CN102620998B - 起伏管道试压排水试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种起伏管道试压排水试验装置和方法。该装置包括：试验管道系统、供气系统和供水系统、以及对试验管道系统进行测量和数据采集的测量与数据采集系统；试验管道系统包括由有机玻璃制成的透明的起伏管道和连接透明的起伏管道的收球和发球装置，收球和发球装置推动清管器在透明的起伏管道内移动以进行排水试验；供气系统为运移在透明的起伏管道内的清管器提供运移的动力；测量与数据采集系统包括：设置在透明的起伏管道上的压力传感器、流量计、设置在透明的起伏管道外的激光检测器和高速摄像机以显示并记录排水过程中的包括清管器在透明的起伏管道内移动的时间、速度以及透明的起伏管道内的压力、流量的气液流动状态参数值。

Description

起伏管道试压排水试验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种新建油气管道试压排水领域的试验装置，用于模拟地形起伏地区新建油气管道试压结束后的排水过程，具体而言，涉及一种起伏管道试压排水试验装置和方法。

背景技术

对于新建油气管道，试压操作是管道工程施工的一个重要工序，也是工程竣工投产前对管道进行安全检查的重要手段，它可以及时发现管道存在的缺陷，检验管道的质量，以便及早采取措施，排除管线中的隐患。按照施工要求，在试压完成之后需要将管道内的试压水排出。试压过程中给出了油气管道试压的具体操作标准，然而对于试压之后管道内积水的排放操作未做具体规定，实际工程中一般是利用压缩空气推动清管器将管道内的试压水推至管口排出。

然而按照工程惯例，对于存在地形起伏的新建管道，在试压结束后启动压缩机推动清管器排出管道内试压水的过程中，由于清管器在起伏管道内高速运动，因而发生了管道超压现象，并导致了管道末端发生爆裂，即使没有发生爆管，也存在安全隐患。

目前，国内外尚无起伏管道试压排水爆管机理这方面的系统研究，也没有研究起伏管道试压排水爆管的方法和试验装置。

发明内容

本发明提供一种起伏管道试压排水试验装置和方法，以解决起伏管道试压排水爆管机理没有可供研究的模型和方法的问题。本发明的目的在于提供一种起伏管道注气推球排水试验装置，在可视条件下，观测不同压力、流量、液体含气量、排水管径下注气推球排水时清管器运行、流体流动的状态并准确测量试验管道内的最大瞬时压力，进而对超压爆管机理进行研究。

为此，本发明提出一种起伏管道试压排水试验装置，所述起伏管道试压排水试验装置包括：试验管道系统、与所述试验管道系统连接的供气系统和供水系统、以及对所述试验管道系统进行测量和数据采集的测量与数据采集系统；

试验管道系统包括由有机玻璃制成的透明的起伏管道和连接透明的起伏管道的收球和发球装置，所述发球和收球装置用于发送和接收在透明的起伏管道内移动以进行排水试验的清管器；

供气系统，连接收球和发球装置，所述供气系统包括空压机，在排水时为运移在透明的起伏管道内的清管器提供运移的动力；

供水系统，用于将透明的起伏管道内充满水；

测量与数据采集系统包括：设置在透明的起伏管道上的压力传感器、液体流量计和设置在透明的起伏管道外的激光检测器和/或高速摄像机以显示并记录排水过程中的包括清管器在透明的起伏管道内移动的时间、速度以及透明的起伏管道内的压力、流量等气液流动参数值。

进一步地，所述起伏管道试压排水试验装置还包括：回水系统，用于将所述透明的起伏管道内的水循环输送至所述供水系统，所述起伏管道试压排水试验装置还包括：不锈钢管制成的起伏管道，不锈钢管制成的起伏管道与有机玻璃制成的透明的起伏管道的形状和结构相同，不锈钢管制成的起伏管道用于在使用有机玻璃制成的透明的起伏管道前预先测试试验管道系统内的压力。

进一步地，所述透明的起伏管道包括依次连接的水平下倾段、上倾段、高点下倾段及水平段，长度分别为6.8m、6.8m、8.3m和2m，所述水平下倾段从所述透明的起伏管道的进口向下倾斜至最低点，所述上倾段从最低点向上倾斜至最高点，所述高点下倾段从最高点向下倾斜与水平段连接，所述水平段与所述起伏管道的出口水平连接，所述透明的起伏管道的最高点和最低点的高差达到7.5m，所述水平下倾段与水平方向夹角为115度，所述水平下倾段与所述上倾段的夹角为30度，所述上倾段与所述高点下倾段的夹角为60度，所述高点下倾段与水平段的夹角为135度。

