低压输水管排气困难技术改造

安儒海 屈卫泉 郭林水 郝士朝

（1.北方工程设计研究院有限公司，石家庄 050000；2.石家庄高新技术产业开发区供水排水公司，石家庄 050000）

引言

在给水工程中，输水管道排气是一个非常重要且复杂的问题，及时排除管道内气体对保证供水系统安全运行具有重要意义。本文针对北方某水厂厂区内128米长、口径DN1400原水输水管实际运行情况，分析该管段积气的形成原因，给出解决排除管道积气的有效方法，并对工程实践经验进行总结、分析。

1.工程概况

北方某水厂原设计规模5万m³/d，南水北调工程建成通水后企业关闭自备井，用水量激增，在老厂区的基础上进行升级改造，并扩容至15万m³/d，该项目用地紧张，设计时尽最大可能使土地利用率最大化。厂区前端设计有事故缓冲池，兼有预氧化功能，事故缓冲池出水设计水位标高70.30m，为充分利用水池容积，采用堰后渠道出水，用一根DN1400钢管从渠底引水至配水井，DN1400管道全长128m，水平埋地敷设，埋地敷设管中心标高62.55m，管道布置呈“U”型，如图1所示。DN1400输水管分两路DN1000管进入配水井，配水井控制水位标高69.80，DN1400管与DN1000管采用管中心对接，水平输水管内最大工作压力约为0.075MPa。

图1 断面示意图

本工程建成后通水运行，在运行过程中连通事故缓冲池与配水井的DN1400输水管水平管段内积气严重，形成气囊，管道内出现严重的气爆及管道振动，在管道末端地面上，能听见的管道内气爆声音；站在管道正上方，能明显感到管道的振动传至地面；最严重的情形出现在DN1000管的出口位置，气囊在水压作用下越过DN1400与DN1000管道交界面后进入DN1000管道，瞬间从管口喷出，气流带动冲起水柱高度高出配水井地面约1.0m，DN1000管道出口正上方有活动镀锌钢格板，每块钢格板约60 kg，水柱能把钢格板顶起约0.5m高后落入配水井中，此现象周期性重复出现，存在严重安全隐患。

2.积气原因分析及其危害

2.1 管道积气分析

本工程设计规模15万m³/d，投产初期冬季供水量7万m³/d左右，夏季供水量10万m³/d左右，低峰供水量不足设计规模的50%，整个生产工序处于低负荷运行状态，使运行工艺存在如下情况：

（1）事故缓冲池出水设堰稳定出水水位，出水堰顶标高70.70m，堰长7.10m，满负荷运行时堰上水头0.26m。配水井控制水位标高69.80m，经计算事故缓冲池至配水井管段总水头损失0.49，则事故缓冲池出水渠水位标高70.29m，堰跌落高度0.41m。水流跌落过程中，有跌水曝气的作用，携带部分空气进入水流，溶解到水中，随水流带走。低负荷运行时，堰上水头0.15m，跌落过程中形成较薄水层，跌水高度达0.70m，加大了跌水曝气吸入的空气量。

（2）事故缓冲池出水渠板底标高68.50m，满负荷运行时出水渠水位标高70.29m，出水渠通过一根埋地DN1400管连通至配水井，事故缓冲池出水渠管口淹没深度为1.80m，设计管道流速1.18m/s，埋地DN1400钢管管中心标高62.55m。水流通过管道从70.29m标高的自然液面跌下至62.55m，下落高度7.74m，水流重力下落过程中沿管壁做加速运动，水流速度势必大于1.18m/s，随着水流下降流速的增加，水流所受的管壁摩擦力也随之增加，当水流所受向上摩擦力与重力达到平衡时，下降水流速度才能保持不变。在低负荷运行时，出水口淹没深度约1.50m，在出水渠管口处，水流沿管壁作下落运动，形成有一定厚度的带有横向隔膜的附壁环状水膜流或水塞流，在管中心处形成离心漩涡，管口淹没深度不足以克服漩涡形成的离心作用力时，漩涡通向液面吸入空气。在向下运动过程中隔膜下部管内压力不断增加，压力达到一定值时，管内气体将横向隔膜冲破，管内气压恢复正常[1]。在连续水流下降过程中，又形成新的横向隔膜，横向隔膜的形成与破坏交替进行。在频繁的交替运行过程中，水中掺入了大量空气，随水流进入水平管道。

