之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹城市長距離輸水排氣閥設計目前越來越多的新建大型工藝裝置，按城市統一規劃要求遠離城鎮居民聚居地，從而導致其距水源地較遠，需要長距離輸水，來保證裝置的安全用水。以下是對長距離輸水管線設計的一些體會。 1.工程概況本工程案例為某廠的輸水管線的改造。該廠的用水取自湘江，從江邊取水泵房到凈化站新鋪設一條DN500的供水管道，從凈化站到二次加壓泵房，二次加壓泵房到生產區新鋪設兩條DN500的供水管道，總長度約為3km。本次改造地形起伏多，輸水管線要穿越整個生活區，隨著生產規模的不斷發展，對供水系統的安全性要求越來越高，難度比較大。 2.故障分析改造項目情況比較復雜，為做好施工圖設計我設計人員先后二次到現場進行踏勘，一是查看現場情況確定輸水管線的走向;二是聽取廠里動力處的同志匯報舊輸水管線在使用過程中出現的問題和對本次改造的意見，其中有一點引起了我的高度重視，近幾年管道爆管現象頻繁發生，平均一個多月爆一次管，嚴重影響了正常的生產。我到的前一天就有一處管道爆管，全廠停水搶修，我要求到現場看了一下，管材為鑄鐵管，管徑為DN300，爆管現象為承口處裂縫長1m，發生在二次加壓泵房加壓泵由小泵運行換大泵時。動力處的同志說一周前還爆過一次管，上次爆管和這次情況相似，發生在全廠停車檢修完畢開泵送水時。輸水管線上的排氣閥，年久失修，沒有及時更換已失去排氣功能，通過對爆管時間和現象的分析，我認為是管道排氣不暢，管道內有大量氣囊存在，引發啟泵水錘是爆管的主要原因。
二次加壓泵房的水泵沒有變頻設備，直接啟動開啟速度太快，在大泵換小泵或剛啟泵時，幾秒鐘內水泵就能達到額定壓力和流量,管道內的壓力和流速急劇增大，氣體受壓縮后，體積變小，內壓升高，水泵口的壓力降低，流量增大，氣體的內壓升到一定程度后反膨脹，動量和沖量交替轉換，管道中引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現象，并以壓力波的形式在管道中傳遞，引起啟泵水錘，終導致爆管。水泵啟動時，管道內的流速遠高于設計流速，產生啟泵水錘的壓力可高達2MPa左右，遠高于試驗壓力，這種連續波動的動壓破壞力是靜壓的數倍，舊管道使用年限較長，強度降低，極易發生爆管。為了避免啟泵水錘引發的爆管現象再次發生，本次設計管道的排氣問題至關重要。
3.管道內氣體的來源、運行特點及其危害管道中存有氣體的情況很多，氣體來源主要有兩個方面：1>管網起伏大，停泵或停水管道局部產生真空致使管道從排氣閥或高的用水點吸氣;
2>吸入水泵的天然水體，其溶解空氣的大體積含氣率約為2%(即水中含溶解性氣體約為20L/m3)，研究表明當壓力降低到某一值時水中溶解性氣體會以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流運行而聚積成大氣泡或大氣囊。在較長距離的輸管道中，由于設計流速一般不大，管道中的氣體多以氣囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，氣囊多存在于管道的凸起點;而在坡度小、較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨立的大氣囊形式分散存在。根據美國水錘專家馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管路在充水和運行過程中呈現六種氣液兩相流狀態。輸水管道充水排氣過程是相當復雜的，一般來說剛開始充水時管道流態多為層狀流、波狀流、段塞流或環狀流，排氣較為容易;后期則多呈段塞流、氣團流或泡沫流狀態，普通排氣裝置就很難排氣了。管道中存在的氣囊的大小、數量則取決于管道的復雜程度、管徑大小、充水的速度和方法、排氣措施等。 
