CN108413250A - 一种扬水曝气器安装过程中的管道系统及敷设施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种扬水曝气器安装过程中的管道系统及敷设施工方法，包括一端与扬水曝气器相连的气管，所述的气管上通过多个双管固定卡并排固定有浮管，每个双管固定卡上连接有坠块；所述的气管的另一端通过第一连通管与陆上空压机相连；浮管靠近扬水曝气器的一端上安装有单向阀，浮管远离扬水曝气器的另一端通过第二连通管与陆上空压机相连。该方法通过计算与准备阶段、沉管阶段和注水与泄压阶段完成施工。本发明的方法解决了由于大水深水库施工过程中管道受坠块拉力较大而导致的管道变形，高水压下管道易漏气，影响扬水曝气器运行的问题，而且管道越长、水深越大，该方法效率越高，优势越明显。同时解决了扬水曝气器和管道系统检修、更换困难的问题，施工便利，省时省力。

Description

一种扬水曝气器安装过程中的管道系统及敷设施工方法
技术领域
本发明属于管道施工领域，涉及扬水曝气器安装，具体涉及一种扬水曝气器安装过程中的管道系统及敷设施工方法。
背景技术
一般水库及湖泊水体容量大，流动性小，诸多营养物质如有机碳、氮、磷在底部沉积聚集，常年为水生藻类等浮游生物提供充足的营养，同时藻类能稳定停留在水中接受光照而大量繁殖，引起水体的富营养化而影响水质。深水型水源水库及湖泊，由于水体分层更加稳定，造成下层水体长时间处于厌氧或缺氧状态，生态环境恶化，底部沉积物中污染物大量释放，造成水体的二次污染。针对这些问题，国内目前常采用的解决方法是对水体进行充氧。国内现有的充氧混合技术可参考中国专利“深水型水源水库扬水曝气水质改善装置”(公布号CN 102603087 A)，该专利是利用形成的气弹，造成上下层水体交换，达到混合上下水层的目的，同时向水体充氧，改善水体缺氧状态。
扬水曝气器充气管道传统的敷设方法是随着曝气器的下沉气管开始下沉，同时从靠近曝气器的一端开始逐一挂坠块。该方法费时费力，而且在水库较深时，容易造成管道在垂直方向上受力较大，管道拉伸变形严重，导致管道使用寿命变短或者漏气等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种扬水曝气器安装过程中的管道系统及敷设施工方法，解决现有管道施工过程中由于大水深水库施工过程中管道受坠块拉力较大而导致的管道变形，高水压下易漏气，影响扬水曝气器运行的问题。扬水曝气器和管道维修较为方便，省时省力。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种扬水曝气器安装过程中的管道系统，包括一端与扬水曝气器相连的气管，所述的气管上通过多个双管固定卡并排固定有浮管，每个双管固定卡上连接有坠块；
所述的气管的另一端通过第一连通管与陆上空压机相连；浮管靠近扬水曝气器的一端上安装有单向阀，浮管远离扬水曝气器的另一端通过第二连通管与陆上空压机相连；
所述的第一连通管上从陆上空压机到气管依次安装有气管进气阀、排气阀和气管压力表；第二连通管上从陆上空压机到浮管依次安装有浮管进气阀、注水阀和浮管压力表。
本发明还保护一种扬水曝气器安装过程中的管道敷设施工方法，其特征在于，该方法中所述的管道系统采用如上所述的扬水曝气器安装过程中的管道系统；该方法具体包括如下步骤：
步骤一、计算与准备阶段：
将各个部件按照管道系统的装配关系进行组装，组装完成后，计算浮管的重量G1、气管的重量G2和坠块的重量m，浮管充满空气时所产生的浮力 F1和气管充满空气时所产生的浮力F2，设计管道系统的结构尺寸，使得G1+ G2+m＝F1+F2；
对扬水曝气器的气囊进行充气，使得气囊产生的浮力略小于扬水曝气器在水中的重力，将扬水曝气器放置于水中，使得扬水曝气器处于待沉状态；
