浅析有压输水管道气囊形成及防治措施
赵海洋
【摘 要】长距离有压输水管道在我国的运用越来越广，而且随着输水管道新产品的不断涌现和新技术的不断开发，在我国很多山区等地形相对复杂的地方，这种长距离有压输水管道运用的案例也越来越多。由于管道从设计到安装，到后期运行的过程中很难避免在管道中形成局部气囊，管道中的气囊对输水管道的安全运行会产生很大的危害。因此要想尽量减少或防止由于气囊的形成对输水管道的危害，就要从研究有压输水管道中气囊的形成原理开始，进而采取有效的防治措施。论文分析了有压输水管道中气囊的形成及常见的防治措施。
【Abstract】Long distance pressure pipeline is increasingly widely used in China， and with the continuous development of new technology and new pipeline products emerging， in many of China's mountainous and complex terrain areas， the application cases of long distance pressure pipeline are more and more. As it is difficult to avoid the formation of local airbag from the design to installation to later operation of this pipeline， the airbag has a great harm on the safety operation of water pipeline. So in order to reduce or prevent the hazards form the formation of air bags to the pipeline， we need to research on the formation principle of airbag in pressure pipeline， to take effective measures to prevent and control it. The paper analyzes the formation and common prevention and control measures of the airbags in the pipeline.
【关键词】气囊形成；防治措施；有压输水管道
【Keywords】formation of air bags； control measures； pressurized water supply pipe
【中图分类号】TV672+.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0154-02
1 引言
在国家不断推行环保新政的条件下，宁东环保工程煤化工园区至南湖输水管线附属工程是宁东环保工程的重要输水管线，其输水能力为45000m3/d，管线总长59.1km，输水管路管径为DN600～DN1000，管路沿线地形高差较大，管道工作压力为1.45MPa至2.4MPa。像这种有压长距离输水管道在运行中会在局部形成很多气囊，这些气囊的形成会对管路的正常运行带来很大的阻碍，因此就有压输水管路的气囊运动理论作如下浅析。
2 有压输水管道中气体的形成
有壓输水管道在运行中气体的常见来源有：管道排气不畅在局部形成空气囊；运行中的水泵突然停止运行使管道局部产生真空引起管道从排吸气阀吸入空气；阀门突然关闭使管道局部产生真空引起管道从排吸气阀吸入空气；水泵的叶轮负压区气体释放等。还有一个可能经常被我们忽视的因素，就是吸入水泵中的水体本身会溶解一部分空气。据研究表面，水中最大体积含气率约为2%，即每立方米水含有的溶解性气体量约为20L，当有压输水管道的运行状态由有压运行变为低压运行或无压条件下时，水中含有的溶解性气体会以微小气泡的形式迅速析出，并随着水流运动形成大体积的气泡或者气囊。比如，宁东环保工程中煤化工园区至南湖输水管线从煤化工至高位水池为DN800～DN1000球墨铸铁管（距离高位水池1km处为DN1000球墨铸铁管），从高位水池至梅花井段输水管路为Dn600钢骨架塑料复合管。像这种由大管径变为小管径的输水管道中，由于管径的突然变化，引起输送介质的流速突然增大，压强减小，导致输送水中的溶解性气体析出，形成气泡或气囊。
3 输水管道中气体（气囊）危害分析
有压输水管道，尤其是长距离有压输水管道由于大体积气体或气囊的存在，导致的爆管事故在这种长距离有压输配水工程中可谓屡见不鲜。长距离输水管道一般压力都较小，管道中由于各种因素引起的气体一般存在于管道上部或者管道凸起的地方。管道中存在的大体积气体或者气囊随水流动时由于管道坡度、管道阻力（管道材质不同，管道阻力也不同）及管道转弯、变径的地方而分散聚合，极易造成气囊两端压差变化，这种压差变化很可能会造成管道中压力骤降或突增，引起管道压力震荡，对输水管道或管件造成危害。输水管道中水锤的产生其中很大一部分原因是管道中大体积气囊的存在。如著名美国水锤专家V.L.Streeter在其所著《瞬变流》（Hydraulic Transients）一书中介绍了一个实例：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一端存有空气，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2331 kPa（约223米水柱），由此可见气囊运动所引起管道压力振荡的严重程度。
