上海申弘閥門有限公司
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1.城市輸水管線排氣閥改造方案工程概況本工程案例為某廠的輸水管線的改造。該廠的用水取自湘江，從江邊取水泵房到凈化站新鋪設一條DN500的供水管道，從凈化站到二次加壓泵房，二次加壓泵房到生產區新鋪設兩條DN500的供水管道，總長度約為3km。本次改造地形起伏多，輸水管線要穿越整個生活區，隨著生產規模的不斷發展，對供水系統的安全性要求越來越高，難度比較大。管網設計與改造是市政供水工程與排水工程的重要組成部分,直接關系到整個工程的質量。以某縣城供水工程為例,介紹該供水工程輸水管線的設計,以及配水管網的改造。輸水管線布置包括排氣閥、泄水管、泄水閥和檢修閥等的布置,配水管布置包括閥門和消火栓布置;輸水管線設計工程的工程量較配水管網改造工程的工程量更大。該供水工程的管網設計與改造結果可供同類工程參考。
2.故障分析改造項目情況比較復雜，為做好施工圖設計我設計人員先后二次到現場進行踏勘，一是查看現場情況確定輸水管線的走向;二是聽取廠里動力處的同志匯報舊輸水管線在使用過程中出現的問題和對本次改造的意見，其中有一點引起了我的高度重視，近幾年管道爆管現象頻繁發生，平均一個多月爆一次管，嚴重影響了正常的生產。我到的前一天就有一處管道爆管，全廠停水搶修，我要求到現場看了一下，管材為鑄鐵管，管徑為DN300，爆管現象為承口處裂縫長1m，發生在二次加壓泵房加壓泵由小泵運行換大泵時。動力處的同志說一周前還爆過一次管，上次爆管和這次情況相似，發生在全廠停車檢修完畢開泵送水時。輸水管線上的排氣閥，年久失修，沒有及時更換已失去排氣功能，通過對爆管時間和現象的分析，我認為是管道排氣不暢，管道內有大量氣囊存在，引發啟泵水錘是爆管的主要原因。
二次加壓泵房的水泵沒有變頻設備，直接啟動開啟速度太快，在大泵換小泵或剛啟泵時，幾秒鐘內水泵就能達到額定壓力和流量,管道內的壓力和流速急劇增大，氣體受壓縮后，體積變小，內壓升高，水泵口的壓力降低，流量增大，氣體的內壓升到一定程度后反膨脹，動量和沖量交替轉換，管道中引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現象，并以壓力波的形式在管道中傳遞，引起啟泵水錘，終導致爆管。水泵啟動時，管道內的流速遠高于設計流速，產生啟泵水錘的壓力可高達2MPa左右，遠高于試驗壓力，這種連續波動的動壓破壞力是靜壓的數倍，舊管道使用年限較長，強度降低，極易發生爆管。為了避免啟泵水錘引發的爆管現象再次發生，本次設計管道的排氣問題至關重要。
3.城市輸水管線排氣閥改造方案管道內氣體的來源、運行特點及其危害管道中存有氣體的情況很多，氣體來源主要有兩個方面：
1>管網起伏大，停泵或停水管道局部產生真空致使管道從排氣閥或高的用水點吸氣;
2>吸入水泵的天然水體，其溶解空氣的zui大體積含氣率約為2%(即水中含溶解性氣體約為20L/m3)，研究表明當壓力降低到某一值時水中溶解性氣體會以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流運行而聚積成大氣泡或大氣囊。在較長距離的輸管道中，由于設計流速一般不大，管道中的氣體多以氣囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，氣囊多存在于管道的凸起點;而在坡度小、較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨立的大氣囊形式分散存在。根據美國水錘專家馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管路在充水和運行過程中呈現六種氣液兩相流狀態。輸水管道充水排氣過程是相當復雜的，一般來說剛開始充水時管道流態多為層狀流、波狀流、段塞流或環狀流，排氣較為容易;后期則多呈段塞流、氣團流或泡沫流狀態，普通排氣裝置就很難排氣了。管道中存在的氣囊的大小、數量則取決于管道的復雜程度、管徑大小、充水的速度和方法、排氣措施等。
