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)。
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。