低壓輸水管排氣困難技術改造

安儒海 屈衛泉 郭林水 郝士朝

（1.北方工程設計研究院有限公司，石家莊 050000；2.石家莊高新技術產業開發區供水排水公司，石家莊 050000）

引言

在給水工程中，輸水管道排氣是一個非常重要且復雜的問題，及時排除管道內氣體對保證供水系統安全運行具有重要意義。本文針對北方某水廠廠區內128米長、口徑DN1400原水輸水管實際運行情況，分析該管段積氣的形成原因，給出解決排除管道積氣的有效方法，并對工程實踐經驗進行總結、分析。

1.工程概況

北方某水廠原設計規模5萬m3/d，南水北調工程建成通水后企業關閉自備井，用水量激增，在老廠區的基礎上進行升級改造，并擴容至15萬m3/d，該項目用地緊張，設計時盡最大可能使土地利用率最大化。廠區前端設計有事故緩沖池，兼有預氧化功能，事故緩沖池出水設計水位標高70.30m，為充分利用水池容積，采用堰后渠道出水，用一根DN1400鋼管從渠底引水至配水井，DN1400管道全長128m，水平埋地敷設，埋地敷設管中心標高62.55m，管道布置呈“U”型，如圖1所示。DN1400輸水管分兩路DN1000管進入配水井，配水井控制水位標高69.80，DN1400管與DN1000管采用管中心對接，水平輸水管內最大工作壓力約為0.075MPa。

圖1 斷面示意圖

本工程建成后通水運行，在運行過程中連通事故緩沖池與配水井的DN1400輸水管水平管段內積氣嚴重，形成氣囊，管道內出現嚴重的氣爆及管道振動，在管道末端地面上，能聽見的管道內氣爆聲音；站在管道正上方，能明顯感到管道的振動傳至地面；最嚴重的情形出現在DN1000管的出口位置，氣囊在水壓作用下越過DN1400與DN1000管道交界面后進入DN1000管道，瞬間從管口噴出，氣流帶動沖起水柱高度高出配水井地面約1.0m，DN1000管道出口正上方有活動鍍鋅鋼格板，每塊鋼格板約60 kg，水柱能把鋼格板頂起約0.5m高后落入配水井中，此現象周期性重復出現，存在嚴重安全隱患。

2.積氣原因分析及其危害

2.1 管道積氣分析

本工程設計規模15萬m3/d，投產初期冬季供水量7萬m3/d左右，夏季供水量10萬m3/d左右，低峰供水量不足設計規模的50%，整個生產工序處于低負荷運行狀態，使運行工藝存在如下情況：

（1）事故緩沖池出水設堰穩定出水水位，出水堰頂標高70.70m，堰長7.10m，滿負荷運行時堰上水頭0.26m。配水井控制水位標高69.80m，經計算事故緩沖池至配水井管段總水頭損失0.49，則事故緩沖池出水渠水位標高70.29m，堰跌落高度0.41m。水流跌落過程中，有跌水曝氣的作用，攜帶部分空氣進入水流，溶解到水中，隨水流帶走。低負荷運行時，堰上水頭0.15m，跌落過程中形成較薄水層，跌水高度達0.70m，加大了跌水曝氣吸入的空氣量。

（2）事故緩沖池出水渠板底標高68.50m，滿負荷運行時出水渠水位標高70.29m，出水渠通過一根埋地DN1400管連通至配水井，事故緩沖池出水渠管口淹沒深度為1.80m，設計管道流速1.18m/s，埋地DN1400鋼管管中心標高62.55m。水流通過管道從70.29m標高的自然液面跌下至62.55m，下落高度7.74m，水流重力下落過程中沿管壁做加速運動，水流速度勢必大于1.18m/s，隨著水流下降流速的增加，水流所受的管壁摩擦力也隨之增加，當水流所受向上摩擦力與重力達到平衡時，下降水流速度才能保持不變。在低負荷運行時，出水口淹沒深度約1.50m，在出水渠管口處，水流沿管壁作下落運動，形成有一定厚度的帶有橫向隔膜的附壁環狀水膜流或水塞流，在管中心處形成離心漩渦，管口淹沒深度不足以克服漩渦形成的離心作用力時，漩渦通向液面吸入空氣。在向下運動過程中隔膜下部管內壓力不斷增加，壓力達到一定值時，管內氣體將橫向隔膜沖破，管內氣壓恢復正常[1]。在連續水流下降過程中，又形成新的橫向隔膜，橫向隔膜的形成與破壞交替進行。在頻繁的交替運行過程中，水中摻入了大量空氣，隨水流進入水平管道。

