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        長距離、高揚程、多起伏有壓玻璃鋼管道在輸水工程中形成氣囊運動、產生升壓水錘效應造成管道破壞原理分析

        放大字體  縮小字體 發布日期:2021-02-03  來源:楊華英  瀏覽次數:1932
        核心提示:概論:文中簡單介紹了玻璃鋼有壓管道在輸水工程中,管內局部形成氣囊的原因,產生升壓水錘造成管道破壞原理及解決的方法。一、有
         概論:文中簡單介紹了玻璃鋼有壓管道在輸水工程中,管內局部形成氣囊的原因,產生升壓水錘造成管道破壞原理及解決的方法。
        一、有壓輸水管道中氣、水兩相流的六種流態
            在輸配水工程中,管道起伏不大,可視為水平管道,充水階段是向存滿氣的管道中充水,運行階段則是在充滿水的管道中局部存氣。在輸配水管道中,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。據美國馬丁教授的研究理論,較平坦的供水管路呈現六種氣液兩相流狀態。見下圖所示:

        (1)層狀流(充水前期)
            在充水初期,管中液相比例較小,氣相和液相的流速都不大,這時氣相和液相分別在管道的上層和下層流動,氣、液間具有平滑的界面。
        (2)波狀流(充水中期)
            隨著液相流量的增大,液相比例加大,氣相比例減小,液相流速較小,氣相流速較大,則下層液體在上層氣流的擾動作用下,呈現波浪狀的界面,即為波狀流。
        (3)段塞流(充水后期)
            隨著液相流量的進一步增大,液相比例繼續加大,氣相比例繼續減小,管中形成液相和氣相互相間隔的段塞狀流動,稱為段塞流。氣團與管壁間有一層液膜,液段中則夾雜著許多小氣泡。
         
