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水利工程论文-输水管道排气阀的增设.doc

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水利工程论文-输水管道排气阀的增设.doc

水利工程论文输水管道排气阀的增设一、前言输水管道,主要指水源至净水厂或净水厂至配水管网的管道。由于输水管道负担全系统供水,且压力较高,所以它的安全运行问题始终被从水部门和设计部门所重视。输水管道常见的事故是爆管,引起爆管的原因主要有温度应力、管材质量、施工质量、地质构造和水锤等。管道中的气囊虽然不能直接造成水锤,但可借助水锤造成危害。本文就如何在输水管道上设置排气阀,避免气体聚集成气囊进行探讨。二、实例及分析在地形起估地段,要求输水管道的最高点设排气阀,但实际运行中,许多爆管并未发生在高点或低点,而是发生在高点后的下弯管段,甚至低压管道也发生此类爆管。黑龙江鹤岗的一段管道爆管就是一个典型的例子。鹤岗市属低山丘陵区,净水厂与送水泵站分建,二者相距5公里,净化水靠重力流送至送水泵站,净水厂清水池高程210m,送水泵站清水池高程185m,输水管为DN800连续铸铁管,平均流速1.0m/s,泵站前500m有一高岗,高程185(见图一),高岗的最高点有一排气阀,但排气阀后50m处,多次发生爆管事故,后来在爆管处加装了一双口排气阀,几年来,两排气阀间没再爆管,只在新装排气阀后10m处发生过一次爆管。从这个例子看,爆管与管中的气体有关(安排气阀后无爆管)。下面对管道中气囊的形成过程和它的受力情况进行分析1.气体的聚集及平衡在正常情况下,管道中的水流可近似地看成是恒定流(压力、流速、温度不变)。在这种状态下,水中的气体要逐渐地析出,形成大小不等的气泡上升到管壁,气泡按水流流速向前运动。在上坡段,由于浮力的作用,气泡流速可能大于水流速。因管壁有一定粗糙度,各气泡运动方向相同,很难聚集成大气泡。小气泡沿管壁一定宽度向前流动,经过最高点排气阀时,排气管直径内的气泡有条件排出,而其他气泡靠水流的推力向下游流去。由于管壁处的紊流和流速和切线特性,使一些经过排气管的小气泡越过排气孔也向下游流去(见图二)。越过排气阀的气泡顺坡而行,运动方向与气泡所受浮力的分力P1方向相反(见图三),这个浮力合力产生的阻力,必然使气泡运动的速度减慢,后序气泡容易撞击前面气泡而全成大气泡,大气泡产生大的浮力。浮力分力P1PSinα1式中p气泡受水的浮力(P1/6πd3PP水的容重d气泡直径α管道的俯角气泡受水流的推力为PV2p'.S22g10V2式中---流速压强(Kg/cm22g10S气泡最大截面积(S1/4πd2V水流速(m/s当P1=P时,气泡受力达到平衡而静止在管道中。联立(1)、(2)式得3d.Sinα10.4p.gC平衡常数式(3)说明,在恒定流条件下,气泡直径与管道俯角的正弦成反比。当dSinαC时,气泡向上移动。2.管道中气囊的形态前述气泡平衡问题时,假定了气泡为直径等于d的球形,这只能近似地形容微小气泡,实际上当气泡达到一定体积,且上升到管壁成为气囊,由于表面张力的的作用,它将以半椭圆形状存在(见图四)。随着气泡逐渐长大,气泡的形状将受水流推力、重力和管道形状控制,在长度方向伸长较大,在横向成弓形。根据模拟测量,气囊的长L与高h的关系为1≈15h3.气囊受力分析及临界位置根据水利学原理,气囊在管道内平衡时所受水流的推力,等于垂直于水流的截面所受的压力(见图五(1)),这个截面为以h为高的弓形(见图5(2))nV2p'∑pi.S(5)12g10S弓形在积气囊能引起爆管,是由于快速开关阀门或水泵起停,使管道出一了大的压力增值,气体的可压缩特性,使应力集中到气囊产生高压而爆管。根据一些爆管的经验,气囊高度达到管径四分之一是爆管的危险点,也就是气囊的临界点。这时气囊的体积和断面积简单计算为V≈0.5πr3,S≈0.2πr2。对前例中DN800管道,当V1.0m/s时,所受推力按(5)式计算1.02p'=0.2π.4025.124Kg2g所受浮力按(1)式计算P1PSinα0.5π0.431000Sinα100.5Sinα当PP1时5.214αarcSin2.92°100.5该俯角α与实测爆管点俯角基本吻合。

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