（3）上述两种情形吸入的空气进入水平管段，溶解的气体从水中释放出来与漩涡直接吸入的空气在管顶聚集，末端DN1400管接DN1000管采用管中心对接，管道中的气体不能顺利排出，被水流分割成较大的分散气囊，这些气囊因水流挟带向前运动，再次聚集、分裂，引起水流速度变化和管道中压力急剧升降。管道中的气囊在DN1400管道末端不能及时排除，处于被压缩状态，这种气囊极不稳定，不断分散、聚集，突快突慢，碰撞急停，引起水流速度发生急剧变化。气囊运动引起局部水流变化一般难以预料和控制，往往达到每秒数米流速，产生的局部水锤[2]。

2.2 管道积气危害

管道憋气运行，就出现前述的管道气爆、水击和振动现象，在DN1400管道末端尤为明显，长期运行可能导致管道失稳，导致管道焊口裂缝、仪表、阀门等松动现象。气囊在管道末端越积越多，达到一定体积后，在瞬间高水压的推动下，越过DN1400与DN1000管道交界面，以较大流速进入DN1000管道，瞬间从管口喷出，出现前述水柱顶起钢格板的现象。

管道运行一段时间后，管道顶部积存气体不能及时排除，减少水流断面，增加了局部水流阻力，严重时可能截断水流，造成管道运行困难。目前，埋地钢管大多采用内外防腐的成品管，在水击的反复作用下，导致成品管的防腐层脱落，失去防腐功能；在局部水锤作用下，管道出现“气蚀现象”，长期反复锤击，防腐层和钢管内壁出现蜂窝状小孔，加速管道锈蚀，缩短管道使用寿命；管道内壁锈蚀，污染输水水质，导致输水管道二次污染。

进入配水井的两根DN1000管道上设有电磁流量计，正常情况下水中溶解空气释放和形成的气泡较少，约占体积的2%，吸附在管道顶部，对流量计不会产生较大影响，但大量气泡聚集在管道上部，压缩了水流通道截面，使水流通道截面积变小，水流速度增大，尤其是较大气囊通过时，截面积瞬间变小，使流量计测量值由异常大到异常小或出现负测量值[3]，测量值出现较大误差，给工艺运行带来困扰。

3.解决方案

为了解决积气产生的上述问题，需要快速、及时排除管道顶部聚集的空气，首先想到的方法是在管道上安装排气阀。本工程DN1400管末端综合管线复杂，不具备增设排气阀的条件，选择距离沿水流方向第一个三通3.0m处设置一个排气阀，在水平管段起端设置另一个排气阀，如图1所示。

3.1 排气阀选择

浮球（筒）式排气阀：较早生产的进排气阀，排气最大压力一般不超过0.08MPa，浮球式排气阀的浮力较小，排完第一段气体后水就把浮球托起，第二段气体带有压力，气体对浮球的托力等于排气口面积乘以管道内压力[4]，按此方法计算的浮球托力一般都大于浮球重力，即浮球不再落下自行排气，则仅能排出第一段气体，不能连续排气，常用于管道首次充水或事故检修后充水排气。

气缸式排气阀：是用浮筒杠杆等控制气缸内气动膜片动作，控制阀体排气口启动，根据气缸原理制成的一种进排气阀。能排出多段水柱、气柱相间气体，有压无压气体均可排出，能起到防止管道出现水锤、气爆的作用。

复合式排气阀：是在浮球（筒）式排气阀的基础上组合改进而成，气、水分离盘设计采用特殊结构，只排气、不排水。当空管注水时，排气阀塞头位于开启位置，大量排气，直至排完气体，浮力传动塞头关闭；当运行管道过程中，少量空气聚集在阀体内至一定程度，阀内水位下降，浮球随之下降，空气由小孔排出。该阀性能可靠，可快速排出管道中的大量气体及系统运行中的少量气体。只要管道内有压力，排气阀就能连续不断的把积存的气体快速排出。