（3）上述兩種情形吸入的空氣進入水平管段，溶解的氣體從水中釋放出來與漩渦直接吸入的空氣在管頂聚集，末端DN1400管接DN1000管采用管中心對接，管道中的氣體不能順利排出，被水流分割成較大的分散氣囊，這些氣囊因水流挾帶向前運動，再次聚集、分裂，引起水流速度變化和管道中壓力急劇升降。管道中的氣囊在DN1400管道末端不能及時排除，處于被壓縮狀態，這種氣囊極不穩定，不斷分散、聚集，突快突慢，碰撞急停，引起水流速度發生急劇變化。氣囊運動引起局部水流變化一般難以預料和控制，往往達到每秒數米流速，產生的局部水錘[2]。

2.2 管道積氣危害

管道憋氣運行，就出現前述的管道氣爆、水擊和振動現象，在DN1400管道末端尤為明顯，長期運行可能導致管道失穩，導致管道焊口裂縫、儀表、閥門等松動現象。氣囊在管道末端越積越多，達到一定體積后，在瞬間高水壓的推動下，越過DN1400與DN1000管道交界面，以較大流速進入DN1000管道，瞬間從管口噴出，出現前述水柱頂起鋼格板的現象。

管道運行一段時間后，管道頂部積存氣體不能及時排除，減少水流斷面，增加了局部水流阻力，嚴重時可能截斷水流，造成管道運行困難。目前，埋地鋼管大多采用內外防腐的成品管，在水擊的反復作用下，導致成品管的防腐層脫落，失去防腐功能；在局部水錘作用下，管道出現“氣蝕現象”，長期反復錘擊，防腐層和鋼管內壁出現蜂窩狀小孔，加速管道銹蝕，縮短管道使用壽命；管道內壁銹蝕，污染輸水水質，導致輸水管道二次污染。

進入配水井的兩根DN1000管道上設有電磁流量計，正常情況下水中溶解空氣釋放和形成的氣泡較少，約占體積的2%，吸附在管道頂部，對流量計不會產生較大影響，但大量氣泡聚集在管道上部，壓縮了水流通道截面，使水流通道截面積變小，水流速度增大，尤其是較大氣囊通過時，截面積瞬間變小，使流量計測量值由異常大到異常小或出現負測量值[3]，測量值出現較大誤差，給工藝運行帶來困擾。

3.解決方案

為了解決積氣產生的上述問題，需要快速、及時排除管道頂部聚集的空氣，首先想到的方法是在管道上安裝排氣閥。本工程DN1400管末端綜合管線復雜，不具備增設排氣閥的條件，選擇距離沿水流方向第一個三通3.0m處設置一個排氣閥，在水平管段起端設置另一個排氣閥，如圖1所示。

3.1 排氣閥選擇

浮球（筒）式排氣閥：較早生產的進排氣閥，排氣最大壓力一般不超過0.08MPa，浮球式排氣閥的浮力較小，排完第一段氣體后水就把浮球托起，第二段氣體帶有壓力，氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘以管道內壓力[4]，按此方法計算的浮球托力一般都大于浮球重力，即浮球不再落下自行排氣，則僅能排出第一段氣體，不能連續排氣，常用于管道首次充水或事故檢修后充水排氣。

氣缸式排氣閥：是用浮筒杠桿等控制氣缸內氣動膜片動作，控制閥體排氣口啟動，根據氣缸原理制成的一種進排氣閥。能排出多段水柱、氣柱相間氣體，有壓無壓氣體均可排出，能起到防止管道出現水錘、氣爆的作用。

復合式排氣閥：是在浮球（筒）式排氣閥的基礎上組合改進而成，氣、水分離盤設計采用特殊結構，只排氣、不排水。當空管注水時，排氣閥塞頭位于開啟位置，大量排氣，直至排完氣體，浮力傳動塞頭關閉；當運行管道過程中，少量空氣聚集在閥體內至一定程度，閥內水位下降，浮球隨之下降，空氣由小孔排出。該閥性能可靠，可快速排出管道中的大量氣體及系統運行中的少量氣體。只要管道內有壓力，排氣閥就能連續不斷的把積存的氣體快速排出。

本工程改造時要求不能停止運行，采用如下安裝方法：在DN1400管頂焊接一個DN150的法蘭盤短管，焊接完成后在法蘭盤段安裝一個DN150閘閥，閘閥全開，通過閘閥中心向下固定DN125的開孔器，在DN1400管頂開孔，成孔后關閉閘閥，在閘閥上法蘭安裝排氣閥。首先選擇2個DN150雙孔口高速復合式排氣閥，起端的排氣閥運行效果較好，能排出初期積存的少量氣體；下游排氣閥排氣量偏小，排氣效果不佳，偶爾瞬間可排出一股氣體，且運行一段時間后易被氣水泡沫中的浮渣堵塞而喪失排氣功能，排氣閥清洗維護工作量較大，但安裝排氣閥后，管道氣爆、振動現象改善甚微，DN1000管道出口噴水現象未完全消除。再次更換氣缸式排氣閥，運行一段時間，同樣效果甚微。

