具缓冲功能进排气阀解决管道气阻流量偏小问题的实践研究

WUQing，ZHANGJincheng.PracticalresearchonthebufferfunctionofinletandexhaustvalvetosolvetheproblemofsmallgasresistanceJ］.WaterＲesourcesandHydropowerEngineering，2019，50（S2）：97-100.andflowrateinpipeline［

具缓冲功能进排气阀解决管道气阻流量

偏小问题的实践研究

武

12清，张金承

（1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐830000；2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

要：阿拉山口供水工程运行中曾发生过管道爆管，为不影响供水，采用全线维持在低压力下的充水运行方式，管道虽达到了一定的输水流量，但达到设计流量较困难。在这种情况下，如何使管道达摘

到设计输水流量是本文解决的主要问题。本研究提出了管道首端进排气阀宜选具有缓冲功能进排气阀，且布置间距要小的新设计理念，这种设计理念不但可以解决阿拉山口供水工程中出现的输水流量问题，同时也为我国类似条件的供水工程提供指导和借鉴。关键词：进排气阀；缓冲功能；浮球；气阻

doi：10.13928/j.cnki.wrahe.2019.S2.016中图分类号：TV672

文献标识码：A

文章编号：1000-0860（2019）增刊2-0097-04

Practicalresearchonthebufferfunctionofinletandexhaustvalvetosolvetheproblem

ofsmallgasresistanceandflowrateinpipeline

WUQing1，ZHANGJincheng2

（1.TheInstituteofWaterＲesourcesPlanninginXinjiangWaterConservancyBureau，Urumqi830000，Xinjiang，China；

2.XinjiangInstituteofwaterresourcesandhydropowersurveyanddesign，Urumqi830000，Xinjiang，China）

Abstract：ThepipelineburstoccurredintheoperationofAlashankouwatersupplyproject.Inordernottoaffectthewatersup-ply，thewaterfillingoperationmodeofthewholelineunderlowpressureisadopted.Althoughthepipelinehasreachedacertainwaterdeliveryflow，itisdifficulttoreachthedesignflow.Inthiscase，howtomakethepipelinereachthedesigneddeliveryflowisthemainproblemtobesolvedinthispaper.Thisstudyproposesanewdesignconceptthattheinletandexhaustvalvesattheandthearrangementspacingshouldbesmall.firstendofthepipelineshouldhavebufferfunctionandairinletandexhaustvalve，

ThisdesignconceptcannotonlysolvetheproblemofwaterflowintheAlashankouwatersupplyproject，butalsoprovideguid-anceandreferenceforsimilarwatersupplyprojectsinChina.

Keywords：airinletandexhaustvalve；bufferfunction；floatingball；airresistance

收稿日期：2019-10-09作者简介：武

清（1965—），男，高级工程师，学士，主要从事水利水电工程规划与设计。E－mail：xcfhwq@163.com

WaterＲesourcesandHydropowerEngineeringVol.50sup2

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武清，等∥具缓冲功能进排气阀解决管道气阻流量偏小问题的实践研究1研究背景

阿拉山口供水工程于2006年施工，2009年开始

工程组成，水源为哈拉吐鲁克河，采用单管钢筒混凝土管（PCCP管）及隧洞输水，管道直径为0.9m及0.8m两种，输水工程全长62.1km，其中管道长

47.777km，输水隧洞长14.334km。由于管道较长，落差较大，地形复杂，沿线共划分为6段，其中上游三段为管道、第四段为隧洞，下游两段仍为管道。沿线采用复合式进排气阀，口径为DN150，工程实施后，阀门厂家提供的进排气阀与承诺的具有缓冲功能不相符，该工程管道全线均采用多喷孔电动消能控制阀控制水流。管道全线地形及分段情况如图1所示，管道分段特性如表1所列。

表1

分

段

桩号位置/m00+000—13+27813+278—24+02824+028—45+03544+906—59+22259+222—60+10060+100—62+111

试运行，目前已运行10年。由于受下游阿拉山口口岸用水量需求影响，管道一直处于小流量运行，引水

3

流量均未超过1.0m/s，直到2008年口岸管委会要

求增加供水量才开始增加管道引水流量。本工程原设

3

计引水流量0.5～1.3m/s变化，为了加大管道供水

流量，管理单位改变充水方式，按照管道下游处于低压力充水，逐步加大流量，使全线管道压力不超过以

3

往爆管时压力的方法，当充水流量接近1.0m/s时，3

再逐次按0.1m/s增加流量。按照这种充水方案，

管道分段特性

管段长/m132781050020878143168782012

落差/m136.925135.164140.51315.138158.398126.805

备管管管隧管管

注道道道洞道道

在充水流量达到1.0m/s后，再增加流量0.1m/s时，2减压井就出现溢水现象。经现场检查，上游三段管道在进口下游大下坡地形段处于无压情况下，进排气阀的大排气口是关闭的，仅剩小排气口排气，每处管道首端的减压井内听到有间断的气体排出声音。管理人员通过检查末端安装的压力计、流量计读数反复推算管道充水情况，但管道仍无法再增加引水流量，在这样的情况下阿拉山口供水管理单位找到原设计单位，要求解决增加管道流量的问题。

