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顺坡管道运行中特殊状况的探究

2020/7/31
顺坡管道是指管中心上游标高比下游标高高的输水管道。对于排水管道而言,大多数是重力输送,重力输送管道都是顺坡管道。笔者在生产实践中遇到顺坡管道中几种异常现象,经过分析,找出原因,提出一些看法,供设计研究参考。 
1 输送灰渣管道的磨蚀现象
  山西铝厂自备电站的锅炉采用湿式除灰,灰和渣用水冲下来以后,水温升高至26~28℃,灰渣水固体的质量分数为4%-5%左右,用泵加压后,用φ325 × 8的螺旋钢管输送到 7.5 km以外的灰渣堆场。
  该灰渣管道采用法兰连接(8 m/根),架空敷设。运行2-3a后,发现全管道结垢,由电厂出口至堆场由厚变薄。靠近电厂1km处,垢厚50-70 mm;靠近堆场7 km处,垢厚7-10 mm,成层分布,灰白颜色,影响正常输送。  在用高压水对结垢管道冲洗中发现,有一段坡度很大的管道门.8 km处),不但没有结垢,反而磨损程度比较严重,最薄处管道厚度剩下2.5mm。为安全起见,只好将管道上下颠倒一下(俗称翻面),即将管道上管壁变成下管壁。为什么同一管道有截然不同的两种现象?这是因为水在向下流动的过程中,水流的方向发生变化。水平管道中,流速没有向下的分速度,流速的方向平行于管道中心线。而在顺坡管道中流速发生了方向上的变化,见图1。笔者认为,正是流速方向发生的变化引起向下的分力,这个分力作用于灰渣颗粒,使灰渣颗粒具有了向下的动量(11),加上重力作用,使颗粒不断地冲击管壁(灰渣颗粒在显微镜下呈多棱角形结构),作用于管壁后再转化为冲量(Ft),对管材造成磨蚀,使管壁不断地变薄。

  分析可知:坡度越大,即α值越大,分速越大,颗粒的动量越大,冲击强度越大,管材磨蚀越快,管径确定以后,分速度的大小取决于α值,当分速度=(10%-15%)速度值时,对管材产生明显磨蚀,而α<100的灰渣管道,磨蚀不太明显,例如同一条管道,在另一顺坡段2.5 km处(见图2),则不是磨蚀而是一层薄薄的垢(2-3 mm)。据此得出启示:在输送颗粒性的浓水(w固体)>5%)管道设计时,遇到顺坡坡度>100的管段,要考虑水中颗粒对管道的磨蚀。可以采取加大管径或降低流速,或者设计一段平坡加一垂直段,减小α值来减小输送介质对管道的磨蚀。

2 生活供水管的“黑水”现象  山西铝厂开采地下水作为水源,两根DN500连续铸铁管作为生活用水的输水管道。多年来,因水源地受到轻度污染,加上消毒不严格,在管中滋生了微生物,由于水中微量有机物。粘土、溶氧、以及管中铁元素的存在,产生了大量的嗜铁细菌。嗜铁细菌迅速腐蚀铸铁管,因此在铸铁管内壁形成了一层4-8 mm厚的黑色粘泥。这种粘泥遇到管中流速发生变化或者流速大到一定程度后,则被冲下来进人居民家中。所以每遇到停送水一次,居民家中就能见到一次黑水,水中含有大量黑渣,严重时水呈茶水铁锈颜色。  一新投入使用的居民楼,黑渣水存在时间长达8-9个月。黑渣多时高达100 mg/L。而隔一条马路,同一条输水管供水的居民楼,水质就比较好,黑渣很少。经调查分析这个居民楼比其它居民楼位置低,供水管顺坡而下,管中产生一个向下的分速度,水的动量对黑色粘泥产生一个冲量,引起黑渣泛起,进入居民家中,供水管道几何尺寸见图3。

  改造方法:见图4,采取扩大管径并增加垂直段后,居民家中用水水质明显改观。

3 排水管道中的水跃现象  水跃是棱柱形管道(渠道)输水过程中水流由急流转化为缓流时出现水位升高的一种水力学现象。有一条循环排水管道[1]:循环水量10 000-11 000m3/h,圆形混凝上管道,非满流,上游管段:φl 000,i=2.0%,下游管段 φl 200,i=0.6%。查《给水排水设计手册》知上游:v=7.75m/s,h/D=0.80;下游:v=2.60 m/s,h/D=0.95。  根据判断急流和缓流的系数——佛罗德数(Fr)计算公式[2]:  Fr=v·(gh)1/2式中:g—重力加速度,m/s2;   v—流速,m/s;    h—平均水深,m。  可以计算出:上游Fr=1.63>1,下游Fr=0.78<l。  判断准则:Fr>1为急流,Fr<1为缓流。  由此判断此上下游管段之间发生水跃无疑。现场测定的结果与计算基本一致:由于水跃的存在使下游合口淹没在水中,且淹没深度达300-350mm,水位升高,被迫使井口加高出地面 1.5 m,即使这样,好多杂物仍在此井积存,水流溅出来的浪花迸出井外。另外水力学[2]计算可知:在此井内产生的水跃长度(水平方向)应为下游水深的3倍,即 3× 0.95 ×l.2= 3.42 m,这个长度显然在此井内满足不了,所以必然引起上游的水位涌高,依次上溯,造成水流不畅。  实践中遇到这样的问题时,因为管道和检查井已经做成,不易改变,于是在检查井上游,将管道开口分流出 1/3的流量,并同管并行敷设一条明渠引至下游的一个跌落井内,才使问题得到解决。建议在排水管设计时,对急流变缓流的管段,坡度较大且拐90°角的管段一定要计算水流的佛罗德数,若确认会发生水跃现象,可采取扩大井室消能,做好流槽,降低下游管底标高等做法来解决这一问题。
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