进一步地，所述透明的起伏管道的进口、出口、最高点及最低点分别设有压力传感器，用于采集清管过程中所述透明的起伏管道的流体的瞬时压力。

进一步地，所述收球和发球装置包括：发球筒和发球阀门、收球筒和收球阀门，所述透明的起伏管道串联在发球筒的出口端和收球筒的入口端之间，所述收球筒的出口端并联有多个不同口径的排水管，所述收球筒的出口端设有电磁流量计，用于检测排水流量，以检测排水管口径对所述透明的起伏管道的瞬时压力的影响。

进一步地，所述透明的起伏管道的最高点设有进气阀，在向所述透明的起伏管道内注水时开启所述进气阀排出最高点处积存的气体，在注水结束后开启所述进气阀调节进入所述透明起伏管道的气体的含量，所述透明起伏管道的最低点设有排水阀，用于试验结束后排净所述透明起伏管道内积存的液体。

进一步地，所述收球和发球装置设有进气口与供气管道相连，设有进水口与供水管道相连，设有放空口用于排放所述透明的起伏管道内的有压气体，设有排污口用于装入清管器之前将发球筒内的水排放。

本发明还提供一种起伏管道试压排水试验方法，所述试验方法采用在透明的起伏管道内推动清管器移动以进行排水试验，采用激光检测器和/或高速摄像机、数据采集卡及计算机，以显示并记录排水过程中包括清管器的速度、通过时间以及透明的起伏管道内的气液流动状态。

进一步地，所述透明的起伏管道包括依次连接的水平下倾段、上倾段、高点下倾段及水平段，长度分别为6.8m、6.8m、8.3m和2m，所述水平下倾段从所述透明的起伏管道的进口向下倾斜至最低点，所述上倾段从最低点向上倾斜至最高点，所述高点下倾段从最高点向下倾斜与水平段连接，所述水平段与所述起伏管道的出口水平连接，所述透明的起伏管道的最高点和最低点的高差达到7.5m，所述水平下倾段与水平方向夹角为115度，所述水平下倾段与所述上倾段的夹角为30度，所述上倾段与所述高点下倾段的夹角为60度，所述高点下倾段与水平段的夹角为135度，在所述高点下倾段依次加装有多个激光检测器，用于检测清管器在高点下倾段的通过时间，并采用高速摄像机拍摄高点下倾段中清管器的运动及液体流动状态。

进一步地，所述试验方法采用前面所述的起伏管道试压排水试验装置，所述供水系统采用正向供水或逆向供水将所述透明的起伏管道内充满水；所述正向供水由发球筒向收球筒的方向注水；所述逆向供水通过末端注水管从收球筒向发球筒方向注水，所述末端注水管连接在收球筒的出口端。

本发明通过在透明的起伏管道内进行试压排水试验，可较充分地模拟出清管器在下倾段加速运动冲击气囊或断流空腔的过程，通过激光检测器、高速摄像机以实现显示并记录注气排水过程中的清管器的通过时间和速度以及透明的起伏管道内的气液流动状态，从而得到清管器的通过时间和速度对起伏管道内的压力的影响。

本发明具有大高差的有机玻璃起伏管道，最大高差可达7.5m，而通常试验管道的起伏高度往往在1m左右。因此，本发明的起伏管道模型可较充分地模拟出清管器在下倾段加速运动冲击气囊或断流空腔的过程。

本发明在有机玻璃起伏管道的进出口及高低点处均安装了高精度的压力传感器，在起伏管道进口前安装了气体流量控制器、出口处安装了液体流量计，在高点下倾段安装多套激光探测器，并架设高速摄像机进行拍摄，使得数据采集量大大增加，为研究提供了更为充足的数据支持。另外，运用数据采集软件进行压力、流量、清管器通过等多参量的采集，避免人工操作误差，实现数据采集的自动化。采用高速采集板，能够采集在短时间内变化比较快的高频物理量。

为研究在排水过程中起伏管道内不同含气量的影响，本发明在注水时采用了正向推动清管器注水或采用在末端从排水管逆向注水，以使起伏管道内无气体掺入，然后开启高点进气阀和末端的排水管排水阀，采用量筒精确控制进入起伏管道内的气体量。

附图说明

图1为根据本发明实施例的起伏管道试压排水试验装置的整体结构示意图。

图2为根据本发明实施例的起伏管道采用不锈钢管时测得的注气推球排水过程压力变化趋势图；其中，纵坐标表示压力，横坐标表示时间，P1，P2，P3，P4分别是起伏管道入口处的压力，起伏管道最低点的压力、起伏管道最高点的压力，起伏管道出口收球筒处的压力。

