下的管段利用借转角度缓慢过度的时候所有竖向俯角小于临界管线俯角的管道中都会聚集气体，通常管道长度为6m，可以计算出气囊可能形成管道长度。

表2 曲线安装形成气囊的可能性

从表2中可以发现，在同等流速情况下，因为小管径管道所要求的临界管线俯角很大，所以如果采取小角度借转安装管道的话，管径越小，可能产生气体聚集的管段就可能越长。如果施工或设计当中采用不设置标准弯头的话，肯有可能会导致在顺水流方向的管道下坡段形成气囊。实际管线安装时有可能存在以下几种情况：①气体在坡度突变点无法继续移动，如图5所示；②气体可以一直向下游继续移动，如图6所示；③气体无法从高点向下游继续移动，但在下游聚集的气体无法排除如图7所示。

图5 第①种情况示意图

图6 第②种情况示意图

图7 第③种情况示意图

5 结论及建议

(1)为了让气体从高点排气阀处排除，同时限制其向坡向向下的管段移动，建议在高点排气阀后就采用角度大于临界管线俯角的标准弯头。管径越小就越有必要采取这种措施，小于等于DN100推荐值为22.5°，大于等于DN200推荐值为11.25°。如图7所示。

(2)在气体从高点排气阀处完全排除，但气体可以在管道安装角度小于管线临界俯角的管道中随水体顺利流向下游的情况，如果小于临界管线坡度的管道距离较长，建议增设排气阀。如图6所示。

(3)为了避免在坡向向下的管道中聚集气体且气体无法顺利排到下游排气阀处，应避免在坡向向下管道由小于临界坡度突变为大于临界坡度，如果有突变段，应在突变处设置排气阀。如图5、7所示。

给水管道的工程管道设计中往往无视了流速和管道坡度双重因素对气体运动的影响而只在高点处设置排气阀，本文的结论对给水工程管道设计人员具有指导意义。同时对施工人员也给出了施工要求，施工质量决定着管道运行的安全性。