陳 巍 沈銳利 萬田保 凌 琪 王忠彬 周祝兵

(1西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031)(2中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 武漢 430056)(3江蘇法爾勝纜索有限公司, 江陰 214445)

懸索橋主纜高強(qiáng)鋼絲腐蝕是影響其耐久性的關(guān)鍵問題,近年來部分懸索橋主纜開纜檢測顯示,主纜高強(qiáng)鋼絲有不同程度的腐蝕,耐久性問題相當(dāng)突出[1-2].針對主纜高強(qiáng)鋼絲腐蝕速率影響因素,已有研究結(jié)果[3-8]表明影響高強(qiáng)鋼絲腐蝕速率的因素主要有2大類,即外界環(huán)境因素和鋼絲自身狀態(tài).其中,外界環(huán)境影響因素主要包括濕度、溫度及大氣污染物等,鋼絲自身狀態(tài)主要包括鋼絲拉力、主纜彎曲等.在諸多影響因素中,主纜內(nèi)部的高濕度環(huán)境是高強(qiáng)鋼絲產(chǎn)生腐蝕的一個重要原因.如何降低主纜內(nèi)部濕度、維持鋼絲索股周圍的濕度低于鋼絲發(fā)生腐蝕的臨界濕度是主纜防腐的關(guān)鍵.

傳統(tǒng)主纜防腐主要是在主纜外部“纏絲+涂抹防腐膩?zhàn)印钡谋粍臃栏Ｊ?該防腐方式對于主纜內(nèi)部已形成的高濕度腐蝕環(huán)境無能為力,且防腐密封層存在老化開裂等問題,該防腐模式已基本被淘汰.近年來,從主纜表面壓入干空氣進(jìn)行除濕的主動防腐模式已在國內(nèi)外諸多大跨度懸索橋主纜防腐工程上應(yīng)用[9-12].例如,日本的明石海峽大橋、來島大橋,英國的亨伯大橋,國內(nèi)的潤揚(yáng)大橋、江陰大橋及楊泗港大橋等均是采用該防腐模式對主纜進(jìn)行防腐保護(hù).主纜主動防腐模式在國內(nèi)應(yīng)用已超過15 a,其防腐效果要顯著優(yōu)于被動防腐模式,發(fā)揮了歷史性的積極作用.但在懸索橋后期運(yùn)營中,主纜外部送氣除濕系統(tǒng)逐漸暴露出一些問題,主要表現(xiàn)為:① 外部送氣管道及諸多連接件常年暴露在大氣環(huán)境中,受惡劣環(huán)境影響其使用壽命短、后期需多次更換,不僅增加了維護(hù)成本也存在一定的安全隱患;② 外部送氣除濕系統(tǒng)對主纜密封性要求高,一旦有局部漏氣則干空氣難以在主纜內(nèi)遠(yuǎn)距離流動;③ 從主纜表面鋼絲縫隙間壓入干空氣的效率低,尤其是主纜鋼絲存在銹蝕時,干空氣的流動阻力增大、往內(nèi)層鋼絲送氣變得十分困難.

基于此,本文提出了從主纜內(nèi)部通干空氣進(jìn)行除濕的新型除濕系統(tǒng).通過埋置在主纜內(nèi)的送氣管道輸送干空氣,可有效解決主纜現(xiàn)有除濕技術(shù)存在的問題.新型除濕系統(tǒng)的干空氣在輸送過程中主要存在2方面壓力損失,即送氣管道內(nèi)的流動阻力損失和送氣管道向主纜內(nèi)送氣產(chǎn)生的局部壓力損失.干空氣的送氣壓力損失是確定新型除濕系統(tǒng)送氣壓力的關(guān)鍵參數(shù).對此,設(shè)計(jì)了主纜新型除濕系統(tǒng)的送氣壓力損失測試試驗(yàn),測試了干空氣在送氣管道及主纜內(nèi)的壓力損失大小.結(jié)合龍?zhí)稑蛑骼|防腐設(shè)計(jì),通過理論計(jì)算確定了該橋邊中跨主纜除濕系統(tǒng)的送氣壓力大小,以保證干空氣可送通主纜全長.

