大口径蝶阀在水库引水中的应用经验探讨

尹成志

(新疆吐鲁番市高昌区煤窑沟水库建设管理局，新疆 吐鲁番 838000)

1 概况

采用蝶阀作为控制设备，是管道工程普遍采用的一种方法。蝶阀是关闭和调节流体通道的一种阀门，主要是用圆形板件作启闭件，90度往复回转来实现阀门的开启与关闭，其优点是结构简单、重量轻、体积小、耗材少、投资小等特点；在大口径阀门中性价比较高；缺点是流量调节范围不大，当开启达40%时，可进流量95%以上，难以实现流量的精确调节；开度45%以下时，流阻和气蚀明显增加。由于蝶阀密封材料的限制导致结构的不同，在高温，高压的管路系统中，不适宜用此蝶阀，通常在300℃以及40 MPa庄力下可以正常的工作。目前，在轻工、冶金、电力、油化工系统的煤气管道及水道等方面，蝶阀的使用率很大。

某水库工程总库容980万 m3，其中防洪库容200万 m3，兴利库容580万 m3，死库容200万 m3，引水涵洞设计为竖井式引水涵洞，整个涵洞由进口段、闸前洞身段、闸井段、闸后洞身段、分水站房、消力池组成，涵洞采用外包钢筋混凝土的DN1800钢管，设计最大水头38.9 m，设计流量12 m3/s。引水涵洞出口控制部分采用DN1800手电两用中心型蝶阀，其后采用DN1800波纹式补偿器连接5 m短管，末端转90后向下进入深井式消力池，最后进入渠道。

该水库所在河流属内陆区艾丁湖水系的一条山溪性小河沟，水库位于出山口附近，流域平均坡度61.7‰，河长46 km，水库以上控制面积为481 km2，流域平均高程2 664 m，其多年平均年径流量约0.808 1×108m3，最大年径流量为1.212×108m3，最小年径流量为0.450 6×108m3，年径流量变差系数Cv在0.20～0.23之间。河流主要由冰雪融水和夏季降雨补给，其中，降雨补给占77.3%，冰雪融水补给占12.3%，地下水补给量占10.4%。6-9月径流量占年水量的80.4%。河流流经低山丘陵区时，河水渗漏严重，部分水量迅速转化为地下水。河流实测最大流量为494 m3/s(1969年6月26日)。洪水时空分布很不均匀，主要为山区暴雨引发洪水。山洪来势凶猛，夹杂着大量泥沙和漂浮物，倾泻而下，水面流速可达7 m/s,洪水过程陡涨陡落、历时较短、洪量不大、泥沙含量较大的特性。

河洪水成因：(1)山区降雨特别是高中山区大降雨形成的暴雨洪水；洪水特点是具有突发性，一般为独立的峰形，无明显的日变化，洪水过程陡涨陡落，峰高量小，历时较短，多发生在6-7月份。(2)随着气温逐渐上升冰川以及积雪融化，形成消融洪水；洪水过程具有明显的日变化，与升温过程关系密切，洪水历时较长，峰不大，涨落平缓。(3)气温上升，加之大降雨形成暴雨，形成降水冰雪融水即混合性洪水。洪水特征具有明显的日变化，洪水前期有数日高温天气，出现融(冰)雪洪水，后期遇降水天气，从而形成洪水。河流洪水一般出现在6-8月份。各种频率下的设计洪峰流量和各时段洪量值，其0.1%频率的设计洪峰流量为933 m3/s，2%频率的设计洪峰流量为466 m3/s(如图1所示)。

图1 水库设计洪水过程线图

该水库主要向农业供水，典型年3月下旬至11月中旬为供水期。其中3月下旬至6月下旬、10-11月中旬DN1800蝶阀供水流量为0.3～4 m3/s，对应开度为0～20%，累计146 d；7-9月DN1800蝶阀供水流量为4～9 m3/s，对应开度为20%～25%，累计92 d。6-8月为该水库主汛期，每当50 m3/s以上的洪水来临，都会携带大量树干、树枝和树叶等杂物，虽然进水口设置有0.5 m*0.15 m净空的水平拦污栅，仍然免不了洪水中杂物进入引水涵洞(如图2所示)。