        (4) 氣團流(充水后期)
            氣團流多發生在充水后期和運行階段,管道中基本為液相充滿,在局部有氣團形成,此時液相流速較大,氣相流速較小,氣相形成長條形的氣團,聚集在水平管上部,隨液相流一起流動。
        (5)泡沫流(瞬間出現并迅速轉化)
            液相在強烈的擾動下與氣相混合或氣相從液相迅速析出時會形成泡沫流。但是泡沫流并不穩定,瞬間即轉化為其它流態。由于泡沫流轉化速度較快、形成條件復雜,所以,很難觀察到。
        (6)環狀流(瞬間出現并迅速轉化成波狀流或段塞流)
            氣相流速很大,液相被氣相吹鋪成沿管壁周邊的環狀液膜,氣相在環膜中間高速運動,此時即是環狀流。環狀流同泡沫流一樣不穩定并且形成條件復雜。環狀流的環狀液膜會在重力作用下迅速破壞,轉化成波狀流或段塞流。
        二、 六種流態間的相互轉化
            由以上六種流態的轉化分析可以發現,在長距離輸水管路中,段塞流是氣液兩相流的最終轉化形式。因此在長距離輸水管路上選擇某些水錘防護設備時必須考慮到長距離輸水管路中水的流態形式。
            由于有壓輸水管道存氣的主要形式是段塞流,即氣體以不連續的多個或獨立氣囊存在于管頂。其氣囊長度和占過水斷面面積取決于氣體含量、管徑大小及管道縱斷面條件等等。理論研究和實踐表明,氣囊沿管頂隨水流運動,易在管道轉彎凸起、變徑、閥門等處產生聚集,并產生壓力振蕩。由于管網水流速度和方向具有很大的隨機性,氣囊運動引起的壓力升高將在很大程度上取決于水流速度變化的劇烈程度。有關實驗表明,其壓力可高達200 多米水柱,足以破壞一般供水管道。
            此外值得注意的是,長期在管網中運動的氣囊,其體積的大小隨所到之處的壓力大小變化。這進一步加劇了含氣水流的壓力波動,造成管道爆裂增多。管道含氣危害由含氣量的大小、管道構造以及運行操作等等因素有關決定,給有壓輸水管網造成了很大的危害。
        2.1 常見的浮球類排氣閥存在的共同技術缺陷
           (1)水氣相間時大排氣口僅能排出第一段氣體,不能連續排氣;
            輸水管道一般坡度都不是很大,所以管道中大多是一段水一段氣的水氣相間狀態,浮球式排氣閥的浮球僅幾公斤重,而排完第一段氣體,水就把浮球托起,第二段氣體即有壓力,假定壓力為0.2Mpa,氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘管道壓力,計算可得DN100排氣閥托球力約150Kg,DN300 排氣閥托球力約為1400Kg,故大排氣口不可能再自動開啟排氣。
        (2)在排氣過程中突然起球堵住排氣口,終止排氣;
           ①排氣速度較快時,當氣流對浮球的托力大于球的重力,浮球被吹起,堵住排氣口。
           ②氣流帶水霧的情況下,氣霧的比重比干空氣大,同等排氣速度下,氣霧作用于浮球的力比干空氣作用于浮球的力的力大。在比干空氣流速小的多的情況下,浮球就被氣霧托起。在這一點上復合式排氣閥更為明顯。
        (3)小排氣口徑一般在3~5mm,僅能微量排氣;
        如果大排氣口性能不好,僅靠微孔排氣,氣體不能快速排出,對大管徑輸水管是極危險的。
        (4)運行時長期不動作時,小排氣口浮球易因粘貼而失效;
        (5)大排氣口浮球在停水后再充水,易因復位不正而關不嚴跑水,從而引起經濟損失,并給日后管理上帶來麻煩。
        2.2 排氣不暢的危害分析
            在水氣相間時,浮球式排氣閥的大排氣口的作用幾乎為零,僅靠微孔排氣,造成了嚴重“氣堵”,空氣排不出,水流不暢,引起管內壓力急劇增加。
            根據有關理論計算,排氣不暢引起的氣爆壓力最高可達20~40個大氣壓,其破壞力相當于靜壓40~80個大氣壓,足以破壞任何供水管道,工程上最強的球墨鑄鐵管被破壞也屢見不鮮,各類管道爆管事例更是不勝枚舉。
            對于這些以氣囊形式存在于有壓管道的氣體,長期存在于管道某處,在管道中運動和排出管外的過程中,有使管道產生劇烈壓力振蕩的危險,因而必須引起人們足夠的重視。大量的工程實踐表明,管道中的氣囊隨水流動時由于受管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件的影響,時而分散時而聚合,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,但對空氣來說影響是極大的。如著名美國水錘專家V.L.Streeter在其所著《瞬變流》(Hydraulic Transients)一書中介紹了一個實例:一條由水池接出的直徑為1m、長度為61m的單一管道,水池水位為30m,距管道末端12m一段存有空氣,管首端閥門在0.95s內打開,該管段開始時絕對壓力為102kPa,在接近2.5s時壓力猛增至絕對壓力2331 kPa(約223米水柱),由此可見氣囊運動所引起管道壓力振蕩的嚴重程度。
            有壓管道內氣囊運動產生的壓力升高往往類似于斷流彌合水錘,其升壓值與氣囊所占管道過水斷面的大小及氣囊運動與水流的速差有關。理論計算表明,氣囊兩端的壓差如果達0.01m 水柱,氣囊運動的速度即可達每秒十幾米,水流隨之波動的速度與管路的復雜程度和氣囊占過水斷面的比例有關,故氣囊運動引起的升壓也大小不同,可能小到僅幾米水柱,大到數百米水柱,國內外實測到較大的斷流水錘升壓為200~400 米水柱。特別值得注意的是,氣囊引起的斷流彌合水錘升壓極快,往往在不到1 秒(停泵水錘升壓過程一般為十幾秒至幾分鐘)就迅速升壓到最大值,因而較一般停泵水錘更難防護。
            很多實踐表明,對一般停泵水錘防護效果良好的(先導式)超壓泄壓閥或水錘預防閥,用于防氣囊產生的斷流彌合水錘幾乎沒有效果。
        三、防止氣囊水錘升壓的方法
        從理論上講,防這種水錘升壓只有三種途徑。
           ①管道排凈氣體,保證任何狀態下都不產生氣囊運動型斷流彌合水錘。
           ②用氣壓罐及其同樣類型的穩壓吸壓裝置直接吸納或消滅水錘升壓波。
           ③用雙向調壓塔吸收升壓波。
        方式①可通過采用性能良好的排氣閥實現正常排氣,對突然停泵產生的負壓,也可輔以單向調壓塔充水而不注氣。前者是目前絕大多數工程最常用的方法,也是發展的主要方向,且最為經濟合理。后者用單向調壓塔造價高,只能在個別管道和特殊點上使用,且管理維護困難。
        方式②和③也都造價甚高而在工程上難于應用。目前的情況是氣壓罐在國外的工程上應用較多,國內工程應用較少,雙向調壓塔幾十年前應用較多,近年來國內外應用都很少。
         
        關鍵詞: 復合材料 玻璃纖維
         
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