閥門(mén)在河北省南水北調(diào)配套工程中的應(yīng)用

曹 亮

河北省南水北調(diào)配套工程大部分是長(zhǎng)距離輸水管道供水工程，閥門(mén)作為整個(gè)輸水管網(wǎng)的控制元件，保證輸水管道安全和實(shí)現(xiàn)輸水管道調(diào)度功能，在將來(lái)的運(yùn)行管理中，顯得尤為重要。閥門(mén)的種類(lèi)很多，在配套工程應(yīng)用中按照使用功能主要分為檢修閥、調(diào)節(jié)閥、排水（泥）閥、旁通閥、進(jìn)排氣閥等。

1． 檢修閥

配套工程主要提供城市生活生產(chǎn)用水，這就決定了輸水管道安全運(yùn)行的重要性，但由于多方面的原因，管道運(yùn)行往往會(huì)出現(xiàn)一些故障，需要進(jìn)行維修。為了節(jié)省維修時(shí)間，加快管道維修速度，減輕事故影響，管道鋪設(shè)每隔4～8km設(shè)置檢修閥，便于分段維修。在配套工程中應(yīng)用的檢修閥主要有閘閥、蝶閥和偏心半球閥。

閘閥作為截止介質(zhì)使用，運(yùn)行過(guò)程中保持閘板全開(kāi)或全閉且不需要經(jīng)常啟閉，閘板在部分開(kāi)啟狀況下可以引起閘門(mén)的振動(dòng)，而振動(dòng)有可能損傷閘板和閥座的密封面，影響啟閉部件的使用壽命。本工程主要采用彈性座封閘暗桿式閘閥作為進(jìn)排氣閥、泄壓閥前的檢修閥門(mén)。

蝶閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，只由少數(shù)幾個(gè)零件組成。而且只需旋轉(zhuǎn)90°即可快速啟閉，操作簡(jiǎn)單。處于完全開(kāi)啟時(shí)，蝶板厚度是介質(zhì)流經(jīng)閥體時(shí)惟一的阻力，因此通過(guò)該閥門(mén)所產(chǎn)生的阻力很小。本工程采用軟密封、雙向擋水承壓雙偏心蝶閥（蝶板在啟閉閥過(guò)程中和閥門(mén)全啟狀態(tài)時(shí)，與密封面處于完全脫離狀態(tài)，且在密封座處出現(xiàn)較大間隙，減少閥門(mén)密封面的磨損和擦傷，延長(zhǎng)蝶閥使用壽命）。

偏心半球閥是球閥工業(yè)技術(shù)進(jìn)步而誕生的產(chǎn)物，它通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心軸，帶動(dòng)固定在其上的球冠來(lái)達(dá)到閥門(mén)的啟閉。其具有密封性好、耐磨損、閥門(mén)全開(kāi)時(shí)水頭損失接近于零、開(kāi)啟力小易于操作和維修、關(guān)閉能破除結(jié)垢障礙有一定自清潔作用，但由于鑄造及加工難度大，價(jià)格較貴。本工程采用全通徑、軟硬密封、雙向擋水承壓偏心半球閥，在對(duì)水頭損失要求較高，管徑不大的輸水管道作為檢修閥門(mén)。

2． 調(diào)節(jié)閥

在配套工程運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)行要求或用戶(hù)用水量的變化，需要對(duì)輸水流量和壓力水頭進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以配套工程在輸水管線分水口各支線首段、輸水干管末端及調(diào)壓井前設(shè)置了調(diào)節(jié)閥。

調(diào)節(jié)閥是靠改變閥門(mén)閥瓣與閥座間的流通面積，達(dá)到調(diào)節(jié)壓力、流量等參數(shù)的目的。由于普通閘閥、蝶閥、球閥以及旋塞閥、截止閥的流量系數(shù)與開(kāi)啟度的相關(guān)性呈非線性曲線，閥門(mén)開(kāi)啟少許時(shí)的水流在閥門(mén)出口端會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的紊流，引起震動(dòng)與氣蝕，不適合調(diào)流使用。在工程中常見(jiàn)的調(diào)節(jié)閥有活塞閥、多噴孔調(diào)節(jié)閥、帶自的清潔功能多噴孔調(diào)節(jié)閥、固定錐形閥、環(huán)噴式流量調(diào)節(jié)閥、梳齒形蝶板的蝶閥、轉(zhuǎn)芯球閥等。其中活塞閥以活塞沿管內(nèi)水流方向做軸向運(yùn)動(dòng)，在閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)，活塞在任何位置水流都呈環(huán)狀對(duì)稱(chēng)流。調(diào)流閥在運(yùn)行過(guò)程中能夠線性調(diào)流和穩(wěn)定減壓，并且具有過(guò)水流量大、振動(dòng)小、噪聲低、氣蝕輕、抗壓力強(qiáng)等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外均有生產(chǎn)，技術(shù)比較成熟，又可同時(shí)滿足自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)和應(yīng)急手動(dòng)調(diào)節(jié)的需求。因此選用活塞閥作為配套工程中的調(diào)節(jié)閥。