图2 DN1800蝶阀特征曲线图

2 出现的问题

在引水涵洞供水期间，DN1800蝶阀主要供水流量在0～4 m3/s，开度0～20%，正常使用半年中，DN1800蝶阀和配套波纹式补偿器均存在较严重的振动现象。后期DN1800蝶阀出现故障，无法正常操作；补偿器底部外层连接焊缝出现长32 cm开裂漏水，经测量后估算，最大漏水量约11 L/s，分水站房内形成1.2 m深的积水，采用水泵抽出，避免了分水站房机电设备遭受积水浸泡的严重后果，但蝶阀和配套波纹式补偿器故障也严重影响了水库供水工作。经联系供货人，将扇形齿轮、涡轮杆、电机等设备拆卸带回厂进行维修检查后，认为使用频率较高，闭门力过大造成涡轮杆齿轮变形，并且与扇形齿轮间隙较大，极易在全闭时造成跳齿现象(如图3所示)。

图3 DN1800蝶阀现场

3 原因分析

(1)管道末端蝶阀全开时，复核计算过阀流速约10 m/s，远超蝶阀安全限制流速5 m/s，也超出电驱动装置设计驱动力矩，致使蝶阀失控；现有DN1800 波纹管伸缩节，由于复合金属层破坏，补焊后金属疲劳强度难以保证，复合层修复技术复杂，周期长综合费效比高，且由于功能构造所限，流道不畅，高速水流易在波纹皱壁处形成局部气蚀。

(2)洪水入库造成水位迅速上涨，此时水库也开始加大供水，竖井进水口会形成漩涡，洪水中携带的大量树干树枝等杂物，尤其是其中有的较长的树干，在漩涡旋转力作用下，原本水平的树干逐渐发生竖向倾斜并随着漩涡方向运动，最终进入引水涵洞。加之DN1800蝶阀开度较小，导致树干树枝等杂物卡在DN1800蝶阀阀板和阀体之间的间隙中，造成阀门调节开度时受阻严重不能关闭，改为手动操作阀门后，导致阀件损坏、操作失效。工程示例中，该水库曾清理出卡阻在DN1800蝶阀阀板和阀体之间、长3 m的树干，以及长1.2 m的短木和其他杂物。

(3)根据相关分析研究，在全开至半开(开度为100%～45%)状态下，大口径蝶阀过流性能较好。尤其是开度为66%以上时，流体流动随开度增大稳定性逐渐增强，阀板受力越均匀，流动扰动随之减少。在阀门为半开(开度为45%)以及水流速度1 m/s条件下，阀板前、后分别形成了典型的高压区、低压区，阀板前后这种较大的压力差会造成阀板整体受力不均匀；阀板和阀体之间的过流区水流，随着流速逐渐变大，速度梯度也相应的变大，管壁受力也变大，在阀板下游面低压区，加剧了流体从上方向下分流，部分流体从下方向上分流，极易形成旋涡现象；在水流速度3 m/s状态下，较水流速度1 m/s状态下的受力区域大差别较大，但压力分布基本一致，蝶阀半开(开度45%)时，阀板受到的压力场相对稳定；高速场与低速场形态一致条件下，蝶阀阀板下游面的涡流区向外扩张明显，阀板周围的流程出现紊乱，阀板下游面的涡流区也变得更多、更清晰。阀板开度(开度为10%)时，流速分别在1 m/s和3 m/s状态下，阀门开度较小，阀板上、下游面形成明显的高压区和低压区，阀板受力较大，承受了较大冲击；流速在1 m/s和3 m/s下，阀门开度越小，阀板下游面越容易形成涡流区，流速越大时，涡流区也相应变大，阀板下游面就越容易形成涡流区，对阀门的正常运行产生较大的影响。因此，蝶阀开度小于45%状态下，随着流速的增大，阀板下游面更容易形成漩涡区，水流在通过狭窄截面时产生的作用力也就越大，对阀壁冲击更大，严重时会造成阀门不能正常运转甚至损坏的情况。阀板开度小于33%时，流阻增大，能量损失也越大，不适宜蝶阀工作。

