长距离重力式输水管道上的阀门选择

长距离重力式输水管道上的阀门选择

冯裕疆1孙建民2

1.新疆新勤建设工程有限公司阿克苏843000；2.博州阿拉山口供水工程管理处新疆博乐833400

摘要：本文结合近几年来新疆境内长距离、跨流域调水、供水工程接连建设，具有代表性的工程有阿拉山口输水工程、罗钾外部输水工程、大西沟供水工程、阿图什市工业园区供水工程等都属于近几年来在新疆境内建成有特点的长距离重力式输水工程。本文根据供水工程中设计咨询意见加上自己多年来管道设计的经验及所见到已建工程的情况，对重力式输水管道几种阀门选型时应注意的问题谈谈自己的看法，并列举工程实例说明。

关键词：进排气阀；泄水阀；节制阀；水头损失；水锤

1.沿线阀门的选型

1.1进排气阀选型，

目前国内外生产的进排气阀型式一般分为：单一浮球（筒）式、浮球（筒）杠杆式、组合式、气缸式。前两种由于进气量小，虽经改进也摆脱不了其缺点，市场用量逐步缩小。后两种用的较多，但组合式只能在充水时一次进水排气，低压大排气口关闭后，就只能依靠高压小排气口排气，这样充水阶段不能快速排出波状流、段塞流及运行阶段的气团流气体。气缸式进排气阀的低压大排气口可以在充水阶段带压多次打开，连续排出管道内积存的柱状气体。又由于它是将进排气阀与减压阀合二为一，在高压排气时的缓冲作用优于其它任何型式的进排气阀。由于进排气阀结构型式多样，阀门选型宜从两方面考虑。

（1）从进排气阀外观选择阀门型式

进排气阀选型应依据纵断面图，再根据管道纵坡、位置、地形情况选用不同的进排气阀。在管道节制阀后、管道进口段及管道大的隆起点处应首选气缸式进排气阀。其优点是在管道运行的初期，管道内压力不大但有多的剩余柱状气体及段塞气体时，能二次打开大排气口排气。其它地方可选用组合式进排气阀，优先选择自带气体缓冲盘的进排气阀，若无缓冲盘可增加缓冲阀，减小高压水流对浮球的破坏，延长设备寿命，也可全线选用气缸式进排气阀。管道纵坡较缓段可选不带缓冲盘或缓冲阀的进排气阀。

（2）从进排气阀内结构选择阀门型式

首先通过进排气阀结构剖面图判断分析：一看阀门结构，是单一浮球（筒）式、浮球（筒）杠杆式、组合式、气缸式，通过观察剖面图将这几种阀门区分开来；二看大排气口的排风道，在大量排气时风道是否会直接吹向浮球，若可直接吹向浮球可能会气体未排干净就关闭大排气口，这种结构会造成低压排气排不干净，加重高压排气口的排气负担，不宜选这种结构；若浮球与阀体内筒之间有进风流道，托起浮球只能是水面上升后被托起，这种结构型式较好；三看大排气口浮球关闭后，阀内水面与排气口顶面的距离，距离小防冻效果差，反之效果好；四看高、低压排气口是否都在阀顶部，若高压小排气口在低压大排气口上面或一侧，则低压排气口防冻效果差，若高压排气口低于低压排气口一定距离，则低压排气口防冻效果好；五看低压大排气口排气流道有没有缓冲装置，若有则运行效果较好；六看排气口径与进气阀管径大小，若排气口径大于等于70%进气阀管径，说明阀门排气量大，进气能力足，若排气口径小于70%进气阀管径，说明阀门排气能力不足，进气能力也不足；七看浮球起落时是否稳定，浮球起落时是否有导向杆，有则运行比较稳定，没有浮球在排气时容易跳动，若为杠杆式时，有时会出现卡阻现象；八看检修清洗是否操作简单，检修操作是否方便，若方便结构较好。

实践中仅要求用组合式是不够的，如阿图什市工业园区一期管道进排气阀要求采用组合式，并加装缓冲阀，但称谓组合式型式太多，招标后所供型式与设计所要的型式相差甚远，二期设计为了贯彻设计思想的一致性，沿线改用气缸式，这样就保证了设计与实施型式的统一。

1.2节制阀选型

管道沿线的节制阀门处于管道的重要位置上，起到关键的控制作用。应根据管道直径的大小、管道水流特点、管道工作压力、运行工况及工程重要性分析研究采用不同型式的阀门。长距离输水管道由于管线较长，一般采用闸阀、截止阀、球阀（旋塞阀）、蝶阀作为节制阀门，采用哪一种型式的阀门要分析确定。