城市長距離輸水排氣閥設計大量的工程實踐表明，管道中存氣囊隨水流動時，對長距離輸水管線帶來了很大危害，主要有以下兩個方面：
1>排氣不暢造成輸水管通水困難，水阻增大,流量達不到設計值。
坡度不是很大的輸水管在初次通水或檢修后再次通水,管道中水氣相間是必然的,如果排氣不暢，就造成了嚴重“氣堵”,氣排不出，水流不暢，充水極其困難，尤其是重力流，坡度較小,管徑較大時,更為嚴重。管道內有氣囊存在，氣阻增大，嚴重時形成“氣堵”，過水斷面減小，流量達不到設計值。
2>排氣不暢造成通水及運行期間爆管,供水系統無法正常運行。管道中存在的氣囊隨水流動時由于管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，管道內流速的變化，極易造成氣囊兩端壓差改變，這種微小壓差變化對于不可壓縮的水來說不會有什么影響，但對于空氣來說影響是極大的，它能引起水流速度的變化和管道中壓力的急劇升降，造成水錘引發爆管。
4.排氣閥的類型排氣閥是輸水管道上的特殊產品,其性能差極大。目前國內常見的排氣閥按結構形式可分為2類，浮球式排氣閥(包括組合式、復合式、動力復合式)和氣缸式排氣閥。
4.1浮球式排氣閥在其閥體內護筒上有一浮球，在閥體內無水時，浮球落入護筒，排氣口打開排氣，有水時，浮球浮起堵住排氣口，封住水流。該類型的排氣閥結構簡單，但有以下技術缺陷：1>水氣相間時大排氣口僅能排出段氣體,不能連續排氣。輸水管道坡度不大時，管道中大多是一段水一段氣的段塞流狀態，浮球式排氣閥的浮力僅幾公斤重，而排完段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體即有壓力,假定壓力為0.2PMa，氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘管道內壓力,計算可得DN100排氣閥托球力約150kg，DN300排氣閥托球力約1400kg，故大排氣口不可能再自動開啟排氣，在段塞流狀態中失去排氣功能。
2>小排氣口徑一般為3～5mm，僅能微量排氣如果大排氣口性能不好,僅靠微孔排氣，對于大管徑輸水管是極危險的。3>運行時長期不動作,浮球易因貼粘而失效。4.2氣缸式排氣閥氣缸式排氣閥是利用浮筒杠桿等控制氣缸內氣動膜片動作，從而使閥體上大、小排氣口啟閉，是全壓高速排氣閥，該閥在任何壓力和水流狀態下，只要管路中的氣體進入排氣閥，排氣閥就開啟大、小排氣口排氣。當水進入排氣閥內，大、小排氣口即關閉,不漏水。或者說該閥能做到見氣即高速排出，見水即關閉，可連續多次的大量排氣。這類排氣閥結構上的主要特點是：大、小排氣口或僅大排氣口的有效排氣口徑不小于排氣閥公稱直徑的70%～80%，排氣口徑大，排氣速度快，且在任何情況下均可高速排氣。一般設計者在選擇排氣閥時是以排氣閥的公稱直徑計算排氣量的。氣缸式排氣閥則完滿足設計要求,真正起到防止管道出現水錘和爆管的作用。
5.排氣閥的選擇及安裝本工程輸水管線有壓力流、有重力流、有坡度大的、有坡度小的，管道內氣體的運行狀態比較復雜，應當選用一種排氣閥在任何狀態都能有效地排出管道內的氣體。經比較選用了氣缸式排氣閥。凈化站建在一山頭上，從江邊取水泵房到凈化站，管道長800m，壓力流，坡度大，在中間隆起點處安裝了排氣閥，為了能夠均勻分配進各處理構筑物的水量，在進凈化站前安裝了超聲波時差式流量計，如果管道中有大量氣囊,容易造成流量計測量超差或無法測量，所以在超聲波時差式流量計前大于10倍管徑處安裝了排氣閥，確保計量準確無誤。從凈化站到二次加壓泵房，管道長1600m，重力流，下山段坡度大，其它管道坡度較平坦，下山管道內的氣體能夠直接排入山上的清水池，山下坡度平坦的管道共在三處安裝了排氣閥，為了保護二次加壓泵房內的水泵，在進二次加壓泵房處的管道上安裝了排氣閥。