1 主纜內(nèi)部通干空氣除濕系統(tǒng)介紹

1.1 內(nèi)部通干空氣除濕系統(tǒng)除濕機(jī)理

主纜內(nèi)部通干空氣除濕系統(tǒng)主要由送氣設(shè)備、送氣管道、排氣夾、監(jiān)測夾等部分構(gòu)成,除濕系統(tǒng)的工作流程如下:潔凈空氣→除濕機(jī)除濕→高壓風(fēng)機(jī)增壓→冷卻→主纜內(nèi)送氣管道送氣→主纜除濕→排氣夾排放濕空氣.主纜內(nèi)部通干空氣除濕系統(tǒng)的除濕機(jī)理本質(zhì)上和外部送氣除濕系統(tǒng)一致,均是向主纜內(nèi)部通入干空氣,干空氣與主纜內(nèi)部的濕空氣發(fā)生熱和濕的交換形成飽和濕空氣,濕空氣達(dá)到一定的氣壓后從排氣夾處排出.經(jīng)過多次的“充氣、排氣”過程,主纜內(nèi)部的水分逐漸被排出到主纜外,從而達(dá)到防腐的目的.內(nèi)、外部送氣除濕系統(tǒng)僅在干空氣送氣方式上存在差異.主纜內(nèi)部通干空氣除濕系統(tǒng)的工作原理如圖1所示.

1.2 主纜外部送氣口構(gòu)造

懸索橋主索鞍鞍槽內(nèi)索股的擠壓應(yīng)力很大,難以直接從主鞍座處插入進(jìn)氣管向主纜內(nèi)部的送氣管道中輸送干空氣,需從靠近主索鞍的主纜非纏絲段處將干空氣送入到內(nèi)部送氣管道中.靠近主索鞍主纜非纏絲段處的送氣口構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖2所示.

對主索鞍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,將中部隔板寬度調(diào)整至60 mm,隔板可將索股間撐開一定的間隙,利用此空間安裝進(jìn)氣管道,并通過纜套預(yù)留法蘭與外部除濕機(jī)組的送氣管道相連,實(shí)現(xiàn)主纜中心送氣管道與外部送風(fēng)機(jī)組的連通.

圖1 主纜內(nèi)部通干空氣除濕系統(tǒng)工作原理

圖2 主纜內(nèi)部通干空氣除濕系統(tǒng)送氣口構(gòu)造圖

1.3 主纜內(nèi)部送氣管道構(gòu)造

埋置在主纜內(nèi)部的送氣管道需滿足強(qiáng)度和變形跟隨性要求,以適應(yīng)主纜內(nèi)部鋼絲索股的擠壓作用及主纜從空纜到成橋與運(yùn)營各階段的變形要求.為此設(shè)計(jì)了一種由螺旋彈簧和波紋管組成的復(fù)合式送氣管道結(jié)構(gòu)[13].螺旋彈簧具備一定的徑向抗壓能力,能抵抗鋼絲索股的擠壓作用.同時螺旋彈簧延伸性好,能適應(yīng)主纜的曲率和伸長,波紋管用于減少干空氣輸送過程中的沿程阻力損失,保證干空氣能被輸送到主纜跨中位置.送氣管道上設(shè)置進(jìn)氣開口,干空氣從進(jìn)氣開口處擴(kuò)散到主纜內(nèi)部,復(fù)合式送氣管道構(gòu)造圖及實(shí)物圖如圖3所示.

(a) 復(fù)合式送氣管道構(gòu)造示意圖

(b) 復(fù)合式送氣管道實(shí)物圖

研究[14]表明,緊纜后索夾內(nèi)主纜壓應(yīng)力范圍為5～10 MPa.為確定復(fù)合式送氣管道構(gòu)造參數(shù),文獻(xiàn)[15]開展了不同構(gòu)造參數(shù)的復(fù)合式送氣管道徑向抗壓強(qiáng)度數(shù)值模擬及試驗(yàn)測試.結(jié)果表明:簧絲直徑為5 mm、螺距不超過20 mm的復(fù)合式送氣管道在10 MPa徑向壓應(yīng)力作用下,最大徑向變形量約為1.7 mm,應(yīng)力約為400 MPa,屈曲穩(wěn)定系數(shù)約為6.8,其徑向抗壓強(qiáng)度滿足在主纜內(nèi)部使用要求.

