有压供水管道中气囊运动的危害与防护

杨玉思¹， 张世昌²，付林²?
（1.长安大学 环境工程学院，陕西西安 710061；2.宝鸡市自来水公司， 陕西宝鸡 721000）

　　摘　要： 分析了有压管道内气体的产生条件、运动特点以及气爆型水锤产生的机理，并就相应的防护措施进行了简要分析。
　　关键词：排气阀；水锤；气囊
　　中图分类号：TU991.39
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)09-0032-02

　　因管道排气不畅而造成的气囊运动及随之而来的压力振荡效应，轻者占据管道通水断面造成通水困难、增大水阻、增加电耗、加剧破坏作用；重者造成管道爆裂、供水中断。因此，如果能正确认识气囊在管道中的运动规律以及尽早预测其危害并合理采取措施，就可望使输水管道和城市管网爆管率下降。

1 管道中气体来源及存气条件

　　管道中存有气体的情况很多，如因突然停泵或快速关阀引起管道局部产生真空致使管道从注排气阀吸气，给水管网中支管水位阀自动开停，水泵叶轮中负压区的气体释放(这一点不容忽视)等。吸入水泵的天然水体，其溶解空气的最大体积含气率约为2%(即水中含溶解性气体约为20L/m³)，研究表明当压力降低到某一值时水中溶解性气体会以微小气泡的形式迅速析出，并随水流运行而聚积成大气泡或大气囊。
　　设计良好的管道系统所产生的气体应随水流经管道末端排出或通过管道的排气装置排出管道，从而避免管道事故的发生。就排气而言，设计良好的管道主要体现在两个方面：①管道排气顺畅、无存气条件；②如果有存气条件则装有性能良好的排气装置。常见的存气产生在管道中的凸起点、渐缩管、水平管段及较平坦的逆坡管段、减压孔板前、不全开的闸门等处。

2 气囊运动及其危害

　　在较长距离的输、配水管道中，由于设计流速一般不大，管道中的气体多以气囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，气囊多存在于管道的凸起点；而在坡度小、较平坦管道中，气体则以众多相互独立的大气囊形式分散存在。根据美国著名水锤专家马丁教授的研究理论，较平坦的供水管路在充水过程中呈现六种气液两相流状态(见图1)。

　　据气液两相流理论，管流分析可采用一维模型，其常用分析模型为均质流、分离流和漂移通量模型三种，其中均质流模型比较适用于段塞流、气团流和泡沫流，是对管道含气水锤分析的最主要流态。
　　供水管道充水排气过程是相当复杂的，一般来说刚开始充水时管道流态多为层状或波状流，排气较为容易；后期则多呈段塞流、气团流状态，普通排气装置就很难排气了。管道中存在的气囊的大小、数量则取决于管道的复杂程度、管径大小、充水的速度和方法等。
　　大量的工程实践表明，管道中存在的气囊随水流动时由于管坡、管壁粗糙度变化以及弯管、变径各类管道配件而分散聚合，极易造成气囊两端压差改变，这种微小压差变化对于不可压缩的水来说不会有什么影响，但对于空气来说影响是极大的。如著名的美国水锤专家V. L. Streeter 在其所著《瞬变流》(Hydraulic Transients)一书中介绍了一个算例：一条由水池接出的直径为1m、长度为61m的单一管道，水池水位为30m，距管道末端12m一段存有空气，管首端阀门在0.95s内打开，该管段开始时绝对压力为102kPa，在接近2.5s时压力猛增至绝对压力2331kPa，由此可见气囊运动所引起管道压力振荡的严重程度。

3 几种常见排气方式的优、缺点

3.1 排气竖井
　　在管道某一合适部位装一竖直管道，其高度高于该点的最高水压，此即为排气竖井。其优点是兼有注、排气作用且注、排气非常通畅，但一般建造成本高、维护管理困难，故工程上采用甚少。
3.2 手动排气阀
　　在管道中连接一个短管，管上装有手动闸阀，预计管道中有气体时开启，平时关闭。它的优点是简单、建造成本低，但它的作用非常有限，一般仅作为自动排气阀失效时的补充装置。给水管随地形敷设，即使地形比较平坦，其管内存气也呈多个气囊形式存在，故手动排气阀在排完一个气囊关闭后，管道中仍可能存在大量气体，因而一般较大管道不宜采用。
3.3 利用配水支管排气
　　城市配水管网的配水干管常利用用户支管作为辅助排气手段(有的甚至作为主要手段)，这些支管能否起到排气作用不仅取决于支管与主管的连接方式，还取决于用户支管末端的水流控制方式，因而其排气的可靠性是较难把握的。即使是从连接方式上使主管道气体能够流入支管，支管上的控制阀门如果突然启闭，也极易造成如美国水锤专家V.L. Streeter所述的高压力振荡状态，因此在用户状况不明的条件下利用支管排气是不太可靠的。
3.4 利用自动排气阀排气
　　输、配水管道利用自动排气阀排气是目前普遍使用的方法，也是最经济合理的方法。目前设计和选用排气阀存在的问题是：①平坦管道不设排气阀；②所选排气阀结构形式不合理。正确设计并选用排气阀应该注意：①排气阀的安装位置及间距；②排气阀的安装方式；③排气阀的合理口径(即排气阀的排气口径与主管道口径之比)；④排气阀的结构形式、性能、安全可靠性。
　　根据工程实践经验及有关资料，笔者认为：①在一般情况下平坦管道应每隔0.5～1.0km(一般管道每隔1.0～1.2km)设一处排气点；②陡坡管道必须在坡顶设排气点；③如仅在坡顶一处安装排气阀，则应装设带有缓闭装置的，如果不带缓闭装置的则应同时安装两台(即在管顶处装一小口径排气阀，侧上45°处装一大口径排气阀)；④排气阀口径为主管道直径的1/8～1/5；⑤尽量选用性能可靠，在多段水柱、气柱相间条件下能持续排气且带缓闭的排气阀。需要强调的是，上述观点仅适于一般管道参考，而对于特殊的如高扬程、特大管径、大起伏管线等还应经过专门的非稳定流计算后确定。如华北某大型输水管道，DN1000，管长为7.5km，静扬程为2.2MPa。经国内两家权威的水锤分析机构计算后，全管道上16处装有排气阀(每处安装大小两台，大的排气阀口径为200mm，小的为80mm)，运行结果表明该设计合理、具有足够的安全可靠性。

4 结语

　　研究有压管道内气体运动规律及气爆型水锤防护技术对保证大型供水管道的安全运行意义重大，然而气体在管道中的运动、滞留、积聚乃至排气过程的机理和准确的计算方法还有待进行深入研究。

参考文献：

　　［1］ 金维，姜乃昌，汪兴华.停泵水锤及其防护［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993.

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　　收稿日期：2002-03-19