結合工程具體條件分析：現狀DN1400輸水管水平敷設，無管道最高點，排氣閥也就不具備安裝在管道最高點的條件，條件限制未設置在管道末端，加之排氣閥排氣量較小，而管道內形成的氣囊較大且氣泡較多，排氣閥不瞬間排出大量有壓氣體，未來得及排出的氣體被水流向前推進，在管道末端聚集。氣囊在水壓作用下在管道內再次分裂、聚集且隨水流鼓動而運動，當氣囊往回運動至排氣口時，則能被排氣閥排出，但大部分氣囊還是聚集在管道末端。針對此種情況，需要瞬間排出大量過流有壓氣體，目前市場上的排氣閥很難達到這樣的效果。

3.2 常壓排氣裝置

針對排氣閥排氣量小，不能瞬間排出大量氣體的情況，開發了常壓排氣裝置。拆除原閘閥上端的排氣閥，在閘閥的上法蘭安裝定制的橡膠軟連接變徑DN150×DN500，變徑的DN500端通過法蘭連接DN500一根成品鋼管與大氣相通；在管底安裝一個DN65泄水閥，末端設快接卡盤，可重力泄水，也可接移動泵快速泄水，如圖2所示。DN500鋼管高8米，鋼管管頂標高72.00m，高于事故緩沖池最高水位標高70.96m。為防止雨水、飛鳥及空氣中的灰塵落入DN500鋼管內，在管頂安裝一個不銹鋼風帽。為使高聳的鋼管與周圍環境相協調，在鋼管頂部做一個圓環球，在地面上種植爬山虎或其它藤蔓植物爬上圓環球，最終形成一個綠植圓球，融入周圍環境中，即解決了管道排氣問題，也起到美化環境的景觀效果，如圖3所示。

圖2 常壓排氣裝置

圖3 改造實景圖

3.3 改造效果

安裝完成后打開閘閥，DN1400管道內與大氣相通，管道中的有壓或無壓氣囊、氣泡劃過排氣口時，瞬間上溢進入DN500的排氣管中，有壓氣體從DN150管進入DN500鋼管，斷面突然增大，釋放有壓氣體能量，形成自然氣泡上浮至自然液面，釋放至大氣中。改造完成后管道內無氣爆、水擊現象，管道也無振動現象；配水井出水口水面穩定，無瞬間噴水現象；DN1000管道上的電磁流量計生成計量曲線平穩，在正常誤差范圍內。

每周或十天關閉下端閘閥，打開泄水閥，排除管道內存水，管道內的浮渣通過泄水管一并排除，重復一至兩次操作，清洗干凈排氣管道，關閉泄水閥，打開閘閥恢復運行。此方法不像傳統排氣維護操作復雜、需要定期巡視，檢查排氣閥是否正常工作；常壓排氣裝置維護操作簡單易行，投入使用后一勞永逸，不再擔心出現排氣閥故障不排氣的事故了。經過長期運行實踐表明，采用常壓排氣裝置對輸水管進行排氣改造后，給水系統運行穩定，保障輸水管道安全運行，保障生產工藝穩定運行。

4.結語

根據本次工程經驗及觀測情況，改造后排氣管內水面無劇烈波動情況，因此釋放壓力的排氣管可適當減小，可改為DN300，具體規格大小根據輸水管管徑及運行工況研究決定。輸水管頂部開孔孔徑取經計算的排氣閥口徑，一般取輸水管直徑的1/5～1/8為開孔孔徑[5]。排氣管管頂標高應高于上游水位（壓）標高1.2～1.5m，確保氣囊壓力釋放時管頂不溢水。以上工程經驗在另一項目的泵站吸水母管上得到充分應用，該泵站吸水母管上的排氣閥頻繁失靈，經常維護或更換，排氣不暢導致啟泵困難或啟泵后水泵運行不穩定，采用常壓排氣裝置后得到完美解決，再無吸水母管積氣的情況出現。

輸水管道改造工程投入使用后運行良好，常壓排氣裝置給水廠安全穩定運行提供了強有力保障，該裝置簡單易行且非常有效，給解決低壓（建議水壓≤0.1MPa）輸水管道類似的工程問題提供新思路、新方法。