4 输水管道中气体（气囊）危害的防治措施
从理论上讲，防止输水管道中气体（气囊）危害一般有三种防治措施：输水管道设计合理，输水管道在正常运行条件下，不会产生可危害输水管道正常运行的大体积气体或气囊；严格按照操作规程操作，保证管道排净气体，任何状态下都不产生气囊运动型断流弥合水锤[1]。
从技术措施上讲，输水管道防治气体或气囊的危害措施一般有以下几个方面：第一，设排气井，安装自动排气阀。输配水管路中设自动排气阀是目前最常用的方法，也是最经济合理并且有效的方法。排气阀的设立原则是：应合理选择排气阀的安装位置及间距，笔者认为输水管路应每1～1.2公里处设一个排气阀，排气阀應安装着此段输水管路途经地形的高点；选择合适口径及合适结构的排气阀；对于输送距离不是很长（管路长度一般10km以内），且地形相对平坦的输配水管路，建议选择单筒式浮球排气阀即可满足使用要求；对于长距离（管路长度10km）以上，地形起伏相对较大的输配水管路，建议选择在多段水柱、气柱相间条件下能持续排气且带缓闭的排气阀。第二，在管道的重要部位安装空气罐及其同样类型的稳压吸压装置，利用空气罐及其同样类型的稳压吸压装置直接吸纳或消除水锤升压波。空气罐是一种内部充有一定量要压缩空气的金属水罐装置[2]。当发生水锤管内压力升高时，原压缩的空气被再度压缩，起到气垫消能作用；而当管内由于突然停泵压力陡降，甚至可能发生水柱分离时，又可利用压缩空气膨胀向管中注水，因而有效地消减了停泵水锤的危害。这种方法在城市输配水工程中运用相对较少。第三，利用调压塔吸收升压波。目前，在长距离有压输配水管道中，运用的比较多的是箱式双向调压塔。箱式双向调压塔的调压方式是在其活塞上部承受箱内水深的压力，活塞下部承受管道压力，活塞上部面积大，下部面积小，且其面积的比值根据箱式双向调压塔的水深即高度要求和管道内压的大小决定。在正常运行时，管道内压等于或小于其最大设计水压，活塞上部总压力大于或等于管道对活塞下部的总压力，活塞静止不动，被压在阀座上，并保持活塞与阀座间的密封。
箱式双向调压塔一般装于管道重要部位，其底部通过三通与主管道连通，顶部必须与管道稳定运行的最高水压线同高。可通过注水防止管道断流水锤发生，可通过泄水削减水锤压力峰值。箱式双向调压塔一般安装于阀门井内，为工程应用创造了较为方便的条件，得到广泛应用。
【参考文献】
【1】王亚平，薛东娥. 输水管道中气囊运动危害及防护[J]. 水力采煤与管道运输，2001（01）：25-27+48.
【2】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.
【摘 要】长距离有压输水管道在我国的运用越来越广，而且随着输水管道新产品的不断涌现和新技术的不断开发，在我国很多山区等地形相对复杂的地方，这种长距离有压输水管道运用的案例也越来越多。由于管道从设计到安装，到后期运行的过程中很难避免在管道中形成局部气囊，管道中的气囊对输水管道的安全运行会产生很大的危害。因此要想尽量减少或防止由于气囊的形成对输水管道的危害，就要从研究有压输水管道中气囊的形成原理开始，进而采取有效的防治措施。论文分析了有压输水管道中气囊的形成及常见的防治措施。
【Abstract】Long distance pressure pipeline is increasingly widely used in China， and with the continuous development of new technology and new pipeline products emerging， in many of China's mountainous and complex terrain areas， the application cases of long distance pressure pipeline are more and more. As it is difficult to avoid the formation of local airbag from the design to installation to later operation of this pipeline， the airbag has a great harm on the safety operation of water pipeline. So in order to reduce or prevent the hazards form the formation of air bags to the pipeline， we need to research on the formation principle of airbag in pressure pipeline， to take effective measures to prevent and control it. The paper analyzes the formation and common prevention and control measures of the airbags in the pipeline.