初始状态，关闭管道系统内的所有阀门，然后打开气管进气阀和浮管进气阀，通过陆上空压机向浮管和气管中充满气体，然后关闭气管进气阀和浮管进气阀，将管道系统平铺于水面，从而使得整个管道系统在水中呈悬浮状态；
步骤二、沉管阶段：
扬水曝气器的气囊开始进行放气操作，扬水曝气器开始下沉，拉动浮管和气管下沉，浮管两端封闭提供浮力，气管与扬水曝气器相连的一端开始进水，气管内的气体减少，管道系统的浮力小于重力，浮管和气管开始自动下沉；
步骤三：注水与泄压阶段：
扬水曝气器完全沉至水底后，陆上空压机停止工作，管道系统从陆上空压机到扬水曝气器呈现倾斜状态，并未完全沉入水底，此时通过注水阀向浮管中开始注水，通过单向阀排出浮管内气体，逐渐降低浮管的浮力；同时将排气阀完全打开，将气管中的气体排出，使得整个管道系统完全沉入水底，完成管道敷设施工。
本发明还具有如下区别技术特征：
优选的，步骤二中，为防止浮管和气管自动下沉过快，在浮管和气管自动下沉过程中，陆上空压机向气管内进行补偿加压充气。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明的管道系统给气管外加一根浮管，在水面上将管道和坠块全部组装完毕，随着曝气器的下沉过程，仅需要通过空压机空气调整保证管道浮力即可保证管道随着曝气器一起下沉，最后可通过注水去掉管道浮力，完成敷设。结构简单，易于施工推广。
(Ⅱ)本发明的方法解决了由于大水深水库施工过程中管道受坠块拉力较大而导致的管道变形，高水压下易漏气，影响扬水曝气器运行的问题。而且管道越长、水深越大，该方法效率越高，优势越明显。
(Ⅲ)本发明的敷设施工方法不仅在施工敷设管道过程中具有较大优势，在管道维修或者管道更换方面更是优势明显。由于本方法原理采用浮力与重力平衡，在管道维修或者更换过程中仅需要对曝气器和管道进行充气，使得浮力和重力再次相等，即可将管道系统全部浮起，对于管道维修或者更换非常便利。
(Ⅳ)本发明的新型管道敷设施工方法是将全部管道和坠块等组件在水面上一次性组装完成，管道下沉过程中不需要进行任何操作，在长距离、大水深管道施工过程中简单方便，省时省力。
附图说明
图1是管道系统示意图。
图2是管道连接剖面图。
图中各个标号的含义为：1-扬水曝气器，2-气管，3-浮管，4-双管固定卡， 5-坠块，6-陆上空压机，7-第一连通管，8-单向阀，9-第二连通管，10-气管进气阀，11-排气阀，12-气管压力表，13-浮管进气阀，14-注水阀，15-浮管压力表，16-气囊。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种扬水曝气器安装过程中的管道系统，如图1和图2所示，包括一端与扬水曝气器1相连的气管2，所述的气管2上通过多个双管固定卡4并排固定有浮管3，每个双管固定卡4上连接有坠块5；
所述的气管2的另一端通过第一连通管7与陆上空压机6相连；浮管3 靠近扬水曝气器1的一端上安装有单向阀8，浮管3远离扬水曝气器1的另一端通过第二连通管9与陆上空压机6相连；
所述的第一连通管7上从陆上空压机6到气管2依次安装有气管进气阀 10、排气阀11和气管压力表12；第二连通管9上从陆上空压机6到浮管3 依次安装有浮管进气阀13、注水阀14和浮管压力表15。
气管2和浮管3均采用密度小于水且刚性管材制成，在水中可以漂浮，且在一定水压条件下不发生形变而影响浮力和管道通气能力。
双管固定卡4由两个横截面不同的304不锈钢扁钢加工而成，上下截面根据气管2和浮管3的尺寸确定，上下两部分之间以及下部管卡下面通过螺栓连接，用于调整两个管卡的直径大小。
坠块5为钢筋混凝土预制件，坠块重量根据设计计算确定。
陆上空压机6根据曝气器所需压力和气量确定其型号。
实施例2：
本实施例给出一种扬水曝气器安装过程中的管道敷设施工方法，该方法中所述的管道系统采用如实施例1所述的扬水曝气器安装过程中的管道系统，该方法具体包括如下步骤：
步骤一、计算与准备阶段：
