一、前言
輸水管道，主要指水源至凈水廠或凈水廠至配水管網(wǎng)的管道。由于輸水管道負(fù)擔(dān)全系統(tǒng)供水，且壓力較高，所以它的安全運行問題始終被從水部門和設(shè)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(yīng)力、管材質(zhì)量、施工質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造和水錘等。管道中的氣囊雖然不能直接造成水錘，但可借助水錘造成危害。本文就如何在輸水管道上設(shè)置排氣閥，避免氣體聚集成氣囊進行探討。
二、實例及分析
在地形起估地段，要求輸水管道的最高點設(shè)排氣閥，但實際運行中，許多爆管并未發(fā)生在高點或低點，而是發(fā)生在高點后的下彎管段，甚至低壓管道也發(fā)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(qū)，凈水廠與送水泵站分建，二者相距5公里，凈化水靠重力流送至送水泵站，凈水廠清水池高程210m，送水泵站清水池高程185m，輸水管為DN800連續(xù)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，但排氣閥后50m處，多次發(fā)生爆管事故，后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，只在新裝排氣閥后10m處發(fā)生過一次爆管。
從這個例子看，爆管與管中的氣體有關(guān)（安排氣閥后無爆管）。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恒定流（壓力、流速、溫度不變）。在這種狀態(tài)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，由于浮力的作用，氣泡流速可能大于水流速。因管壁有一定粗糙度，各氣泡運動方向相同，很難聚集成大氣泡。小氣泡沿管壁一定寬度向前流動，經(jīng)過最高點排氣閥時，排氣管直徑內(nèi)的氣泡有條件排出，而其他氣泡靠水流的推力向下游流去。由于管壁處的紊流和流速和切線特性，使一些經(jīng)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(chǎn)生的阻力，必然使氣泡運動的速度減慢，后序氣泡容易撞擊前面氣泡而全成大氣泡，大氣泡產(chǎn)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(dāng)P1＝P`時，氣泡受力達到平衡而靜止在管道中。聯(lián)立（1）、 （2）式得
3
d.Sinα =-----------
10.4p.g
C--平衡常數(shù)
式（3）說明，在恒定流條件下，氣泡直徑與管道俯角的正弦成反比。
當(dāng)d·Sinα>C時，氣泡向上移動。
2.管道中氣囊的形態(tài)
前述氣泡平衡問題時，假定了氣泡為直徑等于d的球形，這只能近似地形容微小氣泡，實際上當(dāng)氣泡達到一定體積，且上升到管壁成為氣囊，由于表面張力的的作用，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(jù)模擬測量，氣囊的長L與高h(yuǎn)的關(guān)系為：
1≈15h
3.氣囊受力分析及臨界位置
根據(jù)水利學(xué)原理，氣囊在管道內(nèi)平衡時所受水流的推力，等于垂直于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，是由于快速開關(guān)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(yīng)力集中到氣囊產(chǎn)生高壓而爆管。
根據(jù)一些爆管的經(jīng)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計算為：
V≈0.5πr3，S≈0.2πr2。
對前例中DN800管道，當(dāng)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(dāng)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(jié)論
1.輸水管道下坡段必須增設(shè)排氣閥，具體位置由式P`=PSinα確定，計算流速取平均值為宜；
2.管道實際俯角小于計算角度時，排氣閥應(yīng)設(shè)在下彎曲線與直線的交點處；
3.為使管內(nèi)氣體盡早排出而不形成氣囊，下彎管線與直管線的交點均應(yīng)設(shè)排氣閥；
4.本文所增設(shè)的排氣閥不能取代最高點排氣閥。