輸水管道，主要指水源至凈水廠或凈水廠至配水管網(wǎng)的管道。由于輸水管道負(fù)擔(dān)全系統(tǒng)供水，且壓力較高，所以它的安全運(yùn)行問(wèn)題始終被從水部門(mén)和設(shè)計(jì)部門(mén)所重視

輸水管道常見(jiàn)的事故是爆管，引起爆管的原因主要有：溫度應(yīng)力、管材質(zhì)量、施工質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造和水錘等。管道中的氣囊雖然不能直接造成水錘，但可借助水錘造成危害。本文就如何在輸水管道上設(shè)置排氣閥，避免氣體聚集成氣囊進(jìn)行探討。

實(shí)例及分析

在地形起估地段，要求輸水管道的zui高點(diǎn)設(shè)排氣閥，但實(shí)際運(yùn)行中，許多爆管并未發(fā)生在高點(diǎn)或低點(diǎn)，而是發(fā)生在高點(diǎn)后的下彎管段，甚至低壓管道也發(fā)生此類爆管。黑龍江鶴崗的一段管道爆管就是一個(gè)典型的例子。

鶴崗市屬低山丘陵區(qū)，凈水廠與送水泵站分建，二者相距5公里，凈化水靠重力流送至送水泵站，凈水廠清水池高程210m，送水泵站清水池高程185m，輸水管為dn800連續(xù)鑄鐵管，平均流速1.0m/s，泵站前500m有一高崗，高程185（見(jiàn)圖一），高崗的zui高點(diǎn)有一排氣閥，但排氣閥后50m處，多次發(fā)生爆管事故，后來(lái)在爆管處加裝了一雙口排氣閥，幾年來(lái)，兩排氣閥間沒(méi)再爆管，只在新裝排氣閥后10m處發(fā)生過(guò)一次爆管。

從這個(gè)例子看，爆管與管中的氣體有關(guān)（安排氣閥后無(wú)爆管）。下面對(duì)管道中氣囊的形成過(guò)程和它的受力情況進(jìn)行分析：

1.氣體的聚集及平衡

在正常情況下，管道中的水流可近似地看成是恒定流（壓力、流速、溫度不變）。在這種狀態(tài)下，水中的氣體要逐漸地析出，形成大小

不等的氣泡上升到管壁，氣泡按水流流速向前運(yùn)動(dòng)。在上坡段，由于浮力的作用，氣泡流速可能大于水流速。因管壁有一定粗糙度，各氣泡運(yùn)動(dòng)方向相同，很難聚集成大氣泡。小氣泡沿管壁一定寬度向前流動(dòng)，經(jīng)過(guò)zui高點(diǎn)排氣閥時(shí)，排氣管直徑內(nèi)的氣泡有條件排出，而其他氣泡靠水流的推力向下游流去。由于管壁處的紊流和流速和切線特性，使一些經(jīng)過(guò)排氣管的小氣泡越過(guò)排氣孔也向下游流去

越過(guò)排氣閥的氣泡順坡而行，運(yùn)動(dòng)方向與氣泡所受浮力的分力p1方向相反，這個(gè)浮力合力產(chǎn)生的阻力，必然使氣泡運(yùn)動(dòng)的速度減慢，后序氣泡容易撞擊前面氣泡而全成大氣泡，大氣泡產(chǎn)生大的浮力。

浮力分力p1=psinα （1）TD\\QXK168

式中：p--氣泡受水的浮力（p=1/6π d3·p）

p--水的容重vo=B#8

d--氣泡直徑/bv-Fsa3~f

α--管道的俯角:CWfL}|[[Z

氣泡受水流的推力為p

v2T1D'cU -9

p'=----- .s （2）SX+=$ h%

式中：----- --－流速壓強(qiáng)（kg/cm2） X_kS| Nfb^.=5€1?.,

s-- 氣泡zui大截面積（s=1/4πd2）/

v-- 水流速（m/s）0n*

當(dāng)p1＝p`時(shí)，氣泡受力達(dá)到平衡而靜止在管道中。聯(lián)立（1）、 （2）

d.sinα

10.4p.gLtWPY_€=11

c--平衡常數(shù)QeJSC,@.