图3为根据本发明实施例的起伏管道采用有机玻璃时测得的注气推球排水过程压力变化趋势及清管器通过示意图，其中，纵坐标分别表示压力和电压，横坐标表示时间，P1，P2，P3，P4分别是起伏管道入口处的压力、起伏管道最低点的压力、起伏管道最高点的压力，起伏管道出口收球筒处的压力，L1，L2，L3，L4，L5，L6分别是高点下倾段上依次向下排布的激光检测器测得的各检测点的电压，当上述六检测点中，某点的电压曲线从水平线陡然变为竖直下降时，此时表示清管器通过该点。

图4为根据本发明实施例的透明的起伏管道的结构。

附图标号说明：

1空压机2缓冲罐3减压阀4气体流量控制器5截止阀6压力表7储水罐8过滤器9注水泵10截止阀11储水箱12过滤器13回水泵14截止阀15放空阀16排污阀17发球筒18发球阀门20高点进气阀21低点排水阀22收球阀门23收球筒24放空阀25末端注气阀251末端注水管26排水管27压力传感器28液体流量计29激光检测器30高速摄像机31数据采集卡32计算机40起伏管道41连接管401水平下倾段402上倾段403高点下倾段404水平段421弯管422弯管423弯管424弯管425弯管50供气系统60供水系统70收球和发球装置80回水系统

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提出一种起伏管道试压排水试验装置，所述起伏管道试压排水试验装置包括：试验管道系统、与所述试验管道系统连接的供气系统和供水系统、以及对所述试验管道系统进行测量和数据采集的测量与数据采集系统；

试验管道系统包括由有机玻璃制成的透明的起伏管道40和连接透明的起伏管道的收球和发球装置，所述收球和发球装置用于发送和接收在透明的起伏管道内移动以进行排水试验的清管器；

供气系统50，连接收球和发球装置70，所述供气系统包括空压机1，在排水时为运移在透明的起伏管道内的清管器提供运移的动力；

供水系统60，用于将透明的起伏管道40内充满水；

测量与数据采集系统包括：设置在透明的起伏管道40的压力传感器27、设置在透明的起伏管道外的激光检测器29和/或高速摄像机31、流量计以显示并记录排水过程中的包括清管器在透明的起伏管道内移动的时间、速度以及透明的起伏管道内的压力(如图2和图3)、流量的气液流动参数值。

激光检测器29可以包括：激光管和光敏电阻，通过激光管对透明的起伏管道40发射激光，通过光敏电阻接收激光并根据光强度改变自身的电阻，从而获得清管器在透明的起伏管道40内移动时的感应电压，在激光被遮断时，感应电压降到最小值，表现为图3中各条电压曲线从水平线陡然变为竖直下降，此时表示清管器通过该点，因而可以获得清管器通过起伏管道各点的时间，由于起伏管道各点的距离是固定和已知的，例如各点等距设置，因此，可以得知清管器在某一段起伏管道内的平均速度。

为了更精确测量清管器通过起伏管道中某点的瞬时速度，还可以采用高速摄像机进行拍照。高速摄像机进行拍照获得的清管器的速度比用激光检测器测量的速度更为精确，而且能够拍摄清管器的运动及液体流动状态。但采用激光检测器29可以测量较长距离的起伏管道中清管器的速度，例如获得距离为2米长的一段起伏管道内清管器的速度，而高速摄像机虽然测量精确，但测量范围有限，一般只能测量距离较短的范围，例如测量0.5米长的一段起伏管道内清管器的速度。

本发明采用激光检测器和高速摄像机都能得到清管器的速度，因此，可以单独使用激光检测器或高速摄像机。较佳的，为了全面获得清管器的速度，既达到测量较长范围内的清管器的速度，也获得较为精确的某点的瞬时速度，以及观察清管器的运动及液体流动状态，本发明同时使用激光检测器和高速摄像机，尤其是将高速摄像机设置在高点下倾段的下部，以获得高点下倾段的下部的清管器的速度或高点下倾段最低点处的速度，得到包括清管器的最大速度。

本发明通过在透明的起伏管道内进行试压排水试验，可较充分地模拟出清管器在下倾段加速运动冲击气囊或断流空腔的过程，通过激光检测器、高速摄像机以实现显示并记录注气排水过程中的清管器的通过时间和速度以及透明的起伏管道内的气液流动状态，从而得到清管器的通过时间和速度对起伏管道内的压力的影响。

进一步地，如图1所示，所述起伏管道试压排水试验装置还包括：回水系统80，与供水系统60连接，用于将所述透明的起伏管道40内的水循环输送至所述供水系统60，所述起伏管道试压排水试验装置还包括：不锈钢管制成的起伏管道，不锈钢管制成的起伏管道与有机玻璃制成的透明的起伏管道的形状和结构相同，不锈钢管制成的起伏管道用于在使用有机玻璃制成的透明的起伏管道前预先测试试验管道系统内的压力。

目前，不锈钢管制成的起伏管道比有机玻璃制成的透明的起伏管道更为耐压，更为结实，通过在使用有机玻璃制成的透明的起伏管道前预先测试试验管道系统内的压力，可以得知起伏管道内的最大压力，可以提前判断有机玻璃制成的透明的起伏管道是否能够承受实验中的压力，以保证实验中有机玻璃制成的透明的起伏管道不会爆管。有机玻璃制成的透明的起伏管道可以采取挤压或浇铸的方式制成，为了达到更大的耐压效果，较佳的采用浇铸的方式制成的有机玻璃的起伏管道(本发明的试验装置采用的是挤出型有机玻璃管，满足试验要求)。

进一步地，如图4所示，所述透明的起伏管道40包括依次连接的水平下倾段401、上倾段402、高点下倾段403及水平段404，长度分别为6.8m、6.8m、8.3m和2m，所述水平下倾段从所述透明的起伏管道的进口向下倾斜至最低点A，所述上倾段从最低点A向上倾斜至最高点B，所述高点下倾段从最高点B向下倾斜与水平段404连接，所述水平段404与所述起伏管道的出口水平连接，所述透明的起伏管道的最高点B和最低点A的高差达到7.5m，所述水平下倾段401与水平方向(例如与水平设置的连接管41)夹角为115度，所述水平下倾段401与所述上倾段402的夹角为30度，所述上倾段402与所述高点下倾段403的夹角为60度，所述高点下倾段403与水平段404的夹角为135度。

本发明具有大高差的有机玻璃起伏管道，最大高差可达7.5m，而通常试验管道的起伏高度往往在1m左右。因此，本发明的起伏管道模型可较充分地模拟出清管器在下倾段加速运动冲击气囊或断流空腔的过程，能够保证清管器在有机玻璃起伏管道内移动的速度。

进一步地，如图1所示，所述透明的起伏管道的进口、出口、最高点及最低点分别设有(高频)压力传感器27，用于采集清管过程中所述透明的起伏管道的流体的瞬时压力，以获得充分的数据。

进一步地，如图1所示，所述收球和发球装置70包括：发球筒17和发球阀门18、收球筒23和收球阀门22，所述透明的起伏管道40串联在发球筒17的出口端和收球筒23的入口端之间，所述收球筒23的出口端并联有多个不同口径的排水管26，所述收球筒的出口端设有液体流量计28，液体流量计28例如为电磁流量计，用于检测排水流量，以检测排水管26口径对所述透明的起伏管道40的瞬时压力的影响。

进一步地，如图1所示，所述透明的起伏管道的最高点B设有进气阀20，在向所述透明的起伏管道内注水时开启所述进气阀20排出最高点处积存的气体，在注水结束后开启所述进气阀20调节进入所述透明起伏管道40的气体的含量，所述透明起伏管道的最低点A设有排水阀21，用于试验结束后排净所述透明起伏管道内积存的液体。

进一步地，如图1所示，所述收球和发球装置设有进气口与供气管道相连，设有进水口(例如为截止阀10)与供水管道相连，设有放空口(例如为放空阀15)用于排放所述透明的起伏管道40内的有压气体，设有排污口(例如为排污阀16)用于装入清管器之前将发球筒内的水排放。

如图1所示，本发明还提供一种起伏管道试压排水试验方法，所述试验方法采用在透明的起伏管道内推动清管器移动以进行排水试验，采用激光检测器、高速摄像机、数据采集卡及计算机，以显示并记录排水过程中包括清管器的速度、通过时间以及透明的起伏管道内的气液流动状态。

进一步地，如图1所示，在所述高点下倾段依次加装有多个激光检测器29，例如为6个，用于检测清管器在高点下倾段403的通过时间，并采用高速摄像机30拍摄高点下倾段403中清管器的运动及液体流动状态，通过(高频)压力传感器27得到起伏管道的压力，从而得出清管器的速度与起伏管道的压力的关系。