#

33

第1段第2段第3段第4段第5段第6段

3管道监测数据及计算复核情况

根据管理单位来函我院对供水工程出现的问题进

2工程概况

阿拉山口供水工程由取水、输水及尾部调节水库

3

行了解，从现场了解到，全线供水流量达到1.0m/s3

后，再增加0.1m/s，管道第三段首端前池（减压

图1管道全线地形及分段情况

水利水电技术第50卷2019年增刊298

武清，等∥具缓冲功能进排气阀解决管道气阻流量偏小问题的实践研究井）就出现溢水，在不溢水情况下现场监测到管道前

三段末端的自由水头为35m、32.3m、33.5m。按照现场管道流量、压力数据进行水力计算，计算出使管道满流运行的分界点如表2所列。

表2

分

段

3

流量1.0m/s分段满流交界点计算

满流段末端起始桩号满流交界末端桩号无压

位置/m点位置/m位置/m段长/m落差/m水头/m0+00013+27824+028

2+30014+51824+758

13+27824+02845+035

23001240730

85.03924.871112.135

35.032.333.5

第1段第2段第3段

3

从表2计算结果看出，在供水流量接近1.0m/s

时，管道在前三段进口至压力流分界点的管段长度分别为2300m、1240m、730m，从管道断面看出（见图2），压力流与无压流分界点均处于大下坡地形段，无压区管段布置的进排气数量分别为：第一段有3处、第二段有1处、第三段有1处；布置的进排气阀间距：第一段600～800m、第二段700～1187m、第三段500～950m，如图2所示。

4

4.1

现场勘查分析及处理意见

管理方式的影响

一般管道充水是将末端控制阀关闭，管道流量从小流量开始充水，在管道充满水后再打开下游控制阀门，本工程开始运行时是这样控制的。但由于输水管材采用的是钢筒混凝土管，管道外壁没有做防腐，在运行期间，由于穿过的小洪沟在降雨时出现随水流将高处的土壤盐分带进管沟，盐分在管沟内形成积累，造成钢筒混凝土管局部钢丝锈蚀，有的地方出现断裂，第三段管道曾经出现过爆管，经对爆管段的回填

2－

土做SO4土样化验，最高含量达3287mg/kg，对照规范达到强腐蚀范围。因此在充水方式上管理单位不

图2管道纵断面示意

3

在管道充水接近1.0m/s时，管道上游斜坡段仍处于不满流状态过水，这种情况气体随水流运动，当再

增加流量，下游一处的进排气阀排气口突然被水淹没后，气体前进被阻止，气体受上游水流带动压缩后又反向上游运动使上一个排气阀突然大量排气，由于水流流速较大，带动水流上部气体运动较快，气体瞬间释放的气流量过大，使排气阀浮球被托起，依次压缩气体往上游管道继续运动，上游的进排气阀浮球依次被托起，使一定长度的无压流管道

表3

前三段管道陡坡段名流输水计算

P/m1.161.261.031.121.121.22

Ｒ/m

i

C

/m·s－1

1/2

敢再采用原来的充水方案，进而采用下游控制阀压力水头不大于60m，大于60m后末端控制阀开启，这样就在大下坡地形段管道处于明流工况时出现较大的充水流量，也造成了大下坡段管道内流速较大。经计算在流量为1.0m3/s情况下无压流速达到（4.9～6.2）m/s，在达到设计流量1.3m3/s情况下，管道内无压流速达到（5.2～6.6）m/s，由于首端无压流速较大，造成了进排气阀处于非正常工况工作。4.2管内气体流量过大的影响

根据以上原因，相应处理方式为：

水利水电技术第50卷2019年增刊2分段D/m0.90.90.80.80.90.9

H/mW/m20.320.370.290.330.310.35

0.210.250.160.200.190.23

Q/m·s－1

3V/m·s－14.875.226.176.625.245.64

第一段

0.180.03410.200.03410.160.06420.180.06420.170.04200.190.0420

62.4863.6161.2662.3662.0363.16

1.001.301.001.301.001.30

第二段

第三段

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武清，等∥具缓冲功能进排气阀解决管道气阻流量偏小问题的实践研究处于气体压缩状态，最后在无压段的进排气阀均被关闭，气体只能从小排气口及管道进水口排出，管道进水受到影响，致使管道在一定长度内流量不能再增大。4.3