為滿足自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制要求，調(diào)流閥需加裝電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它一般由電機(jī)、減速箱、手操機(jī)構(gòu)、機(jī)械位置指示機(jī)構(gòu)等一些部件組成。與其他閥門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置相比，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置具有動(dòng)力源廣泛，操作迅速、方便等特點(diǎn)，并且容易滿足各種控制要求。

3. 排水（泥）閥

配套工程運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生事故維修、日常維護(hù)檢修都需要將該段的水和管道沉積物排空，為此須在兩個(gè)檢修閥之間的低洼處設(shè)置排水（泥）閥。一般選用閘閥、蝶閥、球閥均可，但考慮到排水（泥）閥有可能在有淤積物的情況下啟閉閥門(mén)，為了保證閥門(mén)啟閉的靈活性和密封性，在配套工程中選用偏心半球閥和閘閥作為排水（泥）閥。

4. 旁通閥

為避免在大口徑輸水管道的檢修閥開(kāi)啟向下游放空的管道充水時(shí)，閥門(mén)小開(kāi)度充水，引起震動(dòng)與氣蝕，同時(shí)減小閥門(mén)開(kāi)啟力。配套工程在檢修閥門(mén)處設(shè)置了小口徑旁通閥，先通過(guò)旁通閥沖水調(diào)節(jié)檢修閥上下游水壓差，再開(kāi)啟檢修閥通水。由于旁通閥直徑較小，閥門(mén)選用閘閥、蝶閥、球閥均可，如果閥井內(nèi)空間有限，可優(yōu)先考慮占用空間較少的蝶閥作為旁通閥。

5. 進(jìn)排氣閥

在長(zhǎng)距離輸水工程中，管道充水時(shí)需大量排出管道內(nèi)空氣，運(yùn)行期間要排出管道內(nèi)產(chǎn)生的微量積氣，避免管線中由于空氣的聚集，導(dǎo)致過(guò)流面積減小，直接影響輸送水量，使輸水量降低，同時(shí)使水的流速加大，水泵的耗能也相應(yīng)增加，影響測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確性和使用壽命。當(dāng)系統(tǒng)檢修泄水或發(fā)生事故停泵水錘時(shí)，管線中主要出現(xiàn)負(fù)壓，需及時(shí)向管道內(nèi)部送氣，防止管內(nèi)負(fù)壓過(guò)大，避免管道塌陷，同時(shí)消除形成拉斷性水錘的動(dòng)力源，避免彌合性水錘的產(chǎn)生。為此配套工程在輸水管道的一些局部高點(diǎn)以及部分節(jié)點(diǎn)位置布置了進(jìn)排氣閥。進(jìn)排氣閥是一種同時(shí)具備大、小進(jìn)排氣孔，當(dāng)管道空管充水時(shí)實(shí)現(xiàn)快速排氣，當(dāng)管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)又能快速進(jìn)氣，且在工作壓力下可排出管道中集結(jié)氣體的進(jìn)、排氣裝置。在配套工程中應(yīng)用的進(jìn)排氣閥主要有復(fù)合式排氣閥和帶限流板的復(fù)合式排氣閥兩種型式。

復(fù)合式排氣閥由主閥體、閥蓋、浮球、閥座和微排閥等組成。在輸水管道的一些局部高點(diǎn)以及部分節(jié)點(diǎn)安裝復(fù)合式進(jìn)排氣閥，在供水初期，排出管道中大量的空氣，排氣閥在水浮力作用下關(guān)閉，有效保護(hù)管線，通過(guò)微量排氣閥不間斷的排出管道運(yùn)行中析出的少量空氣，消除所有氣囊，解決氣阻帶來(lái)的危害。當(dāng)管線產(chǎn)生真空負(fù)壓時(shí)，進(jìn)排氣閥大量吸氣，避免負(fù)壓過(guò)大而使管道塌陷。當(dāng)負(fù)壓消除完，斷開(kāi)水柱回流時(shí)，進(jìn)排氣閥以適當(dāng)速度排氣，避免彌合性水錘產(chǎn)生的巨大水錘升壓，保證輸水系統(tǒng)的安全。