式（3）說(shuō)明，在恒定流條下，氣泡直徑與管道俯角的正弦成反比。

當(dāng)d·sinα>c時(shí)，氣泡向上移動(dòng)。

2.管道中氣囊的形態(tài)

前述氣泡平衡問(wèn)題時(shí)，假定了氣泡為直徑等于d的球形，這只能近似地形容微小氣泡，實(shí)際上當(dāng)氣泡達(dá)到一定體積，且上升到管壁成為氣囊，由于表面張力的的作用，它將以半橢圓形狀存在（見(jiàn)圖四）。隨著氣泡逐漸長(zhǎng)大，氣泡的形狀將受水流推力、重力和管道形狀控制，在長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)較大，在橫向成弓形

根據(jù)模擬測(cè)量，氣囊的長(zhǎng)l與高h(yuǎn)的關(guān)系為

1≈15hvi

3.氣囊受力分析及臨界位置A|H+h

根據(jù)水利學(xué)原理，氣囊在管道內(nèi)平衡時(shí)所受水流的推力，等于垂直于水流的截面所受的壓力（見(jiàn)圖五（1）），這個(gè)截面為以h為高的弓形（見(jiàn)圖5（2））V

n v2 L]M

p'=∑ pi= -----.s （5）€

1 2g10z..7| |xl

s--弓形在積

氣囊能引起爆管，是由于快速開(kāi)關(guān)閥門(mén)或水泵起停，使管道出一了大的壓力增值，氣體的可壓縮特性，使應(yīng)力集中到氣囊產(chǎn)生高壓而爆管。

根據(jù)一些爆管的經(jīng)驗(yàn)，氣囊高度達(dá)到管徑四分之一是爆管的危險(xiǎn)點(diǎn)，也就是氣囊的臨界點(diǎn)。這時(shí)氣囊的體積和斷面積簡(jiǎn)單計(jì)算為：

v≈0.5πr3，s≈0.2πr2。-2ts018^0

對(duì)前例中dn800管道，當(dāng)v=1.0m/s時(shí)，所受推力按（5）式計(jì)算：VDaoK

1.02Dj-qKEUi6

p'＝------0.2π.402=5.124（kg）*

2g

所受浮力按（1）式計(jì)算a

p1=psin α=0.5π0.43×1000sinα=100.5sinα

當(dāng)p`=p1時(shí)?

5.214K&t%

α =arcsin=-----------=2.92°

100.5NEQO

該俯角α與實(shí)測(cè)爆管點(diǎn)俯角基本吻合。

三、結(jié)論

1.輸水管道下坡段必須增設(shè)排氣閥，具體位置由式p`=psinα確定，計(jì)算流速取平均值為宜

2.管道實(shí)際俯角小于計(jì)算角度時(shí)，排氣閥應(yīng)設(shè)在下彎曲線與直線的交點(diǎn)處；

3.為使管內(nèi)氣體盡早排出而不形成氣囊，下彎管線與直管線的交點(diǎn)均應(yīng)設(shè)排氣閥；

4.本文所增設(shè)的排氣閥不能取代zui高點(diǎn)排氣閥。

排氣閥是管道系統(tǒng)中*的輔助元件，廣泛應(yīng)用于鍋爐、石油天然氣、給排水管道中。往往安裝在制高點(diǎn)或彎頭等處，排除管道中多余氣體、提高管道路使用效率及降低能耗。暖通系統(tǒng)及暖通空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，水在加熱時(shí)釋放的氣體(如氫氣、氧氣等)帶來(lái)的眾多不良影響會(huì)損壞系統(tǒng)及降低熱效應(yīng)，這些氣體如不能及時(shí)排掉會(huì)產(chǎn)生很多不良后果。諸如：由氧化導(dǎo)致的腐蝕；散熱器里氣袋的形成；熱水循環(huán)不暢通不平衡，使某些散熱器局部不熱；管道帶氣運(yùn)行時(shí)的噪聲；循環(huán)泵的渦空現(xiàn)象。