对问题的处理建议

（1）经计算第三段管道在流量1.0m3/s情况末端水头与实测的有偏差，判断第三段管道有淤堵可能，首先排查第三管段满管段的气阻位置或淤堵位置，建议发现有气阻位置的换成同等口径的缓冲式进排气阀。

（2）建议对每段管道首段气阻的解决方法是，减小气体排出时的流速，将进排气阀换成具有缓冲功能的进排气阀。可将排气阀口径由DN150变为DN200，选具有缓冲功能的气缸式进排气阀替代。代换位置暂定为：第一段为前6处、第二段为前5处、第三段为前7处进排气阀。除此外在1#

及2#减压井出口钢管上焊接进气管DN200高于减压井0.9m排气，隧洞后的两段管道进排气阀处理同前三段。

（3）对各段的进排气阀进行排查，并进行必要的清洗，将浮球变形或损坏的进排气阀及时更换，确保正常使用。

5更换阀门后试运行情况

建管局根据建议，考虑到现在用的进排气阀口径

是DN150，改成DN200需要改变管道三通法兰管，费工费时，仍利用现在已有三通法兰管，口径为DN150，采用推荐的具有缓冲功能的气缸式进排气阀进行代换做试验，代换数量共10处，在无压段代换共4处，即第一段第一个进排气阀1处、第二段第一个进排气阀1处，第三段前两个进排气阀2处，其他6处为压力流段需要更换的进排气阀。

更换后在流量大于1.0m3

/s输水流量试验，目

前最大流量可达到1.2m3

/s。再增加流量，中间发生

了进排气阀关闭不严，出现漏水问题，分析原因可能有两个，一是气缸式进排气阀在进入管道明满交替状态时，阀筒内的浮球频繁开启关闭，造成阀筒内浮球关闭不严；二是管道中的气体排出量过大，流速过高，浮球在阀筒内高速通过时，造成浮球振动，使浮球关闭不严；三是可能进排气阀关闭时水中带有漂浮物，造成浮球关闭不严漏水。对以上三种情况对比，并进行多次试验后，认为前两种原因引起的浮球关闭不严的可能性较大。

100

6相关启示

更换具有缓冲功能的进排气阀后，更换前管道最

大输水流量只能达到1.0m3

/s，更换后可达到1.2m3/s，从中看出，设计院的改造建议是正确的。更换阀门及充水试验前后，对管道首端进排气阀布置有以下启示：

（1）进排气阀布置要考虑到管道全过程的充水放水工况，管道的充水放水方式是有变化的。

（2）即便是管道能按照小流量全部充满水后再进行放水，管道分段中间的减压井中的水量仍然是有限的，仍存在分段阀门开启时流量不均匀情况，管道首端仍然会出现明满流输水的短暂间隔时间，管道首端大量进气的可能性仍存在，该段布置的进排气阀仍然需要缓冲功能，特别是需要有二次打开的功能，设计中这是应该引起重视的。

（3）管道首端或中间处于下坡段时，进排气阀布置间距不能硬照搬规程CECS193—2005《城镇供水长

距离输水管（渠）道工程技术规程》

中推荐的0.5～1.0km布置一处进排气阀，规程中推荐的间距是管道坡度小于1‰时的布置要求，地形处于下坡段坡度较大

时根据情况间距宜适当变小，这也是设计中应该引起重视的。

（4）本工程从更换缓冲阀出现的浮球漏水现象说明，管道在大下坡段的进排气阀数量较少，要彻底解决大流量的充水问题，可采取加密进排气阀数量，减小进排气阀排气时的空气流速，减小阀体内浮球的振动，使浮球能处于稳态关闭。

7结语

以上是阿拉山口供水工程在管道承压能力降低情况下，为了继续向阿拉山口不间断供水，管道充水方式改变后，采用降低沿线管道压力，防止管道爆管的充水方式，在管道充水流量接近设计输水流量时出现的问题及解决的措施。每一个管道供水工程在充水过程中，或多或少都能遇到这样的供水工况。我国采用钢筒混凝土管供水的供水工程较多，工程运行多年后，难免会出现承压能力降低问题，在这样的情况下如何继续向下游供水，还要保证管道安全，也不失为一种好的管理措施。本文提出的对管道首端大下坡段进排气阀选型一定要具有缓冲功能、进排气阀在下坡段间距要适当减小，这样可为管道后续供水提供可靠保障，本工程的启示及设计理念对同类工程也具有借鉴意义。

（责任编辑康健）

水利水电技术第50卷2019年增刊2