张彦平
（核工业第四研究设计院 ，石家庄 050021）
【摘 要】管道排气不畅，气水相间运行，是造成许多输水管线爆管的主要原因。输水管线经常爆管，严重影响了供水系统的安全运行，造成了很大的经济损失，解决管路排气问题的有效方法之一是选择和安装性能良好的排气阀。本文结合工程实例，分析了某厂输水管线经常爆管的原因，以及有压管道内气体的来源、运行特点，对目前国内市场上常见排气阀的结构形式及技术性能作了相应的比较，选择了气缸式排气阀作为本工程的排气阀。
【关键词】输水管线、气囊、启泵水锤、爆管、浮球式排气阀、气缸式排气阀
1．工程概况
本工程位于湖南省衡阳市附近，为某厂的输水管线的改造。该厂的用水取自湘江，从江边取水泵房到净化站新铺设一条DN500的供水管道，从净化站到二次加压泵房，二次加压泵房到生产区新铺设两条DN500的供水管道，总长度约为3km。本次改造地形起伏多，输水管线要穿越整个生活区，随着生产规模的不断发展，对供水系统的安全性要求越来越高，难度比较大。
2．故障分析
改造项目情况比较复杂，为做好施工图设计我设计人员先后二次到现场进行踏勘，一是查看现场情况确定输水管线的走向；二是听取厂里动力处的同志汇报旧输水管线在使用过程中出现的问题和对本次改造的意见，其中有一点引起了我的高度重视，近几年管道爆管现象频繁发生，平均一个多月爆一次管，严重影响了正常的生产。我到的前一天就有一处管道爆管，全厂停水抢修，我要求到现场看了一下，管材为铸铁管，管径为DN300，爆管现象为承口处裂缝长1m，发生在二次加压泵房加压泵由小泵运行换大泵时。动力处的同志说一周前还爆过一次管，上次爆管和这次情况相似，发生在全厂停车检修完毕开泵送水时。
输水管线上的排气阀，年久失修，没有及时更换已失去排气功能，通过对爆管时间和现象的分析，我认为是管道排气不畅，管道内有大量气囊存在，引发启泵水锤是爆管的主要原因。二次加压泵房的水泵没有变频设备，直接启动开启速度太快，在大泵换小泵或刚启泵时，几秒钟内水泵就能达到额定压力和流量,管道内的压力和流速急剧增大，气体受压缩后，体积变小，内压升高，水泵口的压力降低，流量增大，气体的内压升到一定程度后反膨胀，动量和冲量交替转换，管道中引起一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象，并以压力波的形式在管道中传递，引起启泵水锤，最终导致爆管。水泵启动时，管道内的流速远高于设计流速，产生启泵水锤的压力可高达2MPa左右，远高于试验压力，这种连续波动的动压破坏力是静压的数倍，旧管道使用年限较长，强度降低，极易发生爆管。为了避免启泵水锤引发的爆管现象再次发生，本次设计管道的排气问题至关重要。
3．管道内气体的来源、运行特点及其危害
管道中存有气体的情况很多，气体来源主要有两个方面：1>管网起伏大，停泵或停水管道局部产生真空致使管道从排气阀或高的用水点吸气；2>吸入水泵的天然水体，其溶解空气的最大体积含气率约为2%(即水中含溶解性气体约为20L/m3)，研究表明当压力降低到某一值时水中溶解性气体会以微小气泡的形式迅速析出，并随水流运行而聚积成大气泡或大气囊。
在较长距离的输管道中，由于设计流速一般不大，管道中的气体多以气囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，气囊多存在于管道的凸起点；而在坡度小、较平坦管道中，气体则以众多相互独立的大气囊形式分散存在。根据美国著名水锤专家马丁教授的研究理论，较平坦的供水管路在充水和运行过程中呈现六种气液两相流状态(图1)。
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图1各种气液两相流状态
输水管道充水排气过程是相当复杂的，一般来说刚开始充水时管道流态多为层状流、波状流、段塞流或环状流，排气较为容易；后期则多呈段塞流、气团流或泡沫流状态，普通排气装置就很难排气了。管道中存在的气囊的大小、数量则取决于管道的复杂程度、管径大小、充水的速度和方法、排气措施等。
大量的工程实践表明，管道中存气囊随水流动时，对长距离输水管线带来了很大危害，主要有以下两个方面： 1>排气不畅造成输水管通水困难，水阻增大,流量达不到设计值。坡度不是很大的输水管在初次通水或检修后再次通水,管道中水气相间是必然的,如果排气不畅，就造成了严重“气堵”,气排不出，水流不畅，充水极其困难，尤其是重力流，坡度较小,管径较大时,更为严重。管道内有气囊存在，气阻增大，严重时形成“气堵”，过水断面减小，流量达不到设计值。2>排气不畅造成通水及运行期间爆管,供水系统无法正常运行。管道中存在的气囊随水流动时由于管坡、管壁粗糙度变化以及弯管、变径各类管道配件而分散聚合，管道内流速的变化，极易造成气囊两端压差改变，这种微小压差变化对于不可压缩的水来说不会有什么影响，但对于空气来说影响是极大的，它能引起水流速度的变化和管道中压力的急剧升降，造成水锤引发爆管。