復(fù)合式送氣管道的螺旋彈簧采用高強(qiáng)鋼絲卷制而成,材質(zhì)與主纜鋼絲相同,彈簧內(nèi)部波紋管采用金屬波紋管,以保障送氣管道自身的耐久性.送氣管道采用工廠定制加工,一體化成型(彈簧和波紋管加工成一體),出廠時整盤運(yùn)輸,管道長度在施工現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行截取.

2 干空氣送氣壓力損失測試試驗(yàn)

2.1 干空氣在送氣管道內(nèi)的阻力損失測試

2.1.1 送氣管道合理結(jié)構(gòu)形式確定

送氣管道的阻力特性影響主纜內(nèi)部送氣除濕系統(tǒng)的送氣效率,送氣管道阻力系數(shù)太大不僅會造成較大的送氣阻力損失,也會增加送氣能耗.因此,開展送氣管道的阻力特性測試試驗(yàn),確定送氣阻力損失小的送氣管道結(jié)構(gòu)形式.為研究不同結(jié)構(gòu)形式送氣管道的阻力特性,開展了彈簧內(nèi)不設(shè)置波紋管(試驗(yàn)1)、彈簧內(nèi)1/2設(shè)置波紋管(試驗(yàn)2)及彈簧內(nèi)全部設(shè)置波紋管(試驗(yàn)3)三種結(jié)構(gòu)形式送氣管道的阻力測試.試驗(yàn)送氣管道長為8 m、內(nèi)徑為50 mm,送氣管道阻力系數(shù)計(jì)算公式如下[16]:

(1)

式中,d為送氣管道內(nèi)徑;ρa(bǔ)為干空氣密度;l為送氣管道長度;ΔP為送氣阻力損失;v為干空氣流速;λ為送氣管道的阻力系數(shù).因此,只需測試出一定長度送氣管道內(nèi)的送氣阻力損失即可計(jì)算出該送氣管道的阻力系數(shù).

試驗(yàn)測得送氣管道阻力系數(shù)與送氣速率及送氣阻力損失與送氣速率的關(guān)系曲線如圖4所示.從圖4(b)中可以看出,隨著進(jìn)氣速率的增加,管道內(nèi)的送氣阻力損失也隨之增加,送氣阻力損失和送氣速率間呈冪函數(shù)關(guān)系.從圖4(a)中試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的測試結(jié)果還可以看出,送氣管道阻力系數(shù)與送氣速率之間無明顯規(guī)律性關(guān)系.分析原因如下:彈簧管道內(nèi)存在凹凸不平的構(gòu)造,干空氣在彈簧管道內(nèi)流動時受簧絲阻擋影響較大,改變了干空氣的流動特性,造成彈簧管道阻力系數(shù)較大且變化無規(guī)律.

(a) 阻力系數(shù)與送氣速率關(guān)系

(b) 阻力損失與送氣速率關(guān)系

但對于管內(nèi)較為平順的純波紋管(試驗(yàn)3),送氣管道阻力系數(shù)與送氣速率之間基本成負(fù)相關(guān),符合流體力學(xué)中氣體在管道內(nèi)的流動特性.對比3種結(jié)構(gòu)形式送氣管道的阻力系數(shù)測試結(jié)果可知,彈簧內(nèi)全部設(shè)置波紋管(試驗(yàn)3)相對于彈簧內(nèi)不設(shè)置波紋管(試驗(yàn)1)送氣管道的阻力系數(shù)最大可降低46.4%,則在彈簧管道內(nèi)設(shè)置波紋管能有效降低送氣管道的阻力系數(shù).因此,推薦由螺旋彈簧和波紋管組成的復(fù)合式送氣管道結(jié)構(gòu)作為龍?zhí)稑蛑骼|除濕系統(tǒng)的纜內(nèi)干空氣輸送管道.

2.1.2 龍?zhí)稑蜾摬y管送氣管道阻力系數(shù)測試

為測試龍?zhí)稑蛑骼|內(nèi)部送氣除濕系統(tǒng)用鋼波紋管送氣管道的阻力系數(shù),設(shè)計(jì)了鋼波紋管送氣管道的阻力測試試驗(yàn).試驗(yàn)送氣管道長為14 m、內(nèi)徑為50 mm,阻力系數(shù)計(jì)算公式見式(1).試驗(yàn)共測試3組,最終送氣管道阻力系數(shù)測試結(jié)果取3組試驗(yàn)的平均值,試驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示.