进一步地，所述试验方法采用前面所述的起伏管道试压排水试验装置，所述供水系统采用正向供水或逆向供水将所述透明的起伏管道内充满水；所述正向供水由发球筒向收球筒的方向注水；所述逆向供水通过末端注水管251从收球筒向发球筒方向注水。对于正向注水采用变频调速器对注水泵电机组进行变频调速，也可通过注水截止阀对流量进行调节，对于逆向注水依照液体流量计读数调节末端注水阀开度。逆向注水可以较好的排净管道内的气体，从而通过调节高点进气阀更好地控制管道内气体含量。

下面根据图1和图4具体描述一下本发明的工作过程或原理：

本发明实施例提供了一种起伏管道试压排水试验装置，该装置包括供气系统50、供水系统60、回水系统80、试验管道系统、测量与数据采集系统五部分，其中供气系统50包括空压机1、缓冲罐2、减压阀3、气体流量控制器4和截止阀5，以提供排水时清管器运移的动力；供水系统60包括储水罐7、注水泵9、过滤器8、截止阀10及末端注水管251；回水系统80包括储水箱11、过滤器12、回水泵13、截止阀14等，用于将试验管道系统内的水重新泵送进储水罐7或将其排放至排水渠内；试验管道系统包括收收球和发球装置70、起伏管道40及不同口径的排水管26，其中起伏管道40采用不锈钢和有机玻璃两种材质，以便于观测流动状态及清管器速度测量；测量与数据采集系统包括压力表6、压力传感器26、液体流量计28、激光检测器29、高速摄像机30、数据采集卡31及计算机32，其中，(气体)流量控制器4、压力表6、压力传感器26、液体流量计28、激光检测器29、高速摄像机30与数据采集卡31和/或计算机32通过有线的信号连接，气体流量控制器4、压力传感器26、高点进气阀、液体流量计28、激光检测器29、高速摄像机30将进气流量、起伏管道的压力、清管器的速度、液体流量等气液流动状态参数值反馈到数据采集卡31及计算机32中，以实现控制、显示并记录注气排水过程中的气液流动状态参数值。此外，通过计算机32还可以控制气体流量控制器4等相关的阀门以控制气体进入量。

所述收球和发球装置70包括：发球筒17和发球阀门18、收球筒23和收球阀门22，收球和发球装置70设有放空口(例如为放空阀15)用于排放所述透明的起伏管道40内的有压气体，设有排污口(例如为排污阀16)用于装入清管器之前将发球筒内的水排放。收球和发球装置70可以采用在发球筒17用水推清管器或末端连接自来水管(例如通过末端注水管251注水，末端注水管251连接在收球筒23的出口端)两种方式将起伏管道内充满水。一、供气系统

包括空压机、缓冲罐等

二、供水系统

为控制起伏管道内气体的量，需先将管道内充满水，再调节起伏高度的进气阀门来控制起伏管道内气体的量。为了保证管道内注满水，采用水推清管器的正向供水方式或从起伏管道末端注水的逆向供水方式。供水系统主要由储水罐、注水泵、过滤器、截止阀及末端注水管组成。

三、回水系统

回水系统主要将试验管道内的水重新泵送进储水罐或将其排放至排水渠内，水箱内的水处于无压状态，其主要由水箱、回水泵、过滤器组成。

四、试验管道系统

试验管道系统包括收球和发球装置(收球和发球装置包括发球装置和收球装置)、起伏管道和排水管等。

1.收球和发球装置

由收、发球筒和阀门组成

2.起伏管道

起伏管道的起伏高度为7.5m，采用两套管道，一套为不锈钢管道，管径为φ57×3mm，一套为有机玻璃管，管径为φ63×6mm，起伏管道直管段的长度分别为6.8m、6.8m、8.3m和2m。其中，A点为起伏管道最低点(低于直管段404)，最高点为B点。

对于弯管，为使清管器在起伏管道中能顺利通过，弯管的曲率半径取为10D，即R＝10D＝500mm。有机玻璃起伏管道共需五个弯管，分别为弯管421、弯管422、弯管423、弯管424、弯管425，各弯管角度分别为90°、75°、150°、120°和45°，如图4所示。

五、测量与数据采集系统

液体流量计测量从排水管排出的水的流量，布置在收球筒之后。

压力传感器用于测量气推球排水过程中清管器不稳定运动时产生的瞬时压力，压力传感器共4个，分别布置在发球筒后的水平直管、起伏管道低点、起伏管道高点及收球筒处。

清管器速度的测量采用高速摄影机和激光检测器。

六、试验操作

1、试验前的准备

(1)试验介质准备

本实验模拟工作所采用的气液相介质分别为空气和水。气相介质由压缩机供应，经过缓冲、调节和计量后进入实验管路系统；液相介质水引自储水罐或自来水管道。

(2)校核试验仪表

对试验仪表进行校核的方法是通过在空管和满管条件下对各个测点进行数据测量采集，而后对其校正调零。对压力信号进行校正的方法是用各压力传感器测量大气压力，而后进行调零；流量计的调零是采用流量计测量空管时的流量值进行调零。

(3)试验操作准备

①开启空压机，向缓冲罐注气，试验开始前使缓冲罐压力不低于0.5Mpa；

②接通高频压力传感器、气体流量控制器、液体流量计、激光检测器的供电电源；

③开启数据采集系统，并设置当次试验的存档名称，否则以前试验数据将被覆盖。

2、试验操作流程：本发明根据情况可以选择逆向注水和正向注水

正向供水利用注水泵从起伏管道起始端正向注水，注水管道与发球筒相连，注水前预先放入清管器，启动注水泵后清管器能够隔离气水两相，从而将管道内的气体全部排出。此供水方案与回水系统相配合能够实现水源的重复利用，节约水源；另外采用此方案可以完成注水推球排水(单相排水)试验，作为注气推球排水(两相排水)的对比试验，能够探究注气对排水压力的影响。该方案的缺点是，拟采用的注水泵是实验室已有设备，其安装位置与规划的管道建设位置相距较远，在实际操作中需要增加工作人员协同完成试验，增加了试验的操作人员及操作难度；试验流程需要注水、注气交替操作，非连续性供水导致频繁启停泵，影响注水泵的使用寿命，使得从启泵到达到额定转速期间注水流量不稳定。

逆向供水是将地势较低的管道末端连接自来水管道逆向注水，在起伏管道的地势较高处均设置排气阀，从而将管道内的气体全部排出。使用设备少、管道连接方便、排气效果好、操作简单，但每次试验的水源均直接引自自来水管道，试验完成后排出水不能重复利用，造成水源浪费。

综合比较两种方案，正向供水能够实现单相排水试验，逆向供水便于操作、注水效果好，在安装上两种方法都仅需与原有设备或管道相连，工艺简单，并且一个位于始端、一个位于末端互不冲突，因此决定两种供水方式均采用，既能满足试验要求、又能实现多种功能，同时为课题的进一步探讨及实验室将来的发展留下余地。

2.1采用逆向注水流程：

(1)注水流程

①开启发球筒放空阀15，预先排放掉起伏管道40内的压力，以免发生危险，待起伏管道40内压力等于大气压力时，再开启末端注水管251上的注水阀、收球球阀22、起伏高点进气阀20、发球球阀18，从起伏管道的末端低点注水；

②开启收球筒放空阀24，以排除收球筒23内积存的空气，待收球筒放空阀23有水溢出时将其关闭，待起伏高点有水溢出时关闭高点进气阀20，待发球筒放空阀15有水溢出时，关闭发球筒放空阀15、末端注水阀，停止注水，此时起伏管道保持充满水状态；

③开启高点进气阀20，将起伏管道内压力泄掉，使最高点A处压力等于大气压，再关闭高点进气阀20，开启发球筒放空阀15，使发球筒17处压力等于大气压，并使发球筒放空阀15保持开启状态以备排污；

④关闭发球球阀15，开启发球筒排污阀16，将发球筒17内的水排掉，打开发球筒筒盖放入清管器，再关闭发球筒筒盖、排污阀16，使放空阀16保持开启状态以备释放流量控制器启动初期的大流量气体；

(2)调节流程：

①打开高点进气阀20和起伏管道末端某一口径排水管26的排水阀，向高点下倾段403的液体中充入定量气体，气体量的控制方法是，在排水管口用量杯量取定量水，则从高点进气阀20进入等体积的空气，待达到进气量要求后关闭排水阀及高点进气阀20。

(3)注气排水流程

①开启注气截止阀5，从发球球阀处释放掉流量控制器启动初期的大流量气体，待流量稳定至设置值时(历时约30s)，启动数据采集系统；

②开启发球球阀18，关闭发球筒放空阀15，开启收球筒后某一个口径的排水管26的排水阀，进行注气排水操作，并采集数据；

③清管器到达收球筒23后，关闭收球球阀22和注气截止阀5，并终止数据采集程序；

④打开收球筒筒盖，确认清管器到达收球筒后，开启发球筒放空阀15放空起伏管道内气体，取出清管器，关闭收球筒筒盖。

⑤启动回水泵，将试验过程中排放到水箱的水排放至排水沟。

2.2采用正向注水流程

(1)注水流程

①开启发球筒放空阀15，预先排放掉起伏管道内的压力，以免发生危险，待起伏管道内压力等于大气压力时，打开发球筒筒盖放入清管器，随后关闭发球筒筒盖，开启注水截止阀10、发球球阀18、高点进气阀20、收球球阀、收球筒放空阀和末端某一口径的排水管26的排水阀，以备注水时将管道内气体排放干净，如此便可在调节流程中精确控制进气量；