（1）从阀门口径上比较，闸阀、截止阀、球阀（旋塞阀）直径系列均较小，常用的闸阀工压在1.6~2.5MPa的直径一般达到DN1200及以下，工压在4.0~10MPa的直径一般达到DN600及以下；截止阀直径一般较小，工压在2.5MPa以下的直径一般在DN300及以下，工压在6.4MPa以下的直径一般在DN200及以下；球阀手动方式一般直径较小，一般在DN200之内，但电动球阀直径可达DN2000，最大工压达4.0MPa；旋塞阀最大直径达DN2400，工压在1.6MPa以下；蝶阀直径一般较大，工压在1.0MPa以下的直径一般在DN3400及以下，工压在1.6MPa以下的直径一般到DN2000及以下。

（2）从水流穿过阀体的流态比较，闸阀水流方向始终沿管道方向，水流对阀板及管道汽蚀作用较小，用作节制阀较好；缺点是直径大于DN600后阀杆较高，阀体自重大，需要阀井深或长。

截止阀的水流是通过阀体内部的塞帽后进入涡腔产生涡流，再由涡腔至下游，阀体过流局部水损较大，阀径较小，一般在DN300以下，一般用于直径较小管道。

球阀（旋塞阀）水流在小开度时，在旋球内或在半球锐沿处水流为折冲流动，其优点是阀体受水流水平推力小，关阀时振动小，阀门中不留污物；缺点是小开度折冲水流对阀后管壁形成冲击，对管壁有剥蚀作用，不利于有内壁防腐层的管道，又由于旋球与阀轴不在同一平面内，开关力矩较大，相比其它阀门所配动力功率较大，由于旋球空间大造成阀体重。球阀一般在DN200之内选择手动，大于DN200后一般选电动。

蝶阀的阀板在管道中间，水流穿过时水流撞击阀板产生振动，阀板在高水头小开度时与球阀及旋塞阀情况相同，由于阀体较短，小开度水流对下游管道内壁防腐层有气蚀；又由于阀板在中间，阀门的局损系数较大、阀板对水流中的漂浮物有阻碍、造成碟版经常摆动易使阀轴密封失效。一般用于空间结构小，不常使用的检修阀。

（3）从工作压力及运行工况比较，要求打开阀门时阀前工作压力水头不能太高，阀门工作时，由于这几种阀门用作节制阀门时局损系数均较小，产生的水头损失较小。阀前压力水头过高：①若阀后无水，突然打开阀门后流速很大，水体以高速水流充满阀后管道后可能会水柱对撞，产生弥合水锤，对管道不利；②高压力小开度打开时，阀板处为高速水流，闸阀、截止阀、蝶阀阀板锐沿背后会出现高负压区，对阀板易产生气蚀，破坏阀体或管道。因此这几种阀门用作节制阀门时，在阀前压力水头不太高，根据计算一般不超过40m~50m为宜，再高宜设平压阀。

（4）从阀体结构特点比较，闸阀阀体比较高，对阀门使用场所要求较高，保护阀门的阀井尺寸大，要根据情况确定是否需要为闸阀；截止阀口径较小，一般用于小管径系列管道上，缺点是阀门局损大，阀体较长，适合安装阀门处有充裕的空间；球阀（旋塞阀）阀体较大，阀门较重，但阀体相对闸阀低，止水旋球材质为金属，止水效果好，常被用于较重要的地方。蝶阀的优点是阀门口径系列大，阀体长度较小，阀体总高度低，占空间小。

1.3泄水阀选型

管道泄水阀位于管道沿线，一般在沿线地形的低凹处，阀前水压各不相同，打开阀门的压力有差异，又受到阀后是否有消能要求、泄水时间及流量限制、水源水质情况不同选兼顾这些要求的阀门。一般没有消能要求时，阀门在高压力时打开，在低压力时关闭。这种情况要做好阀后的消能设计，阀门选择有几种情况：

（1）在管径DN≤300时，宜选用球阀（旋塞阀）、闸阀、截止阀系列。由于阀径小，泄水流量小，对下游的破坏小，所以较常用。从放水阀高度到出水管出地面，泄水管长度一般在100m以上，由于管径较小，单位水头损失较大，阀后出水管总水头损失较大，阀前来水总水头容易与阀后总水损得到平衡，这样阀后不增加消能设备。