表1 鋼波紋管送氣管道阻力系數(shù)測試結(jié)果

鋼波紋管送氣管道阻力系數(shù)測試結(jié)果表明,在6.03～13.03 m/s流速范圍內(nèi)龍?zhí)稑蛑骼|除濕系統(tǒng)用鋼波紋管的阻力系數(shù)為0.035 6～0.040 1.后續(xù)理論計(jì)算干空氣在送氣管道內(nèi)的阻力損失時,阻力系數(shù)由表1確定,對于其他流速的送氣管道阻力系數(shù)可按照線性插值確定.

2.2 干空氣在主纜內(nèi)的壓力損失測試

2.2.1 主纜試驗(yàn)節(jié)段設(shè)計(jì)

干空氣在主纜內(nèi)送氣管道進(jìn)氣開口處由于局部空氣泄露會產(chǎn)生一定的壓力損失.為測試該部分干空氣壓力損失,設(shè)計(jì)了主纜內(nèi)干空氣壓力損失測試試驗(yàn),測試主纜內(nèi)送氣管道上的進(jìn)氣開口大小分別為5、10、15、20、25及30 cm時在進(jìn)氣開口處產(chǎn)生的局部壓力損失.主纜節(jié)段長7 m,由147根索股組成,每根索股由127根直徑為5.3 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成.主纜節(jié)段的總體布置圖及試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示.本試驗(yàn)所用復(fù)合式送氣管道的內(nèi)管為阻力系數(shù)很小的光滑不銹鋼金屬管,且送氣管道長度較短,故可忽略干空氣在金屬管內(nèi)的流動阻力損失.因此,測點(diǎn)1和2之間的壓力差可認(rèn)為是干空氣在送氣管道進(jìn)氣開口處的壓力損失.

(a) 試驗(yàn)總體布置示意圖(單位:cm)

(b) 試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖

2.2.2 送氣管道進(jìn)氣開口處壓力損失測試

測試不同進(jìn)氣開口大小工況下,主纜送氣口(測點(diǎn)1)處及送氣管道末端(測點(diǎn)2)處的干空氣壓力值,由此得到在送氣管道進(jìn)氣開口處產(chǎn)生的局部干空氣壓力損失.考慮到試驗(yàn)條件無法達(dá)到實(shí)橋上的送氣壓力值,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立進(jìn)氣開口處的局部壓力損失與送氣口壓力的關(guān)系曲線,以此確定實(shí)橋送氣壓力下進(jìn)氣開口處產(chǎn)生的局部干空氣壓力損失.每組試驗(yàn)測試3次,最終試驗(yàn)結(jié)果取3次測試的平均值,試驗(yàn)測試結(jié)果如圖6所示.

從圖6可以看出,主纜內(nèi)送氣管道進(jìn)氣開口處的局部壓力損失與送氣口處壓力成線性關(guān)系,6組擬合曲線的方差R2均大于0.99,曲線擬合度良好.6組擬合曲線的比例系數(shù)分別約為0.17、0.26、0.32、0.40、0.52及0.62,即隨著進(jìn)氣開口的增大,干空氣在進(jìn)氣開口處的壓力損失也隨之增加.當(dāng)進(jìn)氣開口大小超過10 cm時,進(jìn)氣開口處的壓力損失超過送氣口壓力的30%,則干空氣壓力損失較大,不利于遠(yuǎn)距離送氣.因此,建議龍?zhí)稑蛑骼|除濕系統(tǒng)送氣管道上的進(jìn)氣開口大小不超過10 cm.