從二次加壓泵房到生產區，管道長600m，壓力流，坡度較平坦，在中間隆起點處安裝了排氣閥。輸水管線上共在6處安裝了排氣閥，能夠有效地排出管道內的氣體，確保了輸水管線不會管道內有氣體而出現問題。
1．城市長距離輸水排氣閥設計長距離管道輸水工程的特點
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥輸水距離長，沿途地形條件比較復雜，壓力流輸水管線有升有降，起伏不平。根據管線布置要求和運行要求，管路需要安裝許多附件，如排氣閥、泄水閥、連通閥等。
2．長距離輸水管道設計
2.1長距離輸水管線路徑選擇
（1）管線路徑應盡量做到線路短，起伏小，土石方少，造價經濟，少占農田。
（2）走向和位置應符合城市和工業企業的規劃要求，并盡可能沿現有道路和規劃道路敷設，便于施工和維護。
（3）應盡量避免穿越河谷、山脊、沼澤、重要鐵路和泄洪地區，并應避開滑坡、塌方以及易發生泥石流和高侵蝕性土壤地區。
（4）管線路徑的選擇還應考慮近遠期結合和分期實施的可能。
2.2長距離輸水管道管材的選擇
合理選擇管材對長距離輸水工程十分重要，不僅是保證輸水管道安全運行的關鍵，而且還決定工程造價的高低。管材選擇除應考慮管徑、內壓、外部荷載、管道敷設區的地形地質、管材的供應外，還應考慮施方便、運行安全、經濟合理等因素。在長距離輸水工程中，常用的管材有鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筋混凝土管、玻璃鋼管等。
（1）鋼管
鋼管應用歷史較長，范圍較廣，輸水工程一般選用螺旋焊縫與直縫焊接鋼管。其優點是適應性強，加工靈活方便，可承受較高的內壓；缺點是鋼管防腐復雜，質量不好保證，總造價高，一旦防腐處理不當，將直接影響其使用壽命和輸水能力。
（2）球墨鑄鐵管
球墨鑄鐵管強度比鋼管大，延伸率也高出10%，用于國內輸水工程已有10多年時間，在生產使用過程中已經積累了一定經驗。同時球墨鑄鐵管耐腐蝕能力強，采用T型接口，施工安裝方便，有很強的適應地基變形和抗震能力，但價格較貴。
（3）預應力鋼筋混凝土管
預應力混凝土管因加工工藝簡單、造價低、抗震性能和水利條件好、不需要防腐處理，較適合我國的經濟狀況而應用普遍。但管材制作過程中存在弊病，如三階段管噴漿質量不穩定，易脫落和起鼓；一階段管在施加預應力時不易控制(特別在插口端部)，且因體積重量大造成運輸安裝都不方便，使其應用受到了限制。
（4）玻璃鋼管
玻璃鋼管的特點是強度較高，重量輕，耐腐蝕，不結垢，內壁光滑阻力小，在相同管徑、相同流量條件下比其他材質管道水頭損失小、節省能耗。玻璃鋼管的連接也采用承插式，并設置膠圈，安裝很方便。玻璃鋼管相對而言壁薄，為柔性管道，對基礎與回填要求較高。壽命一般為50年。
2.3城市長距離輸水排氣閥設計長距離輸水管道的數量
（1）輸水管的根數需要根據給水系統的重要性、輸水規模、分期建設的安排，以及是否有安全貯水池等因素全面考慮確定。
（2）不得間斷供水的輸水工程，一般應設兩條輸水管，當有其他安全供水設施時，可只設一條；如輸水距離較遠時，也可敷設一條，同時修建相當容量的安全貯水池。
（3）允許間斷供水的給水工程或一處水源并不影響整個供水系統供水的多水源工程，一般可只設一條輸水管。
2.4長距離輸水管道的埋設深度
管道的埋設深度既要滿足于管子的強度要求，又要考慮凍土層厚度及耕作要求。非冰凍地區管道的管頂埋深，主要由外部荷載、管材強度及管道交叉等因素決定，一定不小于0.7m；冰凍地區管道的管頂埋深除決定于上述因素外，還需要考慮土壤的冰凍深度。為保證非金屬管道不因動荷載的沖擊破裂而降低強度，其管頂覆土深度應不小于1.0~1.2米。
2.5長距離輸水管道排氣閥的設置