本工程改造时要求不能停止运行，采用如下安装方法：在DN1400管顶焊接一个DN150的法兰盘短管，焊接完成后在法兰盘段安装一个DN150闸阀，闸阀全开，通过闸阀中心向下固定DN125的开孔器，在DN1400管顶开孔，成孔后关闭闸阀，在闸阀上法兰安装排气阀。首先选择2个DN150双孔口高速复合式排气阀，起端的排气阀运行效果较好，能排出初期积存的少量气体；下游排气阀排气量偏小，排气效果不佳，偶尔瞬间可排出一股气体，且运行一段时间后易被气水泡沫中的浮渣堵塞而丧失排气功能，排气阀清洗维护工作量较大，但安装排气阀后，管道气爆、振动现象改善甚微，DN1000管道出口喷水现象未完全消除。再次更换气缸式排气阀，运行一段时间，同样效果甚微。

结合工程具体条件分析：现状DN1400输水管水平敷设，无管道最高点，排气阀也就不具备安装在管道最高点的条件，条件限制未设置在管道末端，加之排气阀排气量较小，而管道内形成的气囊较大且气泡较多，排气阀不瞬间排出大量有压气体，未来得及排出的气体被水流向前推进，在管道末端聚集。气囊在水压作用下在管道内再次分裂、聚集且随水流鼓动而运动，当气囊往回运动至排气口时，则能被排气阀排出，但大部分气囊还是聚集在管道末端。针对此种情况，需要瞬间排出大量过流有压气体，目前市场上的排气阀很难达到这样的效果。

3.2 常压排气装置

针对排气阀排气量小，不能瞬间排出大量气体的情况，开发了常压排气装置。拆除原闸阀上端的排气阀，在闸阀的上法兰安装定制的橡胶软连接变径DN150×DN500，变径的DN500端通过法兰连接DN500一根成品钢管与大气相通；在管底安装一个DN65泄水阀，末端设快接卡盘，可重力泄水，也可接移动泵快速泄水，如图2所示。DN500钢管高8米，钢管管顶标高72.00m，高于事故缓冲池最高水位标高70.96m。为防止雨水、飞鸟及空气中的灰尘落入DN500钢管内，在管顶安装一个不锈钢风帽。为使高耸的钢管与周围环境相协调，在钢管顶部做一个圆环球，在地面上种植爬山虎或其它藤蔓植物爬上圆环球，最终形成一个绿植圆球，融入周围环境中，即解决了管道排气问题，也起到美化环境的景观效果，如图3所示。

图2 常压排气装置

图3 改造实景图

3.3 改造效果

安装完成后打开闸阀，DN1400管道内与大气相通，管道中的有压或无压气囊、气泡划过排气口时，瞬间上溢进入DN500的排气管中，有压气体从DN150管进入DN500钢管，断面突然增大，释放有压气体能量，形成自然气泡上浮至自然液面，释放至大气中。改造完成后管道内无气爆、水击现象，管道也无振动现象；配水井出水口水面稳定，无瞬间喷水现象；DN1000管道上的电磁流量计生成计量曲线平稳，在正常误差范围内。

每周或十天关闭下端闸阀，打开泄水阀，排除管道内存水，管道内的浮渣通过泄水管一并排除，重复一至两次操作，清洗干净排气管道，关闭泄水阀，打开闸阀恢复运行。此方法不像传统排气维护操作复杂、需要定期巡视，检查排气阀是否正常工作；常压排气装置维护操作简单易行，投入使用后一劳永逸，不再担心出现排气阀故障不排气的事故了。经过长期运行实践表明，采用常压排气装置对输水管进行排气改造后，给水系统运行稳定，保障输水管道安全运行，保障生产工艺稳定运行。

4.结语

根据本次工程经验及观测情况，改造后排气管内水面无剧烈波动情况，因此释放压力的排气管可适当减小，可改为DN300，具体规格大小根据输水管管径及运行工况研究决定。输水管顶部开孔孔径取经计算的排气阀口径，一般取输水管直径的1/5～1/8为开孔孔径[5]。排气管管顶标高应高于上游水位（压）标高1.2～1.5m，确保气囊压力释放时管顶不溢水。以上工程经验在另一项目的泵站吸水母管上得到充分应用，该泵站吸水母管上的排气阀频繁失灵，经常维护或更换，排气不畅导致启泵困难或启泵后水泵运行不稳定，采用常压排气装置后得到完美解决，再无吸水母管积气的情况出现。

输水管道改造工程投入使用后运行良好，常压排气装置给水厂安全稳定运行提供了强有力保障，该装置简单易行且非常有效，给解决低压（建议水压≤0.1MPa）输水管道类似的工程问题提供新思路、新方法。