(a) 5 cm進(jìn)氣開口

(d) 20 cm進(jìn)氣開口

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程背景

龍?zhí)堕L江公路大橋主橋懸索橋跨徑布置為615 m+1 560 m+512 m,加勁梁為扁平流線形鋼箱梁,梁高3.7 m,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長16 m、寬度為39.1 m.主纜中心距為34.8 m,矢跨比為1/9,每根主纜由126根索股組成,每根索股由127根直徑為6.0 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成,鋼絲極限抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa.吊索材料為平行高強(qiáng)鋼絲,每吊點(diǎn)2根,標(biāo)準(zhǔn)間距為16.0 m,吊索截面由121根直徑為5 mm的平行鋼絲組成,鋼絲極限強(qiáng)度為1 770 MPa.針對該懸索橋纜索系統(tǒng),設(shè)計(jì)了從主纜內(nèi)部通干空氣進(jìn)行除濕的防腐方案,以保障主纜耐久性.該除濕系統(tǒng)主要由送氣設(shè)備、送氣管道、排氣夾、監(jiān)測夾等部分構(gòu)成,龍?zhí)稑蛑骼|新型除濕系統(tǒng)的總體布置方案如圖7所示.

從圖7可以看出,每根主纜上設(shè)置有10個進(jìn)氣點(diǎn)和13個排氣夾,在排氣夾上安裝有微壓排氣閥,設(shè)定微壓排氣閥的閾值,當(dāng)主纜內(nèi)空氣壓力達(dá)到排氣閾值時微壓排氣閥自動打開排放濕空氣,避免主纜表面防腐密封層被脹破.從塔頂至主纜跨中位置,主纜內(nèi)的空氣壓力逐漸降低,故沿主纜縱向微壓排氣閥的閾值也按逐漸降低的梯度設(shè)置,保證各微壓排氣閥基本可同步打開排放濕空氣,從而避免靠近送氣口處的干空氣由于過早被排放而無法送至跨中位置.各微壓排氣閥的排氣閾值將根據(jù)后續(xù)實(shí)橋主纜內(nèi)空氣壓力分布測試結(jié)果確定.

3.2 主纜內(nèi)新型送氣方式

主纜新型除濕系統(tǒng)的干空氣進(jìn)氣點(diǎn)設(shè)置在主纜內(nèi)送氣管道上,干空氣從送氣管道上的開口處擴(kuò)散到主纜內(nèi)部,并沿主纜鋼絲向遠(yuǎn)端流動.結(jié)合龍?zhí)稑蜻?、中跨跨徑布置特點(diǎn),主纜除濕系統(tǒng)的纜內(nèi)進(jìn)氣點(diǎn)布置方案如下:在邊跨主纜內(nèi)設(shè)置2個干空氣進(jìn)氣點(diǎn)(B1和B2)、中跨主纜(1/2長度)內(nèi)設(shè)置3個干空氣進(jìn)氣點(diǎn)(Z1、Z2及Z3).其中,邊跨主纜內(nèi)進(jìn)氣點(diǎn)距離塔頂分別為165及495 m,中跨主纜內(nèi)進(jìn)氣點(diǎn)距離塔頂分別為130、400及670 m,龍?zhí)稑蛑骼|內(nèi)進(jìn)氣點(diǎn)布置方案如圖8所示.

圖7 龍?zhí)稑蛑骼|新型除濕系統(tǒng)的總體布置圖(單位:m)

圖8 龍?zhí)稑蛑骼|內(nèi)干空氣進(jìn)氣點(diǎn)布置圖(單位:m)

根據(jù)不同大小進(jìn)氣開口處產(chǎn)生的局部干空氣壓力損失測試結(jié)果,確定龍?zhí)稑蛑骼|內(nèi)送氣管道上的進(jìn)氣開口大小為5 cm較為合理,則進(jìn)氣開口處產(chǎn)生的局部干空氣壓力損失可按管道內(nèi)干空氣壓力的0.17倍計(jì)算得到.

3.3 主纜除濕系統(tǒng)送氣參數(shù)計(jì)算

3.3.1 主纜含水量計(jì)算

主纜單位長度存水量計(jì)算公式為[17]

(2)

式中,m0為主纜單位長度存水量;D為主纜直徑,此處取852 mm;φ為主纜空隙率,取20%;θ為主纜含水率;ρw為水的密度,取1 000 kg/m3.