帶限流板的復(fù)合式排氣閥由主閥體、閥座、閥蓋、浮球、閥瓣、彈簧、限流板和微排閥等組成。其工作原理與復(fù)合式排氣閥基本相同，在消除彌合水錘作用方面尤為顯著，其原理是當(dāng)管道快速充水或管道發(fā)生水柱分離后的水柱彌合時(shí)，管道中空氣經(jīng)過(guò)空氣閥全速排出，同時(shí)閥內(nèi)外產(chǎn)生壓差，壓差達(dá)到預(yù)定值，限流板受壓力影響自動(dòng)上升，通過(guò)限流板上的排氣孔排氣，限制排氣速度，直至浮球密封主排氣孔。從而利用管道內(nèi)空氣的可壓縮原理和氣團(tuán)彈性，緩沖系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動(dòng)，阻止因快速排放所產(chǎn)生的彌合水錘，保護(hù)管道系統(tǒng)。

配套工程在一般管道段使用了復(fù)合式排氣閥，地形起伏較大，有斷流彌合水錘可能發(fā)生處，選用帶限流板的復(fù)合式排氣閥。

6. 水錘消除設(shè)備

在長(zhǎng)距離輸水工程中，由于種種外因引起的水錘壓力，經(jīng)常對(duì)輸水管道造成嚴(yán)重破壞。輕者造成漏水、停水，重者發(fā)生爆管、淹沒(méi)泵站。為保護(hù)輸水管道不出現(xiàn)超壓破壞，配套工程在泵站出水總管首端、重力輸水管道末端閥門(mén)上游和管線中間可能出現(xiàn)較大水錘壓力的位置設(shè)置水錘消除設(shè)備，常用的水錘消除設(shè)備主要有安全閥、帶限流板的復(fù)合式排氣閥，水擊泄放閥、氣囊式壓力罐、緩閉止回閥、多功能水泵控制閥等。其中安全閥只能泄水降壓，但其快開(kāi)快閉的泄壓特點(diǎn)容易在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生二次水錘，對(duì)管道、閥門(mén)造成損壞。根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件，后5種水錘消除設(shè)備在配套工程中均有應(yīng)用，其中帶限流板的復(fù)合式排氣閥主要消除斷流彌合水錘。

水擊泄放閥當(dāng)水錘升壓達(dá)到管道需要的壓力保護(hù)值，水擊泄放閥瞬間開(kāi)閥泄水、泄壓。當(dāng)閥前壓力低于設(shè)定值才緩慢關(guān)閉，不產(chǎn)生自身關(guān)閥水錘。具有完全水力式自動(dòng)控制，不需任何外動(dòng)力，快速響應(yīng)過(guò)壓條件，泄水消錘性能可靠等特點(diǎn)。

氣囊式壓力罐利用氣體壓縮性大的特點(diǎn)，將壓縮氣體注入和水隔開(kāi)的薄膜橡膠囊中，使充滿氣體富有彈性的氣囊，能有效地吸收或抑制水管中發(fā)生的各類(lèi)水錘和其他可能產(chǎn)生的水錘正壓和負(fù)壓，保護(hù)水泵、閥門(mén)和管道不受損壞。具有適應(yīng)性強(qiáng)，消除各種類(lèi)型水擊波的效果良好，加工制作和維護(hù)檢修方便，動(dòng)作簡(jiǎn)單快捷，無(wú)滯后延時(shí)動(dòng)作的特點(diǎn)，唯獨(dú)體積較大，需有空壓機(jī)配套。

緩閉止回閥由閥體、對(duì)開(kāi)雙半圓型蝶板、閥桿、復(fù)位彈簧、液壓緩閉油缸及旁通調(diào)節(jié)管路組成。安裝在水泵出口，設(shè)有微阻緩閉裝置，能夠有效防止介質(zhì)倒流和水錘發(fā)生。當(dāng)水泵停止時(shí)，管道內(nèi)壓力突然減小，閥瓣在復(fù)位彈簧的作用力下，開(kāi)始迅速回位，當(dāng)閥瓣與緩閉活塞接觸時(shí)，緩閉活塞內(nèi)液體開(kāi)始通過(guò)旁通管壓回液壓缸。閥瓣緩閉時(shí)間可由旁通管路上的調(diào)節(jié)閥設(shè)定，理論上緩閉時(shí)間越長(zhǎng)越能有效的消除水錘，但同時(shí)泄水量會(huì)增加，對(duì)水泵安全造成影響。緩閉時(shí)間需通過(guò)計(jì)算確定。

多功能水泵控制閥采用膜片式結(jié)構(gòu)，由閥體、閥蓋、主閥板、緩閉閥板、閥桿、膜片、膜片壓板及控制管路等組成，其融控制、止回、水錘消除三種功能于一體，有效的提高系統(tǒng)安全可靠性，滿足系統(tǒng)自動(dòng)化控制的要求?？克ψ詣?dòng)控制，啟、閉運(yùn)行應(yīng)與水泵聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)了離心水泵的閉閥啟動(dòng)。啟泵時(shí)緩開(kāi)、停泵時(shí)先快閉后緩閉的兩階段關(guān)閉功能。