管網設計與改造是市政供水工程與排水工程的重要組成部分,直接關系到整個工程的質量。以某縣城供水工程為例,介紹該供水工程輸水管線的設計,以及配水管網的改造。輸水管線布置包括排氣閥、泄水管、泄水閥和檢修閥等的布置,配水管布置包括閥門和消火栓布置;輸水管線設計工程的工程量較配水管網改造工程的工程量更大。該供水工程的管網設計與改造結果可供同類工程參考。大量的工程實踐表明，管道中存氣囊隨水流動時，對長距離輸水管線帶來了很大危害，主要有以下兩個方面：
1>排氣不暢造成輸水管通水困難，水阻增大,流量達不到設計值。
坡度不是很大的輸水管在初次通水或檢修后再次通水,管道中水氣相間是必然的,如果排氣不暢，就造成了嚴重“氣堵”,氣排不出，水流不暢，充水極其困難，尤其是重力流，坡度較小,管徑較大時,更為嚴重。管道內有氣囊存在，氣阻增大，嚴重時形成“氣堵”，過水斷面減小，流量達不到設計值。管內空氣的來源：通水前或因事故停水排空后;進（吸）水管吸入空氣;吸水管密封不嚴吸入空氣;局部的負壓吸氣;溶解氣體析出等。來自進（吸）水口的空氣,起初都是細小的氣泡,在流動過程中,逐步積聚成大的氣囊,
2>排氣不暢造成通水及運行期間爆管,供水系統無法正常運行。管道中存在的氣囊隨水流動時由于管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，管道內流速的變化，極易造成氣囊兩端壓差改變，這種微小壓差變化對于不可壓縮的水來說不會有什么影響，但對于空氣來說影響是極大的，它能引起水流速度的變化和管道中壓力的急劇升降，造成水錘引發爆管。
4.排氣閥的類型排氣閥是輸水管道上的特殊產品,其性能差極大。目前國內常見的排氣閥按結構形式可分為2類，浮球式排氣閥(包括組合式、復合式、動力復合式)和氣缸式排氣閥。排氣閥是供水管道系統中*的輔助元件，是把管道中氣體及時排出系統之外的一種裝置。它起著提高管道使用效率，增加管道過水斷面，降低能耗和保護管道安全的重要作用。在城鎮供水管道系統中必須設置排氣閥。
4.1浮球式排氣閥浮球式排氣閥在其閥體內護筒上有一浮球，在閥體內無水時，浮球落入護筒，排氣口打開排氣，有水時，浮球浮起堵住排氣口，封住水流。該類型的排氣閥結構簡單，但有以下技術缺陷：
1>水氣相間時大排氣口僅能排出*段氣體,不能連續排氣。輸水管道坡度不大時，管道中大多是一段水一段氣的段塞流狀態，浮球式排氣閥的浮力僅幾公斤重，而排完*段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體即有壓力,假定壓力為0.2PMa，氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘管道內壓力,計算可得DN100排氣閥托球力約150kg，DN300排氣閥托球力約1400kg，故大排氣口不可能再自動開啟排氣，在段塞流狀態中失去排氣功能。
2>小排氣口徑一般為3～5mm，僅能微量排氣如果大排氣口性能不好,僅靠微孔排氣，對于大管徑輸水管是極危險的。
3>運行時長期不動作,浮球易因貼粘而失效。
4.2氣缸式排氣閥氣缸式排氣閥是利用浮筒杠桿等控制氣缸內氣動膜片動作，從而使閥體上大、小排氣口啟閉，是全壓高速排氣閥，該閥在任何壓力和水流狀態下，只要管路中的氣體進入排氣閥，排氣閥就開啟大、小排氣口排氣。當水進入排氣閥內，大、小排氣口即關閉,不漏水。或者說該閥能做到見氣即高速排出，見水即關閉，可連續多次的大量排氣。這類排氣閥結構上的主要特點是：大、小排氣口或僅大排氣口的有效排氣口徑不小于排氣閥公稱直徑的70%～80%，排氣口徑大，排氣速度快，且在任何情況下均可高速排氣。一般設計者在選擇排氣閥時是以排氣閥的公稱直徑計算排氣量的。氣缸式排氣閥則完滿足設計要求,真正起到防止管道出現水錘和爆管的作用。
5.排氣閥的選擇及安裝本工程輸水管線有壓力流、有重力流、有坡度大的、有坡度小的，管道內氣體的運行狀態比較復雜，應當選用一種排氣閥在任何狀態都能有效地排出管道內的氣體。經比較選用了氣缸式排氣閥。凈化站建在一山頭上，從江邊取水泵房到凈化站，管道長800m，壓力流，坡度大，在中間隆起點處安裝了排氣閥，為了能夠均勻分配進各處理構筑物的水量，在進凈化站前安裝了超聲波時差式流量計，如果管道中有大量氣囊,容易造成流量計測量超差或無法測量，所以在超聲波時差式流量計前大于10倍管徑處安裝了排氣閥，確保計量準確無誤。從凈化站到二次加壓泵房，管道長1600m，重力流，下山段坡度大，其它管道坡度較平坦，下山管道內的氣體能夠直接排入山上的清水池，山下坡度平坦的管道共在三處安裝了排氣閥，為了保護二次加壓泵房內的水泵，在進二次加壓泵房處的管道上安裝了排氣閥。
從二次加壓泵房到生產區，管道長600m，壓力流，坡度較平坦，在中間隆起點處安裝了排氣閥。輸水管線上共在6處安裝了排氣閥，能夠有效地排出管道內的氣體，確保了輸水管線不會管道內有氣體而出現問題。 排氣閥是長距離輸水管道安全的重要防護設備.通過對比分析傳統浮球式排氣閥和氣缸式恒速緩沖排氣閥的,指出傳統浮球式排氣閥普遍存在的技術缺陷,認為氣缸式恒速緩沖排氣閥的結構更合理.工程實證研究結果表明,氣缸式恒速緩沖排氣閥對于管道水錘防護具有重要意義.
6.結語由于輸水管道排氣順暢與否是其保證安全運行的zui重要指標，工程實踐證明，不裝或者所裝排氣閥性能不符合要求，都可能造成爆管,停水停產，造成一定程度的經濟損失。因此使用排氣性能良好的排氣閥并合理安裝是管路安全運行的關鍵。排氣閥要有良好的性能，尤其是當管道內氣體呈段塞流、氣團流時，不僅能快速地排出*個氣囊，而且能夠持續排出任何一個氣囊。即在一定壓力條件下，排氣閥必須做到閥體內充滿空氣就開啟大小排氣口排氣，水進入閥體，閥門就關閉而不排水。滿足上述要求的排氣閥，其大排氣口直徑不得小于公稱直徑的70%～80%，小排氣口直徑不限。投標廠商必須出示排氣閥通過自行或檢測機構檢驗合格的合格證。排氣閥口徑一般為主管道直徑的1/8～1/5。如果選用不帶緩閉的排氣閥時，好在一處安裝一大一小兩個排氣閥。如果選用帶有緩閉的排氣閥，僅在管頂處安裝一個即可。如果管道平坦，坡度≤D/1000時,應每隔0.5～1.0km安裝一個排氣閥。如果坡度≤D/100時,應每隔1.0～1.5km安裝一個排氣閥。坡度再大時,可考慮每隔1.5～3.0km安裝一個排氣閥。坡度≥D/10時,可考慮僅在高點處安裝排氣閥(D為管道直徑)。多起伏的管路,應在各高點處安裝排氣閥。按有關的規范和技術要求，科學地選擇排氣閥，對所選購的排氣閥進行性能測定試驗，以鑒定排氣閥的性能，合格后方可選用。
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