實(shí)橋檢測數(shù)據(jù)表明,懸索橋主纜不同位置的含水量存在一定差異,主纜中跨水平段(跨中)位置的含水量最大,含水率取7.5%;其余位置的含水量相對較小,含水率取5.0%[16].以此計(jì)算主纜中跨跨中位置單位長度含水量m1及其余位置單位長度含水量m2如下:

8.55 kg/m

(3)

5.70 kg/m

(4)

龍?zhí)稑騿胃骼|全長為2 821 m,其中主纜中跨跨中500 m范圍內(nèi)的含水率取7.5%,其余位置主纜含水率取5.0%,則理論計(jì)算得到主纜全長范圍內(nèi)的總含水量m如下:

m=[8.55×500+5.70×(2 821-500)]×2=35 009.4 kg

(5)

由理論計(jì)算可知,龍?zhí)稑蛑骼|的總含水量為35 009.4 kg,即主纜新型除濕系統(tǒng)需除去該質(zhì)量的水分才能達(dá)成主纜防腐的目的.

3.3.2 主纜除濕換氣系數(shù)計(jì)算

龍?zhí)稑蜃?、右邊跨主纜長度分別為655、555 m,左邊跨主纜更長、所需送氣流量及壓力更大.本次僅計(jì)算左邊跨及中跨主纜除濕所需的送氣流量及壓力,右邊跨主纜除濕滿足要求即可.

一定長度主纜內(nèi)空隙體積V計(jì)算公式為

(6)

式中,L為主纜長度.

干空氣由送氣管道送入主纜后逐漸充滿主纜內(nèi)整個空隙空間,干空氣與主纜鋼絲表面水分混合后形成飽和濕空氣,并排出到主纜外.整個“充氣、排氣”過程為一次主纜換氣除濕,則主纜一次換氣除濕過程能帶走的水分質(zhì)量m3計(jì)算公式如下[18]:

m3=ρa(bǔ)VCα(X1-X2)

(7)

式中,C為保險系數(shù)，取1.2;α為除濕空氣體積系數(shù),考慮一定的空氣泄露取0.9;X1、X2分別為濕空氣與干空氣的含水量.主纜內(nèi)濕空氣初始相對濕度為100%,由除濕設(shè)備制備的干空氣初始相對濕度為5%.查濕空氣和干空氣的焓熵圖可知,室溫下濕空氣的含水量為13.5 g/kg,干空氣的含水量為2.2 g/kg.此處ρa(bǔ)取1.293 kg/m3.

按式(6)計(jì)算得到長度為655 m的左邊跨主纜內(nèi)空隙總體積為74.67 m3,按式(7)計(jì)算得到左邊跨主纜一次換氣除濕能帶走的水分質(zhì)量m3為

m3=1.293×(74.67×0.9)×(0.013 5-0.002 2)×1.2=1.178 kg

(8)

由式(4)計(jì)算可知,左邊跨主纜單位長度的含水量為5.70 kg,則左邊跨主纜總含水量為3 733.50 kg,按180 d完成左邊跨主纜除濕計(jì)算,每天的除濕量需滿足m4=3 733.50/180=20.74 kg,則邊跨主纜的換氣系數(shù)n計(jì)算結(jié)果如下:

(9)

即左邊跨主纜的換氣系數(shù)為0.73次/h時能滿足除濕需求.按同樣的方法可計(jì)算得到中跨主纜的換氣系數(shù)為0.85次/h時能滿足除濕需求.

3.3.3 主纜除濕送氣壓力計(jì)算

由上述計(jì)算可知,左邊跨主纜和中跨主纜(1/2長度)內(nèi)空隙總體積分別為74.67、91.85 m3,換氣系數(shù)分別為0.73、0.85次/h,則左邊跨主纜和中跨主纜送氣流量分別為54.5、78.1 m3/h時能滿足送氣除濕要求,將干空氣送氣流量換算成流速分別為7.72、11.03 m/s.同樣計(jì)算得到左邊跨主纜及中跨主纜分別按60、120、180、240、300及360 d除濕時間所需的送氣流量及流速如表2所示.

表2 主纜不同除濕時間所需的送氣流量及流速

以左邊跨主纜按180 d除濕時間計(jì)算其送氣壓力,此時塔頂送氣口干空氣流速為7.72 m/s.干空氣在送氣管道中流速可按如下公式計(jì)算[19]:

(10)

式中,v0和vx分別為干空氣在送氣起始處及送氣管道內(nèi)任意點(diǎn)處的流速;x為送氣管道任意點(diǎn)距送氣起始處的距離;l為送氣管道長度.

采用式(10)計(jì)算得到左邊跨進(jìn)氣點(diǎn)B1、B2處的干空氣流速分別為

(11)

(12)

則干空氣在塔頂送氣起始處至進(jìn)氣點(diǎn)B1及進(jìn)氣點(diǎn)B1、B2之間送氣管道內(nèi)的平均流速分別為

(13)

(14)

根據(jù)表1中不同流速對應(yīng)的送氣管道阻力系數(shù)測試結(jié)果可知,塔頂送氣起始處至進(jìn)氣點(diǎn)B1及進(jìn)氣點(diǎn)B1、B2之間送氣管道的阻力系數(shù)分別為0.039 6、0.041 3,龍?zhí)稑蛩蜌夤艿纼?nèi)徑d為50 mm.計(jì)算干空氣在塔頂送氣起始處至進(jìn)氣點(diǎn)B1及進(jìn)氣點(diǎn)B1、B2之間送氣管道內(nèi)產(chǎn)生的流動阻力損失分別為

3 849.3 Pa

(15)

2 598.5 Pa

(16)

設(shè)左邊跨塔頂送氣壓力為P,則干空氣到達(dá)進(jìn)氣點(diǎn)B1時的剩余壓力為(P-P1).根據(jù)主纜內(nèi)進(jìn)氣開口處的局部壓力損失與送氣口壓力關(guān)系可知,在送氣管道進(jìn)氣點(diǎn)B1處產(chǎn)生的局部壓力損失為0.17(P-P1).根據(jù)實(shí)橋測試數(shù)據(jù)可知,干空氣的自身重力靜壓為2 196 Pa、干空氣沿主纜鋼絲間流動阻力損失取10 Pa/m,考慮主纜排氣口0.5 kPa左右的正壓排放濕空氣,則左邊跨塔頂送氣壓力滿足如下不等式時可保證干空氣送通邊跨主纜全長:

P≥P1+P2+160×10+(P-3 849)×0.17+500-2 196

(17)

解上述不等式得P≥6 864.4 Pa,即左邊跨主纜按180 d除濕時間計(jì)算,塔頂送氣壓力達(dá)6.9 kPa時能保證干空氣送通邊跨主纜全長.同理,左邊跨主纜按360 d除濕時間計(jì)算所需的送氣壓力為1.6 kPa,中跨主纜按180和360 d除濕時間計(jì)算所需的送氣壓力分別為18.4、4.5 kPa.

4 結(jié)論

1) 為解決目前常用的主纜外部送氣除濕系統(tǒng)存在的問題,提出了一種從主纜內(nèi)部通干空氣進(jìn)行除濕的新型除濕系統(tǒng),并確定了新型除濕系統(tǒng)的送氣管道結(jié)構(gòu)、外部送氣口局部構(gòu)造、主纜內(nèi)進(jìn)氣點(diǎn)及主纜沿程排氣夾和監(jiān)測夾的布置方案.

2) 不同構(gòu)造形式送氣管道的阻力系數(shù)測試結(jié)果表明,在螺旋彈簧管道內(nèi)部設(shè)置波紋管能有效降低送氣管道的阻力系數(shù),最大可降低46.4%.龍?zhí)稑蛑骼|除濕系統(tǒng)的送氣管道可采用螺旋高強(qiáng)鋼絲彈簧和鋼波紋管復(fù)合制作而成,該送氣管道的阻力系數(shù)為0.035 6～0.040 1.

3) 龍?zhí)稑蜻?、中跨主纜的換氣系數(shù)分別為0.73、0.85次/h時能滿足主纜除濕需求.邊跨主纜按180和360 d除濕時間計(jì)算,則送氣壓力分別達(dá)6.9、1.6 kPa時能保證干空氣送通邊跨主纜全長.中跨主纜按180和360 d除濕時間計(jì)算,則送氣壓力分別達(dá)到18.4、4.5 kPa時能保證干空氣送通中跨主纜全長.因此,增加主纜的送氣除濕時間能大幅度降低主纜除濕所需送氣壓力,這對主纜表面的密封層保護(hù)有利,建議龍?zhí)稑蛑骼|除濕系統(tǒng)干空氣送氣壓力按主纜360 d除濕時間計(jì)算結(jié)果確定.