将各个部件按照管道系统的装配关系进行组装，组装完成后，计算浮管 3的重量G1、气管2的重量G2和坠块5的重量m，浮管3充满空气时所产生的浮力F1和气管2充满空气时所产生的浮力F2，设计管道系统的结构尺寸，使得G1+G2+m＝F1+F2；
对扬水曝气器1的气囊16进行充气，使得气囊16产生的浮力略小于扬水曝气器1在水中的重力，将扬水曝气器1放置于水中，使得扬水曝气器1 处于待沉状态；
初始状态，关闭管道系统内的所有阀门，然后打开气管进气阀10和浮管进气阀13，通过陆上空压机6向浮管3和气管2中充满气体，然后关闭气管进气阀10和浮管进气阀13，将管道系统平铺于水面，从而使得整个管道系统在水中呈悬浮状态；
浮管的重量为：
式中：G1—浮管重量，kg
ρ1—浮管密度，kg/m3；
L1—浮管长度，m；
d1'—浮管内直径，m；
d1—浮管外直径，m
浮管充满气体时所产生的浮力F1为：
式中：F1—浮管充气时所产生的浮力，N；
ρ水—水的密度，取1000kg/m3；
浮管自身剩余浮力F浮：
同理，气管自身剩余浮力：
坠块在水中重量：
式中：F2—气管充气时所产生的浮力，N；
G2—气管重量，kg；
ρ2—气管密度，kg/m3；
L2—气管长度，m；
d'2—气管内直径，m；
d2—气管外直径，m；
m—坠块在水中的重量，kg；
ρ坠—坠块密度；kg/m3；
m自—坠块自身重量，kg；
管道系统平衡式：F气+F浮＝m×n+M
式中：M—管卡、螺栓、堵头、单向阀等水中的重量，kg；
n—坠块的个数。
步骤二、沉管阶段：
扬水曝气器1的气囊16开始进行放气操作，扬水曝气器1开始下沉，拉动浮管3和气管2下沉，浮管3两端封闭提供浮力，气管2与扬水曝气器1 相连的一端开始进水，气管2内的气体减少，管道系统的浮力小于重力，浮管3和气管2开始自动下沉；
步骤二中，为防止浮管和气管自动下沉过快，在浮管3和气管2自动下沉过程中，陆上空压机6向气管2内进行补偿加压充气。
步骤三：注水与泄压阶段：
扬水曝气器1完全沉至水底后，陆上空压机6停止工作，管道系统从陆上空压机6到扬水曝气器1呈现倾斜状态，并未完全沉入水底，此时通过注水阀14向浮管3中开始注水，通过单向阀8排出浮管3内气体，逐渐降低浮管3的浮力；同时将排气阀11完全打开，将气管2中的气体排出，使得整个管道系统完全沉入水底，完成管道敷设施工。
注水过程可采用常压注水或高压注水。常压注水适用于敷设的管道顺直，无弯曲状态，此时可缓缓将水注入，排空管内气体。高压注水适用于管道弯曲，注水过程较快时管道内容易积气情况下，可采用高压将浮管3的单向阀8打开，将水快速注入。
管道系统如需更换或者维修，可向扬水曝气器1的气囊16内充气，使扬水曝气器1上浮，同时带动管道系统开始上浮；同时用陆上空压机6向浮管3 和气管2中充气，管道和扬水曝气器1全部自动上浮，维修或更换管道较为方便。
本发明采用的管道敷设方法是一种对传统管道敷设施工方法改进的敷设施工方法，传统方法中将气管和曝气器连接到一起后，随着曝气器的下沉，气管的末端也沉入水中，此时开始不断的增加坠块数量使其快速沉入水中从而完成管道的敷设。这种直接下沉的敷设施工方法在气管道较长且水深较大的情况下，会造成管道的弯折变形，容易因形变而漏气。本发明的敷设施工方法则是在水面上将管道和坠块全部组装完毕，随着曝气器的下沉过程，仅需要通过空压机空气调整保证管道浮力即可保证管道随着曝气器一起下沉，最后注水去掉管道浮力，完成敷设。
具体应用例：
具体的，本实例给出一种扬水曝气器新型管道施工案例。李家河水库扬水曝气水质改善工程于2017年11月开始实施，在管道敷设过程中采用本发明所述的管道敷设方式，施工过程主要包括计算与准备阶段、下沉阶段、注水与泄压阶段。管道敷设过程中采用如附图1和附图2所示的连接方式。
在本实施例中其中一条管道长度L＝1400m，水库深度H＝70m。根据附图 1所示，在前期设计计算过程中主要确定以下参数：浮管和气管均采用与水密度相近的PE管道，管道外径为75mm，壁厚分别为7mm和9mm，双管关卡重0.2kg，堵头与止回阀等重量15kg，坠块的单个自重m＝25kg，相邻坠块之间的距离为3.0m，坠块的数量n＝465个。