管道在運行過程中,水中的氣體將會逸出在管道高起部位積累起來,甚至形成氣阻,當管中水流發生波動時,隆起的部位形成的氣囊,將不斷被壓縮、擴張,氣體壓縮后所產生的壓強,要比水被壓縮后所產生的壓強大幾十倍甚至幾百倍,此時管道極易發生破裂。這些氣體需要通過排氣閥迅速排除，否則將減少過水斷面，產生氣阻，影響管道的輸水能力。當向管道注水時，管內氣體排出越快，進水速度也越快；如果進水水壓過高，且管道排氣不暢，往往會產生水錘事故。因此，需要在管道的每一處高點或已產生水柱拉斷的地方安裝排氣閥，以便能排除管道內積存的氣體，保證管道通水能力，防止水錘發生。在管道出現負壓時，及時向管道內吸入空氣，在水柱相撞時起緩沖作用，以降低水錘壓力，防止破壞管道接口或管道本身。
排氣閥是輸水管道的呼吸器，當管道排水放空時，它大量吸氣，避免管道內形成負壓而損壞；當管道灌水時，它大量排氣，讓管道內快速灌滿水；在管道輸水過程中，水里釋放出的少量氣體亦應就近排掉。因而排氣閥應是復式的排氣閥，既有快排、快吸的功能。要求快排時，排氣口的風速超過100m/s時也不封堵；又要有小孔釋放少量積氣的功能。
綜上，管道設計時應設計排氣閥，排氣閥應設置在高點，垂直安裝；地下管道排氣閥應設置在井內，采取保溫措施，在長距離的輸水管道上，每隔500~1000m應考慮設置一個排氣閥。一般在起伏不大的平原地區,挖槽時應人為的將管線設計出起伏,呈循環上升或下降，坡度不小于1/500，每公里在高處設置1~2個排氣閥；在起伏較大的丘陵或山區，應在每個起伏的高點設置一個排氣閥，排氣閥的規格是原管道直徑的1/8~1/10。
2.6長距離輸水管道泄水閥的設置
按照規范要求，在管線的低點需安裝泄水閥，可以排除沉淀物以及檢修時放空管內存水。實際上，在安裝排氣閥制造至高點的同時，也就相應制造了低點。如果在每一個低洼處安裝一個泄水閥，不僅投資太大，而且從運行角度講也不必要。反之，不設泄水閥，局部管道就放不空，影響管道檢修。故要根據管線埋設深度及高點和低點高差合理確定泄水閥的數量和位置。
2.7長距離輸水管道連通閥的設置
對于兩條以上的輸水管為保證供水安全性，一般應設連通管，兩條連通管之間的距離以10km為宜，且應盡可能安設在容易出現故障的高壓段，連通管必需固定好，防止關閘時發生位移使管道脫節漏水。
2.8長距離輸水管道粗糙系數的n值
球墨鑄鐵管和鋼管采用水泥砂漿內襯的粗糙系數與預應力鋼筋混凝土管是一致的，按新規范的規定n值的取值范圍為0.011≤n≤0.04。管道水力計算一般情況下采用曼寧公式，對于管道水力計算，選擇n值的大小，對于短距離輸水影響甚微，但對于長距離輸水的影響不可忽視。由于近年來制管工藝和技術的進步，管壁的光滑程度越來越好，依據工程實際經驗，如果輸水工程采用上述4種管材，n值取0.012是比較符合工程實際的。
3．城市長距離輸水排氣閥設計結束語
長距離管道輸水工程涉及到設計方案、設計依據等許多技術問題，且與施工及運行管理有密切關系。近年來長距離輸水工程愈來愈多，技術問題也愈來愈復雜，該領域已積累了一定的工程經驗，隨著今后更長距離管道輸水工程實踐，這方面的成功經驗將更多，工程的設計、施工和運行管理經驗等諸多方面將更加完善。
.結語由于輸水管道排氣順暢與否是其保證安全運行的重要指標，工程實踐證明，不裝或者所裝排氣閥性能不符合要求，都可能造成爆管,停水停產，造成一定程度的經濟損失。因此使用排氣性能良好的排氣閥并合理安裝是管路安全運行的關鍵。坡度≥D/10時,可考慮僅在高點處安裝排氣閥(D為管道直徑)。多起伏的管路,應在各高點處安裝排氣閥。按有關的規范和技術要求，科學地選擇排氣閥，對所選購的排氣閥進行性能測定試驗，以鑒定排氣閥的性能，合格后方可選用。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥 |
