土木工程畢業論文-輸水管道排氣閥的增設

一、前言輸水管道，主要指水源至淨水廠或淨水廠至配水管網的管道。由於輸水管道負擔全系統供水，且壓力較高，所以它的安全執行始終被從水部門和設計部門所重視。輸水管道常見的事故是爆管，引起爆管的原因主要有：溫度應力、管材質量、施工質量、地質構造和水錘等。管道中的氣囊雖然不能直接造成水錘，但可藉助水錘造成危害。本文就如何在輸水管道上設定排氣閥，避免氣體聚整合氣囊進行探討。二、例項及在地形起估地段，要求輸水管道的最高點設排氣閥，但實際執行中，許多爆管並未發生在高點或低點，而是發生在高點後的下彎管段，甚至低壓管道也發生此類爆管。黑龍江鶴崗的一段管道爆管就是一個典型的例子。鶴崗市屬低山丘陵區，淨水廠與送水泵站分建，二者相距5公里，淨化水靠重力流送至送水泵站，淨水廠清水池高程210m，送水泵站清水池高程185m，輸水管為DN800連續鑄鐵管，平均流速1.0m/s，泵站前500m有一高崗，高程185（見圖一），高崗的最高點有一排氣閥，但排氣閥後50m處，多次發生爆管事故，後來在爆管處加裝了一雙口排氣閥，幾年來，兩排氣閥間沒再爆管，只在新裝排氣閥後10m處發生過一次爆管。　從這個例子看，爆管與管中的氣體有關（安排氣閥後無爆管）。下面對管道中氣囊的形成過程和它的受力情況進行分析： 1.氣體的聚集及平衡在正常情況下，管道中的水流可近似地看成是恆定流（壓力、流速、溫度不變）。在這種狀態下，水中的氣體要逐漸地析出，形成大小不等的氣泡上升到管壁，氣泡按水流流速向前運動。在上坡段，由於浮力的作用，氣泡流速可能大於水流速。因管壁有一定粗糙度，各氣泡運動方向相同，很難聚整合大氣泡。小氣泡沿管壁一定寬度向前流動，經過最高點排氣閥時，排氣管直徑內的氣泡有條件排出，而其他氣泡靠水流的推力向下遊流去。由於管壁處的紊流和流速和切線特性，使一些經過排氣管的小氣泡越過排氣孔也向下游流去（見圖二）。越過排氣閥的氣泡順坡而行，運動方向與氣泡所受浮力的分力P1方向相反（見圖三），這個浮力合力產生的阻力，必然使氣泡運動的速度減慢，後序氣泡容易撞擊前面氣泡而全成大氣泡，大氣泡產生大的浮力。浮力分力P1=PSinα (1) 式中：p--氣泡受水的浮力（P=1/6π d3·P) P--水的容重 d--氣泡直徑 α--管道的俯角氣泡受水流的推力為P` 　 V2 p＇=----- .S (2) 　 2g10
V2 式中：----- －－－流速壓強（Kg/cm2) 　 2g10
S-- 氣泡最大截面積（S=1/4πd2) V-- 水流速（m/s) 當P1＝P`時，氣泡受力達到平衡而靜止在管道中。聯立（1）、 （2）式得 3 α =----------- 10.4p.g C--平衡常數式（3）說明，在恆定流條件下，氣泡直徑與管道俯角的正弦成反比。當d·Sinα>C時，氣泡向上移動。 2.管道中氣囊的形態前述氣泡平衡問題時，假定了氣泡為直徑等於d的球形，這隻能近似地形容微小氣泡，實際上當氣泡達到一定體積，且上升到管壁成為氣囊，由於表面張力的的作用，它將以半橢圓形狀存在（見圖四）。隨著氣泡逐漸長大，氣泡的形狀將受水流推力、重力和管道形狀控制，在長度方向伸長較大，在橫向成弓形。根據模擬測量，氣囊的長L與高h的.關係為： 1≈15h 3.氣囊受力分析及臨界位置根據水利學原理，氣囊在管道內平衡時所受水流的推力，等於垂直於水流的截面所受的壓力（見圖五（1）），這個截面為以h為高的弓形（見圖5（2）） n V2 p＇=∑ pi= -----.S （5） 1 2g10 S--弓形在積氣囊能引起爆管，是由於快速開關閥門或水泵起停，使管道出一了大的壓力增值，氣體的可壓縮特性，使應力集中到氣囊產生高壓而爆管。根據一些爆管的經驗，氣囊高度達到管徑四分之一是爆管的危險點，也就是氣囊的臨界點。這時氣囊的體積和斷面積簡單為： V≈0.5πr3，S≈0.2πr2。對前例中DN800管道，當V=1.0m/s時，所受推力按（5）式計算： 1.02 p＇＝------0.2π.402=5.124(Kg) 2g 所受浮力按（1）式計算 P1=PSin α=0.5π0.43×1000Sinα=100.5Sinα 當P`=P1時 5.214 α =arcSin=-----------=2.92° 100.5 該俯角α與實測爆管點俯角基本吻合。


三、結論 1.輸水管道下坡段必須增設排氣閥，具體位置由式P`=PSinα確定，流速取平均值為宜； 2.管道實際俯角小於計算角度時，排氣閥應設在下彎曲線與直線的交點處； 3.為使管內氣體儘早排出而不形成氣囊，下彎管線與直管線的交點均應設排氣閥； 4.本文所增設的排氣閥不能取代最高點排氣閥。