通过计算可以得到：浮管剩余浮力4089kg/m，气管剩余浮力3570kg/m，坠块在水中浮重6975kg，关卡及堵头等外加重约为84kg，管道系统浮力富裕约600kg，即管道系统富裕浮力0.43kg/m。
根据附图1所示，将管道系统在水面组装完毕，管道系统处于待沉状态。随之曝气器的下沉，距离曝气器一段的管道开始下沉，同时空压机开始间断工作。曝气器每下沉10m，空压机开始运作将管道内的气压提高一个大气压，保证气管内不充水，确保浮力维持稳定。等曝气器下沉到水库底后，气管内部压力由0.7MPa开始泄压，随后对浮管进行常压注水。
施工过程简单方便，仅通过空压机控制管道浮力，避免了管道在曝气器下沉过程中由于管路较长和水深较大导致的管道变形问题，同时全部组件在水面组合完毕，快速施工。

Claims (3)

1.一种扬水曝气器安装过程中的管道系统，包括一端与扬水曝气器(1)相连的气管(2)，其特征在于，所述的气管(2)上通过多个双管固定卡(4)并排固定有浮管(3)，每个双管固定卡(4)上连接有坠块(5)；
所述的气管(2)的另一端通过第一连通管(7)与陆上空压机(6)相连；浮管(3)靠近扬水曝气器(1)的一端上安装有单向阀(8)，浮管(3)远离扬水曝气器(1)的另一端通过第二连通管(9)与陆上空压机(6)相连；
所述的第一连通管(7)上从陆上空压机(6)到气管(2)依次安装有气管进气阀(10)、排气阀(11)和气管压力表(12)；第二连通管(9)上从陆上空压机(6)到浮管(3)依次安装有浮管进气阀(13)、注水阀(14)和浮管压力表(15)。
2.一种扬水曝气器安装过程中的管道敷设施工方法，其特征在于，该方法中所述的管道系统采用如权利要求1所述的扬水曝气器安装过程中的管道系统，该方法具体包括如下步骤：
步骤一、计算与准备阶段：
将各个部件按照管道系统的装配关系进行组装，组装完成后，计算浮管(3)的重量G1、气管(2)的重量G2和坠块(5)的重量m，浮管(3)充满空气时所产生的浮力F1和气管(2)充满空气时所产生的浮力F2，设计管道系统的结构尺寸，使得G1+G2+m＝F1+F2；
对扬水曝气器(1)的气囊(16)进行充气，使得气囊(16)产生的浮力略小于扬水曝气器(1)在水中的重力，将扬水曝气器(1)放置于水中，使得扬水曝气器(1)处于待沉状态；
初始状态，关闭管道系统内的所有阀门，然后打开气管进气阀(10)和浮管进气阀(13)，通过陆上空压机(6)向浮管(3)和气管(2)中充满气体，然后关闭气管进气阀(10)和浮管进气阀(13)，将管道系统平铺于水面，从而使得整个管道系统在水中呈悬浮状态；
步骤二、沉管阶段：
扬水曝气器(1)的气囊(16)开始进行放气操作，扬水曝气器(1)开始下沉，拉动浮管(3)和气管(2)下沉，浮管(3)两端封闭提供浮力，气管(2)与扬水曝气器(1)相连的一端开始进水，气管(2)内的气体减少，管道系统的浮力小于重力，浮管(3)和气管(2)开始自动下沉；
步骤三：注水与泄压阶段：
扬水曝气器(1)完全沉至水底后，陆上空压机(6)停止工作，管道系统从陆上空压机(6)到扬水曝气器(1)呈现倾斜状态，并未完全沉入水底，此时通过注水阀(14)向浮管(3)中开始注水，通过单向阀(8)排出浮管(3)内气体，逐渐降低浮管(3)的浮力；同时将排气阀(11)完全打开，将气管(2)中的气体排出，使得整个管道系统完全沉入水底，完成管道敷设施工。
3.如权利要求2所述的扬水曝气器安装过程中的管道敷设施工方法，其特征在于，步骤二中，在浮管(3)和气管(2)自动下沉过程中，陆上空压机(6)向气管(2)内进行补偿加压充气。
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