不同因素对含气水流输水管道泄漏量的影响

李东来

(辽宁省石佛寺水库管理局有限责任公司，辽宁 沈阳 110055)

1 材料与方法

1.1 试验装置

此次研究以大伙房输水工程为依托，着眼于有压管道流，在试验装置的设计和制作过程中尽可能模拟工程实际，提高试验研究结果与实际工程的契合性，以获得科学、准确的研究成果。

试验装置的供水系统主要由水泵、水箱、管道、电动调节阀、止回阀、电磁阀、球阀等部分组成。其中，水箱是连接管路首、末两端的过渡装置，其容积略大于管道和稳压罐体积之和。此次试验中水箱为容积2.5 m3的长方体水箱，由厚度5 mm的钢板焊接而成。水泵是管道水流运动的能量提供装置[1]，经过比选，采用的是上海佳福ISG80-125型水泵，其扬程为20 m，额定流量为50 m3/s。基于此次研究的需要，管道需要方便观察和拍摄，同时要具有一定的承压能力，因此选用有机玻璃材质的管道，管道的内径为90 mm，管壁厚度为10 mm。整个试验装置采用圆环式回转管道布置，可以节省试验场地，增加管道长度[2]。此次试验中管道回转一次，总长度为45 m。在管道的首端和末端均设置电动调节阀，在中段和后段设置电磁阀，其余管路调节阀采用手动球阀。

试验装置的供气系统主要由空气压缩机、空气滤清器、调压阀、转子流量计、逆止阀等部分组成。其中，空气压缩机为台湾捷豹V-0.6/8型，其公称流量为0.6 m3/min，额定压力为0.8 MPa。系统的气流量变化利用调压阀进行调解，计量由竖直放置的转子流量计实现，其量程为1～10 m3/h，精度为0.2 m3/h。

1.2 研究方法

由于停泵、关阀、初通水、检修、空气阀排气不畅等原因常会使输水管道处于气水两相流状态，而两相间的相互作用较于单相流来说更为复杂，气水两相流在正常运行时会引发输水管道的剧烈振动，输水管道各节点的压力会突然增大然后衰减，对输水管道的安全运行带来危害。此次研究利用模型试验的方法对比分析了不同初始含气率、不同泄漏位置、不同泄漏量等因素对阀门末端压力的影响。在试验过程中，水由水泵从水箱抽出，并经过电动调节阀调节流量[3]；空气则由空气压缩机压缩之后存入气罐，经过调压阀和转子流量计之后进入管道[4]。管道中的水流量测量采用的是大连海峰 TDS-100P 型便携式超声波流量计，采用传播时间差法进行测量，其参数精度为1%。试验中的数据利用Advantech公司的USB-4711A数据采集卡和电脑连接实现数据的自动采集和存储。

1.3 试验方案

根据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》(CECS 193—2005)中的相关规定，输水管道中的水流速度应在3.0 m/s以内。结合此次试验中试验装置的参数，流速控制在2.0 m3/s不变，将含气率、泄漏位置和泄漏孔的大小作为试验变量。结合工程经验和相关研究成果，设置0.010、0.005和0.001等三种不同的含气率；设置上、中、下三个不同的泄漏位置，其与上游水箱的距离分别为10 m、25 m和40 m；设置5 mm、6 mm和7 mm等三种不同直径的泄漏孔进行试验。为了减少成本和时间投入，在试验研究过程中保持两个变量不变，研究第三个变量对管道泄漏量的影响，每种试验方案进行三次试验，以其均值作为最终的试验结果。其中，泄漏量占比为泄漏水量占管道总输水量的百分比。

2 结果与讨论

2.1 含气率

在试验中保持泄漏位置在管道中部，管道的泄漏孔大小为6 mm不变，对不同含气率方案下的泄漏量进行试验，根据试验结果统计计算出具体的泄漏量，结果如表1所示。由表中的试验结果可以看出，在含气管道的泄漏位置和泄漏孔大小保持不变的情况下，改变管道的初始含气率，在阀门突然关闭发生泄漏水击的情况下，泄漏量会随着含气量的增大而减小，但是平均泄漏量和水流量的泄漏比并没有比较明显的规律。

表1 不同含气率方案泄漏量试验结果

2.2 泄漏位置

在试验中保持管道含气率0.001、管道的泄漏孔大小为6 mm不变，对不同泄漏位置方案下的泄漏量进行试验，根据试验结果统计计算出具体的泄漏量，结果如表2所示。由表中的试验结果可以看出，在含气管道的初始含气率和泄漏孔大小保持不变的情况下，泄漏位置越靠近上游，其泄漏量就越大，而泄流位置与上游的距离越大，其泄漏量就越小。当然，在泄漏量数据的采集过程中，会有少量的水在瞬变水击过程中溅出，因此试验结果存在少量的误差，但是不会对试验结果呈现的规律造成影响。

表2 不同泄漏位置方案泄漏量试验结果

2.3 泄漏孔大小

在试验中保持管道含气率0.001、泄漏位置位于管道中部不变，对不同泄漏孔大小方案下的泄漏量进行试验，根据试验结果统计计算出具体的泄漏量参数，结果如表3所示。由表中的试验结果可以看出，在含气管道的初始含气率和泄漏孔位置保持不变的情况下，随着泄漏孔直径的增大，管道的泄漏量也呈现出明显增大的变化特点。但是，随着泄漏孔直径的增大，泄漏量的增大速率逐步趋缓。此外，由于管道的泄漏孔属于人为钻孔，其大小存在一定的误差，但是试验结果的误差在允许范围之内，不会对试验结果呈现的规律造成显著影响。

表3 不同泄漏孔大小方案泄漏量试验结果

3 结 论

此次研究利用物理模型试验的方式，对含气管瞬变流特征进行了试验研究，分析了不同因素在泄漏水击作用下对管道泄漏特征的影响。结果显示，阀门突然关闭发生泄漏水击的情况下，管道泄漏量会随着含气量的增大而减小，但是平均泄漏量和水流量的泄漏比并没有比较明显的规律；泄漏位置越靠近上游，其泄漏量就越大；随着泄漏孔直径的增大，管道的泄漏量也呈现出明显增大的变化特点，但是，随着泄漏孔直径的增大，泄漏量的增大速率逐步趋缓。当然，本文试验中压力传感器的精度以及噪声、管道振动等问题，会产生较高的误报警率，因此在试验数据采集过程中会产生较大误差。在今后的研究中应该采取必要的技术措施，降低管道的误报警率以及提高信号采集精度，进一步提高研究结果的科学性和准确性。