分類
暖氣式
地暖（地?zé)幔┦且惶紫到y(tǒng)，從地暖盤(pán)管到分水器的固定安裝以及自動(dòng)排氣閥門(mén)管件的連接有著嚴(yán)格的工藝要求，在冬季供暖時(shí)，開(kāi)啟地暖用戶首先需要排氣，那么排氣就需要用到排氣閥。暖氣排氣閥一種安裝于系統(tǒng)zui高點(diǎn)，用來(lái)釋放供熱系統(tǒng)和供水管道中產(chǎn)生的氣穴的閥門(mén)。
微量式
在一般情況下，水中約含2VOL%的溶解空氣，在輸水過(guò)程中，這些空氣由水中不斷地釋放出來(lái)，聚集在管線的高點(diǎn)處，形成空氣袋（AIR POCKET）使輸水變得困難，系統(tǒng)的輸水能力可因此下降約5-15%。此微量排氣閥主要功能就是排除這2VOL%的溶解空氣，并適合裝置于高層建筑、廠區(qū)內(nèi)配管、小型泵站用以保護(hù)或改善系統(tǒng)的輸水效率及節(jié)約能源。
單桿式（AETV SIMPLE LEVER TYPE）微量排氣閥，為一類似橢圓形閥體，內(nèi)部所有零件包括浮球、杠桿、杠架、閥座等均為304S.S不銹鋼，內(nèi)部使用標(biāo)準(zhǔn)排氣孔徑1/16"，適合用于zui高達(dá)PN25工作壓力環(huán)境。
主要規(guī)格：
公稱通徑：DN15-DN25
公稱壓力：PN10 PN16 PN25
快速式
排氣閥<大口徑排氣閥>應(yīng)用于獨(dú)立采暖系統(tǒng)、集中供熱系統(tǒng)、采暖鍋 爐、中央空調(diào)、地板采暖及太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)等管道排氣。因?yàn)樗型ǔ６既苡幸欢ǖ目諝?，而且空氣的溶解度隨著溫度的升高而減少，這樣水在循環(huán)的過(guò)程中氣體逐漸從水中分離出來(lái)，并逐漸聚在一起形成大的氣泡甚至氣柱，因?yàn)橛兴难a(bǔ)充，所以經(jīng)常有氣體產(chǎn)生。為此就延生出排氣閥這一名詞,在日常生活也解決了不少問(wèn)題.
復(fù)合式
復(fù)合式排氣閥為圓桶狀閥體，其內(nèi)部主要含有一組不銹鋼球（STAINLESS STEEL BALL），桿（FLOAT ARM）及塞（POPPET）。本閥裝設(shè)于泵浦出水口處或送配水管線中，用以大量排除管中集結(jié)之空氣，或于管線較高處集結(jié)之微量空氣排放至大氣中，以提高管線及抽水機(jī)使用效率，且于管內(nèi)一旦有負(fù)壓產(chǎn)生時(shí)，此閥迅速吸入外界空氣，以保護(hù)管線因負(fù)壓所生產(chǎn)之毀損。
污水復(fù)合式排氣閥原理與清水復(fù)合式排氣閥相同，只是將結(jié)構(gòu)略作改動(dòng)，即將閥體加長(zhǎng)，杠桿機(jī)構(gòu)略作修改，使污物只積在閥體下部，不影響排氣，不致漏水。
主要規(guī)格：
壓力等級(jí)：PN10
公稱通徑：DN50-200mm