【关键词】气囊形成；防治措施；有压输水管道
【Keywords】formation of air bags； control measures； pressurized water supply pipe
【中图分类号】TV672+.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0154-02
1 引言
在国家不断推行环保新政的条件下，宁东环保工程煤化工园区至南湖输水管线附属工程是宁东环保工程的重要输水管线，其输水能力为45000m3/d，管线总长59.1km，输水管路管径为DN600～DN1000，管路沿线地形高差较大，管道工作压力为1.45MPa至2.4MPa。像这种有压长距离输水管道在运行中会在局部形成很多气囊，这些气囊的形成会对管路的正常运行带来很大的阻碍，因此就有压输水管路的气囊运动理论作如下浅析。
2 有压输水管道中气体的形成
有壓输水管道在运行中气体的常见来源有：管道排气不畅在局部形成空气囊；运行中的水泵突然停止运行使管道局部产生真空引起管道从排吸气阀吸入空气；阀门突然关闭使管道局部产生真空引起管道从排吸气阀吸入空气；水泵的叶轮负压区气体释放等。还有一个可能经常被我们忽视的因素，就是吸入水泵中的水体本身会溶解一部分空气。据研究表面，水中最大体积含气率约为2%，即每立方米水含有的溶解性气体量约为20L，当有压输水管道的运行状态由有压运行变为低压运行或无压条件下时，水中含有的溶解性气体会以微小气泡的形式迅速析出，并随着水流运动形成大体积的气泡或者气囊。比如，宁东环保工程中煤化工园区至南湖输水管线从煤化工至高位水池为DN800～DN1000球墨铸铁管（距离高位水池1km处为DN1000球墨铸铁管），从高位水池至梅花井段输水管路为Dn600钢骨架塑料复合管。像这种由大管径变为小管径的输水管道中，由于管径的突然变化，引起输送介质的流速突然增大，压强减小，导致输送水中的溶解性气体析出，形成气泡或气囊。
3 输水管道中气体（气囊）危害分析
有压输水管道，尤其是长距离有压输水管道由于大体积气体或气囊的存在，导致的爆管事故在这种长距离有压输配水工程中可谓屡见不鲜。长距离输水管道一般压力都较小，管道中由于各种因素引起的气体一般存在于管道上部或者管道凸起的地方。管道中存在的大体积气体或者气囊随水流动时由于管道坡度、管道阻力（管道材质不同，管道阻力也不同）及管道转弯、变径的地方而分散聚合，极易造成气囊两端压差变化，这种压差变化很可能会造成管道中压力骤降或突增，引起管道压力震荡，对输水管道或管件造成危害。输水管道中水锤的产生其中很大一部分原因是管道中大体积气囊的存在。如著名美国水锤专家V.L.Streeter在其所著《瞬变流》（Hydraulic Transients）一书中介绍了一个实例：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一端存有空气，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2331 kPa（约223米水柱），由此可见气囊运动所引起管道压力振荡的严重程度。
4 输水管道中气体（气囊）危害的防治措施
从理论上讲，防止输水管道中气体（气囊）危害一般有三种防治措施：输水管道设计合理，输水管道在正常运行条件下，不会产生可危害输水管道正常运行的大体积气体或气囊；严格按照操作规程操作，保证管道排净气体，任何状态下都不产生气囊运动型断流弥合水锤[1]。
从技术措施上讲，输水管道防治气体或气囊的危害措施一般有以下几个方面：第一，设排气井，安装自动排气阀。输配水管路中设自动排气阀是目前最常用的方法，也是最经济合理并且有效的方法。排气阀的设立原则是：应合理选择排气阀的安装位置及间距，笔者认为输水管路应每1～1.2公里处设一个排气阀，排气阀應安装着此段输水管路途经地形的高点；选择合适口径及合适结构的排气阀；对于输送距离不是很长（管路长度一般10km以内），且地形相对平坦的输配水管路，建议选择单筒式浮球排气阀即可满足使用要求；对于长距离（管路长度10km）以上，地形起伏相对较大的输配水管路，建议选择在多段水柱、气柱相间条件下能持续排气且带缓闭的排气阀。第二，在管道的重要部位安装空气罐及其同样类型的稳压吸压装置，利用空气罐及其同样类型的稳压吸压装置直接吸纳或消除水锤升压波。空气罐是一种内部充有一定量要压缩空气的金属水罐装置[2]。当发生水锤管内压力升高时，原压缩的空气被再度压缩，起到气垫消能作用；而当管内由于突然停泵压力陡降，甚至可能发生水柱分离时，又可利用压缩空气膨胀向管中注水，因而有效地消减了停泵水锤的危害。这种方法在城市输配水工程中运用相对较少。第三，利用调压塔吸收升压波。目前，在长距离有压输配水管道中，运用的比较多的是箱式双向调压塔。箱式双向调压塔的调压方式是在其活塞上部承受箱内水深的压力，活塞下部承受管道压力，活塞上部面积大，下部面积小，且其面积的比值根据箱式双向调压塔的水深即高度要求和管道内压的大小决定。在正常运行时，管道内压等于或小于其最大设计水压，活塞上部总压力大于或等于管道对活塞下部的总压力，活塞静止不动，被压在阀座上，并保持活塞与阀座间的密封。
箱式双向调压塔一般装于管道重要部位，其底部通过三通与主管道连通，顶部必须与管道稳定运行的最高水压线同高。可通过注水防止管道断流水锤发生，可通过泄水削减水锤压力峰值。箱式双向调压塔一般安装于阀门井内，为工程应用创造了较为方便的条件，得到广泛应用。
【参考文献】
【1】王亚平，薛东娥. 输水管道中气囊运动危害及防护[J]. 水力采煤与管道运输，2001（01）：25-27+48.
【2】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.
