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管道系统设计和布局

设计给水系统时,工程师需要考虑经济因素和技术因素,例如物业收购、施工成本、现场地形和地质条件。此外,在设计阶段还应分析并测试应急流量控制方案,因为它们会影响管道系统设计和喘振保护装置的规格。

具有高低起伏地形纵断面的管道布局很常见。对于这些系统,可能需要更改管道的路线和/或纵断面,以避免经过易于积聚空气或暴露在低压下(或两者)的高点,但这极少能够实现。如果最小瞬时水头高于管道系统的高程,则很可能不需要瞬时保护设备,从而最大限度降低施工成本和运营风险。

与高水头系统相比,低水头系统更易于遇到瞬时真空条件和液柱分离。如果系统设计师未考虑到低水头系统中出现的瞬时低压,则可能会指定壁厚度不够的管道,从而可能导致管道压溃,即使管道埋在压实得很好的管沟中也如此。应避免低水头系统具有埋设钢管且直径/厚度比 (D/e) 大于 200,因为瞬时真空条件期间会有发生结构性压溃的风险,特别是当管沟填料压实得不好时。

由于蒸汽分离,钢管、PVC 管、HDPE 管和薄壁熟铁管易于压溃;而任何已由于重复暴露在这些事件下而导致强度降低的管道可能会遇到疲劳故障。由于腐蚀而导致强度降低的管道也可能会发生故障。在瞬时事件期间可能会出现非常低的压力的地方,工程师可以选择使用更昂贵的材料来防止压溃。例如,对于处于高压下的大直径管道,钢管通常比熟铁管或高压混凝土管更经济。但是,工程师可能会选择高压混凝土管或熟铁管,因为它们更不易于压溃,并且可以消除运营限制。

与埋设管道相比,建造在地面之上的管道系统更易于压溃。对于埋设管道,周围的岩石层理材料和土壤可以进一步防止管道变形,并帮助管道抵抗结构性压溃。在地面之上的管道必须牢牢固定,以抵抗恒稳态力和瞬时力。

要使用组合空气阀来避免负压条件或真空条件,需要仔细分析可能的瞬时条件,以确保空气阀具有合格的尺寸和设计。文献中引用的几个案例描述了管道系统由于进气阀具有不合格的尺寸或设计或者保养不良而压溃。组合空气阀可以提供可靠的喘振控制,但不应忽略空气阀出现操作故障的可能性。

压力波速和液体流速是会影响极端瞬时水头的其他因素。对于提供相对低流量的短管道系统来说,可以选择较大的直径来降低流速,以便最大限度降低瞬时水头。但是,对于长管道系统来说,应选择适当的直径以降低施工成功和运营成本。长管道系统几乎总是需要瞬时保护设备。

在概念设计和初步设计期间考虑这些因素后,项目应转入最终设计阶段。应使用瞬时模型来分析在最终设计阶段对系统进行的任何更改,以在调试之前验证先前的结果和规格是否仍合适。