操作方法
當(dāng)管內(nèi)開(kāi)始注水時(shí)，塞頭停留在開(kāi)啟位置，進(jìn)行大量排氣，當(dāng)空氣排完時(shí)，閥內(nèi)積水，浮球被浮起，傳動(dòng)塞頭至關(guān)閉位置，停止大量排氣，當(dāng)管內(nèi)水正常輸送時(shí)，如有小量空氣聚集在閥內(nèi)到相當(dāng)程度，閥內(nèi)水位下降，浮球隨之下降，此時(shí)空氣由小孔排出，當(dāng)抽水機(jī)停止，管內(nèi)水流空時(shí)或遇管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，此時(shí)塞頭迅速開(kāi)啟，吸入空氣，確保管線*。
整體單球式復(fù)合式排氣閥（清水用）
壓力等級(jí)：PN10
公稱通徑：DN25-100mm
(DN25為螺紋式，其余為法蘭式)
分離式復(fù)合式排氣閥（清水 污水共用）
壓力等級(jí)：PN10
公稱通徑：DN250-300mm
整體雙球式復(fù)合式排氣閥
壓力等級(jí)：PN10
公稱通徑：DN250-300mm

技術(shù)要求
①主要技術(shù)參數(shù)
a.排氣閥的公稱壓力為 PN10。
b.密封試驗(yàn)壓力為1.1MPa。
c.強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為1.5 MPa。
d.排氣閥的水關(guān)閉壓力應(yīng)≤0.02 MPa。
e.排氣閥的空氣關(guān)閉壓力應(yīng)≥0.07 MPa。
f.壓力試驗(yàn)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T13927的規(guī)定。
g.連接法蘭應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T17241.6-98的規(guī)定。
h.zui高工作壓力可達(dá)10bar。
i.zui高工作溫度（水）約110℃。
②性能要求
a.排氣閥應(yīng)有較大的排氣量，當(dāng)管道空管充水時(shí)可在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速排氣恢復(fù)至正常供水能力。
b.排氣閥在管內(nèi)有負(fù)壓產(chǎn)生時(shí)，活塞應(yīng)該可以迅速開(kāi)啟，快速大量吸入外界空氣，以保證管線不會(huì)因負(fù)壓而產(chǎn)生損害。且在工作壓力下能夠?qū)⒐艿乐屑Y(jié)的微量空氣排出。
c.排氣閥應(yīng)有比較高的空氣關(guān)閉壓力，在活塞關(guān)閉前的較短時(shí)間內(nèi)，應(yīng)有足夠能力將管道內(nèi)的空氣排放完畢，提高輸水效率。
d.排氣閥的水關(guān)閉壓力應(yīng)不大于0.02 MPa，在較低的水壓下就可以關(guān)閉排氣閥，從而避免水的大量涌出。
e.排氣閥應(yīng)采用不銹鋼浮球（浮桶）作啟閉件。
f.排氣閥閥體上應(yīng)設(shè)有防沖擊保護(hù)內(nèi)筒，以防大量排氣后高速水流直接沖擊浮球（浮桶）而造成浮球（浮桶）的過(guò)早損傷。
g.對(duì)于DN≥100的排氣閥采用分體結(jié)構(gòu)，由大量排氣閥和自動(dòng)排氣閥組成，以適應(yīng)管道壓力的使用要求。自動(dòng)排氣閥應(yīng)采用復(fù)杠桿機(jī)構(gòu)，使浮球浮力得以大幅度放大，且關(guān)閉水位低，水中雜質(zhì)不易接觸密封面，排氣口不會(huì)被堵塞，其抗堵塞性能可大大提高。同時(shí)在高壓情況下，由于復(fù)杠桿的加力作用，使浮球能和水位同步下降，啟閉件不會(huì)像傳統(tǒng)閥門(mén)被高壓吸住，從而正常排氣。
h.對(duì)于高流速、頻繁啟動(dòng)水泵、口徑DN≧100的工況，為減緩水流沖擊，排氣閥應(yīng)加裝緩沖塞閥。緩沖塞閥應(yīng)可以防止大量噴水但不影響大量排氣，使輸水效率不會(huì)受到影響，并有效防止水錘發(fā)生。