该水库DN1800蝶阀选型较大，根据其流量特征曲线，最大过流达到32 m3/s，设计流量12 m3/s仅运行在开度45%以下，并且长期在开度30%以下工作，因此造成了严重的振动现象直至不能运行，同时也导致了下游伸缩节损坏漏水，对水库供水产生了严重影响。

4 问题处理

现有蝶阀及伸缩节损坏的情况，均符合高速水流破坏的特征。因此，对现有蝶阀、伸缩节进行修复节进行修复，或更换同类或更换同类阀组均不能解决高速水流引起的各类问题。为满足经常性调流需要，对市场活塞阀、锥形阀、套筒式多喷孔和淹没式多喷孔等进行了对比(详见表1)。

表1 设备对比

根据以上设备的对比，活塞阀和固定锥形阀运用工况满足该水库要求，其中固定锥形阀要求拆除的建筑物较多，综合投资较大，工期较长，因此选择结构尺寸较小的活塞阀。按本工程供水需求计算，初拟活塞式流量调节阀公称通径DN1400 mm，最大过阀流速约7.5 m/s，低于活塞阀安全控制流速9 m/s，阀前钢管流速降低至约4.5 m/s，有利于钢管长期可靠运行；依据水库调度运行情况，水位变化情况，综合考虑工业及灌溉引水涵洞流程，体型等因素造成的沿程阻力，叠加阀门关闭时产生的水击压力，初拟活塞式流量调节阀公称压力等级为DN0.6 MPa，阀体耐压强度不低于0.9 MPa，密封压力不低于0.72 MPa。

本工程钢制管道较短，阀室基础坚实，沉降可能性不大，伸缩节仅用于补偿阀门安装时的尺寸误差，无角变位补偿功能需要。为平顺水流，将阀后钢管段与阀组连成刚性整体，我院推荐伸缩节型式由波纹管更换为传力型套筒伸缩节。公称通径及公称压力等级均与活塞式流量调节阀匹配。该水库将DN1800蝶阀更换为DN1400活塞阀，将伸缩节安装在阀前，并在阀后60 cm处设置两根DN300的补气钢管。在阀前DN1800管道上方增设DN600的人孔，配合检修闸门操作，进行阀前杂物清理。工程实例中，该水库至少每年打开人孔对其中杂物进行清理一次。现有DN1800 钢管通过变径管与新购置的DN1400 活塞式流量调节阀连接。变径管为双法兰结构，工厂制造，减少现场施工难度，保证法兰焊接质量。活塞式流量调节阀招标后，待我院复核该阀外形尺寸后，如满足现有阀室安装尺寸，则保留现有蝶阀上游侧法兰，变径管直接与现有法兰连接，进一步减少技改切割与焊接工程量。阀室出口DN1800 钢管维持现状，其内部套装DN1400 短钢管，与活塞式流量调节阀连接，将水流导出至引水渠。增设活塞式流量调节阀后补气管，以减轻阀后紊流对钢管的气蚀和磨蚀，延长钢管使用寿命。阀室内现有各支墩维持现状，并依据新购置活塞式流量调节阀支撑位置增加相应高度，铺设钢板，与活塞式流量调节阀采用滑动连接，支墩仅承受阀体自重，不对阀门做轴向限位。活塞式流量调节阀关闭挡水时，产生的水推力经由上游侧钢管传至镇墩承担。

5 结语

通过以上技术改造后，活塞阀运行平稳，再未出现阀件和伸缩节问题，保证了该水库大坝的安全和运行稳定，保证了水库供水安全，正常发挥供水效率。