（2）在管径为DN400~DN600时，宜选用闸阀、球阀、旋塞阀系列，该口径均在这三种阀门口径系列范围，可选范围较广。

（3）在管径大于DN600时，由于泄水流量较大，对下游破坏较严重，下游没有排水通道时一般不常用。若需要，在水头不高情况下，宜首选球阀及旋塞阀，其次是闸阀。球阀、旋塞阀及闸阀不易被堵塞，所以常用作泄水阀，但球阀及旋塞阀价格偏高，一般用于压力较大、位置较重要的地方；蝶阀作为泄水阀一般不常用；若泄水时阀前压力高，应考虑采用调流消能阀，或设置消能建筑物，可有以下几种考虑方式：

①若水源为原水，存在漂浮物及泥沙时，在管径大于DN600时，又处于关键位置，考虑污物的影响可首选闸阀、旋塞阀，这两种结构的阀门不宜被堵塞；

②若沿线电源缺乏，动力电源是太阳能供电时，由于太阳能的电量有限，宜选用功率较小的阀门，如活塞式（淹没式）消能控制阀，也可减小管径，单管变双管泄水，减小电机启动功率。

③若电源动力有保障，可首选球阀、旋塞阀，这两种阀门作为泄水阀时安全性高，不存在关闭不严问题，阀体占空间小。

④若阀前压力较大，可选用活塞式消能控制阀或淹没式消能控制阀。

⑤若阀前压力较大，既排泥又消能时，宜首选以控制为主兼有消能作用的活塞式喷放阀，可以做到泄水的同时向外排出泥沙。

1.4管道末端控制阀门选型

本文所说的是管道分段末端的控制阀门，长距离重力式输水管道是配水管道的上一级管道，由于重力输水管道大多地形坡度大，首尾落差大，末端剩余水头高，同时又是管道水流控制的关键节点上，特别是管道在调试阶段阀门处于高压力小流量频繁开启，客观上要求末端阀门必须具有能消除大落差形成的剩余水头、能频繁开启不产生气蚀破坏、并可在小开度下无气蚀。过去使用传统的阀门如闸阀、球阀（旋塞阀）、蝶阀等作为管道末端阀门，由于阀门不是以消能为主，是以截断水流为主，用于管道末端控制阀，管道剩余水头未消除，阀后水流动能较大，破坏力较强，甚至在高压力下阀门关闭不严，常造成气蚀现象，给工程管理带来诸多困难。

目前根据国内阀门发展，出现了以水柱对撞消能为主的套筒式（活塞式）消能控制阀，大致有三种：一是多喷孔控制阀，二是活塞式调流调压阀，三是淹没式多喷孔控制阀。这种阀门有流量调节兼有消能作用，可以将阀前很高的水头一次性地减压到很低水头，阀门在高水头下可小流量运行。从阀门安装方向划分为立、卧两种型式；从消能时水柱的喷射方向划分为内喷式（卧式）和外喷式（淹没式）；从阀门是否可在线消能划分，活塞式可放在管道某一位置（消除部分水头）也可放在管段的末端，淹没式由于出口水体与大气连通，只能放在管段的末端；从操作机构在喷孔内外划分，操作机构在喷孔外侧的采用外滑道，操作机构在喷孔内侧的采用内滑道。从活塞阀内外滑道的工程使用效果比较，外滑道易受砾石卡阻。多喷孔控制阀的特点是操作机构及滑道外侧，喷孔直径为8mm，滑道易被石子卡阻。淹没式多喷孔控制阀是将活塞式多喷孔由内喷对撞消能变为向外喷，水柱先通过一定厚度的水体再喷向阀井内壁，最大限度消除由于水流对撞引起的噪音，并可一次性地使末端水头降至3~4m，消能效果好。

典型案例有：新疆阿拉山口供水工程中使用5台多喷孔控制阀；罗钾扩能改造外部供水工程选用4台活塞式调流调压阀；大西沟管道采用12台淹没式消能控制阀。阀前最大压力均1.2~1.6MPa，阀后压力降至0.05MPa~0.275MPa，运行状况良好，操作系统动力小，流量调节精度高，根据近年来已建长距离重力输水所选阀门运行情况，建议重力式输水管道的末端控制阀门选用调流消能阀较好。

2结语

重力式输水管道是供水工程的主要形式之一，一般有较大的落差，管道前后压力悬殊，管道泄水工况复杂，因此阀门选择时不仅要考虑阀门的适应情况，更要考虑到工程的重要性，阀门处于什么工况，运行特点等，哪一种阀门更适合，需认真地筛选，才能选出更合适的阀门。