②启动注水泵，调节注水截止阀10，使得水流推进清管器向实验管道(起伏管道)内注水，待发球筒放空阀有水溢出时将其关闭，待起伏高点有水溢出时关闭高点进气阀20，待收球筒放空阀有水溢出时将其关闭，待清管器到达收球筒并且末端排水阀有稳定水流流出时，同时关闭注水泵、注水截止阀10、发球球阀及末端排水阀(排水管26的排水阀)，使起伏管道内充满水；

③开启高点进气阀，将管道内压力泄掉，使高点压力等于大气压，再关闭高点进气阀，开启发球筒放空阀，使发球筒处压力等于大气压，并使发球筒放空阀保持开启状态以备排污；

④开启发球筒排污阀，将发球筒内的水排掉，打开发球筒筒盖放入清管器，再关闭发球筒筒盖、排污阀，使放空阀保持开启状态以备释放流量控制器启动初期的大流量气体；

(2)调节流程：

①打开高点进气阀和试验管道末端某一口径的排水管26的排水阀，向高点下倾段的液体中充入定量气体，气体量的控制方法是，在排水管口用量杯量取定量水，则从高点进气阀进入等体积的空气，待达到进气量要求后关闭排水阀及高点进气阀。

(3)注气排水流程

①开启注气截止阀，从发球球阀处释放掉流量控制器启动初期的大流量气体，待流量稳定至设置值时(历时约30s)，启动数据采集系统；

②开启发球球阀，关闭发球筒放空阀，开启收球筒后某一个口径的的排水管26排水阀，进行注气排水操作，并采集数据；

③清管器到达收球筒后，关闭收球球阀和注气截止阀，并终止数据采集程序；

④打开收球筒筒盖，确认清管器到达收球筒后，开启发球筒放空阀放空管道内气体，取出清管器，关闭收球筒筒盖。

⑤开启回水截止阀，启动回水泵，将试验过程中排放到储水箱的水回注到储水罐中，循环利用。

七、试验装置的特点

(1)具有大高差的有机玻璃起伏管道，最大高差可达7.5m，而通常试验管道的起伏高度往往在1m左右。该试验装置可较充分地模拟出清管器在下倾段加速运动冲击气囊或断流空腔的过程，此外，由于有机玻璃具有良好的可视性，因此便于对试验现象进行直接观测、激光探测及高速摄像机拍摄。

(2)在有机玻璃起伏管道的进出口及高低点处均安装了高精度的压力传感器，在起伏管道进口前安装了气体流量控制器4、出口处安装了液体流量计28，在高点下倾段403安装6套激光探测器29，并架设高速摄像机30进行拍摄，使得数据采集量大大增加，为提供了更为充足的数据支持。另外，运用数据采集软件进行压力、流量、清管器通过等多参量的采集，避免人工操作误差，实现数据采集的自动化。采用高速采集板，能够采集在短时间内变化比较快的高频物理量。

(3)为在排水过程中管道内不同含气量的影响，在注水时采用了正向推动清管器注水或采用末端注水，以使管道内无气体掺入，然后开启高点进气阀和末端排水阀采用量筒精确控制进入管道内的气体量。

(4)流量调节方便，对于注气流量采用气体流量控制器，可自动稳定出口流量，可实现对气体的精确调节，并且大大降低了人为操作的工作量与误差，对于正向注水采用变频调速器对注水泵电机组进行变频调速，也可通过注水截止阀对流量进行调节，对于逆向注水依照液体流量计读数调节末端注水阀开度。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种起伏管道试压排水试验装置，其特征在于，所述起伏管道试压排水试验装置包括：试验管道系统、与所述试验管道系统连接的供气系统和供水系统、以及对所述试验管道系统进行测量和数据采集的测量与数据采集系统；

试验管道系统包括由有机玻璃制成的透明的起伏管道和连接透明的起伏管道的收球和发球装置，所述收球和发球装置用于发送和接收在透明的起伏管道内移动以进行排水试验的清管器；