4．排气阀的类型
排气阀是输水管道上的特殊产品,其性能差极大。目前国内常见的排气阀按结构形式可分为2类，浮球式排气阀（包括组合式、复合式、动力复合式）和气缸式排气阀。
4．1浮球式排气阀
浮球式排气阀在其阀体内护筒上有一浮球，在阀体内无水时，浮球落入护筒，排气口打开排气，有水时，浮球浮起堵住排气口，封住水流。该类型的排气阀结构简单，但有以下技术缺陷：
1>水气相间时大排气口仅能排出第一段气体,不能连续排气。输水管道坡度不大时，管道中大多是一段水一段气的段塞流状态，浮球式排气阀的浮力仅几公斤重，而排完第一段气体，水就把浮球托起，第二段气体即有压力,假定压力为0.2PMa，气体对浮球的托力等于排气口面积乘管道内压力,计算可得DN100排气阀托球力约150kg，DN300排气阀托球力约1400kg，故大排气口不可能再自动开启排气，在段塞流状态中失去排气功能。
2>小排气口径一般为3～5mm，仅能微量排气如果大排气口性能不好,仅靠微孔排气，对于大管径输水管是极危险的。
3>运行时长期不动作,浮球易因贴粘而失效。
4．2气缸式排气阀
气缸式排气阀（图2）是利用浮筒杠杆等控制气缸内气动膜片动作，从而使阀体上大、小排气口启闭，是全压高速排气阀，该阀在任何压力和水流状态下，只要管路中的气体进入排气阀，排气阀就开启大、小排气口排气。当水进入排气阀内，大、小排气口即关闭,不漏水。或者说该阀能做到见气即高速排出，见水即关闭，可连续多次的大量排气。
这类排气阀结构上的主要特点是：大、小排气口或仅大排气口的有效排气口径不小于排气阀公称直径的70%～80%，排气口径大，排气速度快，且在任何情况下均可高速排气。一般设计者在选择排气阀时是以排气阀的公称直径计算排气量的。气缸式排气阀则完全能满足设计要求,真正起到防止管道出现水锤和爆管的作用。
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图2 气缸式排气阀
5．排气阀的选择及安装
本工程输水管线有压力流、有重力流、有坡度大的、有坡度小的，管道内气体的运行状态比较复杂，应当选用一种排气阀在任何状态都能有效地排出管道内的气体。经比较选用了气缸式排气阀。
净化站建在一山头上，从江边取水泵房到净化站，管道长800m，压力流，坡度大，在中间隆起点处安装了排气阀，为了能够均匀分配进各处理构筑物的水量，在进净化站前安装了超声波时差式流量计，如果管道中有大量气囊,容易造成流量计测量超差或无法测量，所以在超声波时差式流量计前大于10倍管径处安装了排气阀，确保计量准确无误。从净化站到二次加压泵房，管道长1600m，重力流，下山段坡度大，其它管道坡度较平坦，下山管道内的气体能够直接排入山上的清水池，山下坡度平坦的管道共在三处安装了排气阀，为了保护二次加压泵房内的水泵，在进二次加压泵房处的管道上安装了排气阀。从二次加压泵房到生产区，管道长600m，压力流，坡度较平坦，在中间隆起点处安装了排气阀。输水管线上共在6处安装了排气阀，能够有效地排出管道内的气体，确保了输水管线不会管道内有气体而出现问题。
6．结语
由于输水管道排气顺畅与否是其保证安全运行的最重要指标，工程实践证明，不装或者所装排气阀性能不符合要求，都可能造成爆管,停水停产，造成一定程度的经济损失。因此使用排气性能良好的排气阀并合理安装是管路安全运行的关键。
排气阀要有良好的性能，尤其是当管道内气体呈段塞流、气团流时，不仅能快速地排出第一个气囊，而且能够持续排出任何一个气囊。即在一定压力条件下，排气阀必须做到阀体内充满空气就开启大小排气口排气，水进入阀体，阀门就关闭而不排水。满足上述要求的排气阀，其大排气口直径不得小于公称直径的70%～80%，小排气口直径不限。投标厂商必须出示排气阀通过自行或检测机构检验合格的合格证。
排气阀口径一般为主管道直径的1/8～1/5。如果选用不带缓闭的排气阀时，最好在一处安装一大一小两个排气阀。如果选用带有缓闭的排气阀，仅在管顶处安装一个即可。如果管道平坦，坡度≤D/1000时,应每隔0.5～1.0km安装一个排气阀。如果坡度≤D/100时,应每隔1.0～1.5km安装一个排气阀。坡度再大时,可考虑每隔1.5～3.0km安装一个排气阀。坡度≥D/10时,可考虑仅在高点处安装排气阀(D为管道直径)。多起伏的管路,应在各高点处安装排气阀。按有关的规范和技术要求，科学地选择排气阀，对所选购的排气阀进行性能测定试验，以鉴定排气阀的性能，合格后方可选用。
参考文献
·王维红，王东萍.供水长输管线排气阀的选择.给水排水，2005，1.
·杨玉思，张世昌，付林.有压供水管道中气囊运动的危害与防护.中国给水排水，2002，9.