供气系统，连接所述收球和发球装置，所述供气系统包括空压机，在排水时为运移在透明的起伏管道内的清管器提供运移的动力；

供水系统，用于将透明的起伏管道内充满水；

测量与数据采集系统包括：设置在透明的起伏管道上的压力传感器、液体流量计和设置在透明的起伏管道外的激光检测器和/或高速摄像机以显示并记录排水过程中的包括清管器在透明的起伏管道内移动的时间、速度以及透明的起伏管道内的压力、流量的气液流动参数值；

所述透明的起伏管道包括依次连接的水平下倾段、上倾段、高点下倾段及水平段，长度分别为6.8m、6.8m、8.3m和2m，所述水平下倾段从所述透明的起伏管道的进口向下倾斜至最低点，所述上倾段从最低点向上倾斜至最高点，所述高点下倾段从最高点向下倾斜与水平段连接，所述水平段与所述起伏管道的出口水平连接，所述透明的起伏管道的最高点和最低点的高差达到7.5m，所述水平下倾段与水平方向夹角为115度，所述水平下倾段与所述上倾段的夹角为30度，所述上倾段与所述高点下倾段的夹角为60度，所述高点下倾段与水平段的夹角为135度。

2.如权利要求1所述的起伏管道试压排水试验装置，其特征在于，所述起伏管道试压排水试验装置还包括：回水系统，用于将所述透明的起伏管道内的水循环输送至所述供水系统，所述起伏管道试压排水试验装置还包括：不锈钢管制成的起伏管道，不锈钢管制成的起伏管道与有机玻璃制成的透明的起伏管道的形状和结构相同，不锈钢管制成的起伏管道用于在使用有机玻璃制成的透明的起伏管道前预先测试试验管道系统内的压力。

3.如权利要求2所述的起伏管道试压排水试验装置，其特征在于，所述透明的起伏管道的进口、出口、最高点及最低点分别设有压力传感器，用于采集清管过程中所述透明的起伏管道的流体的瞬时压力。

4.如权利要求2所述的起伏管道试压排水试验装置，其特征在于，所述收球和发球装置包括：发球筒和发球阀门、收球筒和收球阀门，所述透明的起伏管道串联在发球筒的出口端和收球筒的入口端之间，所述收球筒的出口端并联有多个不同口径的排水管，所述收球筒的出口端设有电磁流量计，用于检测排水流量，以检测排水管口径对所述透明的起伏管道的瞬时压力的影响。

5.如权利要求2所述的起伏管道试压排水试验装置，其特征在于，所述透明的起伏管道的最高点设有进气阀，在向所述透明的起伏管道内注水时开启所述进气阀排出最高点处积存的气体，在注水结束后开启所述进气阀调节进入所述透明起伏管道的气体的含量，所述透明起伏管道的最低点设有排水阀，用于试验结束后排净所述透明起伏管道内积存的液体。

6.如权利要求4所述的起伏管道试压排水试验装置，其特征在于，所述收球和发球装置设有进气口与供气管道相连，设有进水口与供水管道相连，设有放空口用于排放所述透明的起伏管道内的有压气体，设有排污口用于装入清管器之前将发球筒内的水排放。

7.一种如权利要求1所述的起伏管道试压排水试验装置试验方法，其特征在于，所述试验方法采用在透明的起伏管道内推动清管器移动以进行排水试验，采用激光检测器和/或高速摄像机、数据采集卡及计算机，以显示并记录排水过程中包括清管器的速度、通过时间以及透明的起伏管道内的气液流动状态；

所述透明的起伏管道包括依次连接的水平下倾段、上倾段、高点下倾段及水平段，长度分别为6.8m、6.8m、8.3m和2m，所述水平下倾段从所述透明的起伏管道的进口向下倾斜至最低点，所述上倾段从最低点向上倾斜至最高点，所述高点下倾段从最高点向下倾斜与水平段连接，所述水平段与所述起伏管道的出口水平连接，所述透明的起伏管道的最高点和最低点的高差达到7.5m，所述水平下倾段与水平方向夹角为115度，所述水平下倾段与所述上倾段的夹角为30度，所述上倾段与所述高点下倾段的夹角为60度，所述高点下倾段与水平段的夹角为135度，在所述高点下倾段依次加装有多个激光检测器，用于检测清管器在高点下倾段的通过时间，并采用高速摄像机拍摄高点下倾段中清管器的运动及液体流动状态。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述试验方法采用如权利要求4所述的起伏管道试压排水试验装置，所述供水系统采用正向供水或逆向供水将所述透明的起伏管道内充满水；所述正向供水由发球筒向收球筒的方向注水；所述逆向供水通过末端注水管从收球筒向发球筒方向注水，所述末端注水管连接在收球筒的出口端。

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