1 供水管網(wǎng)中氣體的危害

1.1 引發(fā)氣爆型水錘

供水管網(wǎng)中不可避免的有氣體存在，因氣體的溶解性和可壓縮性，在相對封閉的供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，氣體以氣團的形式存在，且隨著管網(wǎng)溫度、壓力、流量的變化，氣體做體積變化的振蕩運動，如氣體無法及時排出，可能導(dǎo)致供水管網(wǎng)發(fā)生氣爆型的水錘。

1.2 增加動力消耗

供水管網(wǎng)中的氣體以氣團形式存在，減少了管道的水流通道截面，增大水流的摩擦阻力和局部阻力，使得供水動力成本增加。

1.3 造成管道腐蝕、漏水

供水管網(wǎng)的氣團不穩(wěn)定運動，容易造成管道的局部振動，導(dǎo)致接口松動漏水；且管道內(nèi)壁交替與水或空氣接觸，加劇管道腐蝕。

1.4 造成計量設(shè)備計量失準

供水管網(wǎng)的氣體通過計量設(shè)備時，氣體運動能量推動機械原理的水表走動，造成水表不過水自轉(zhuǎn)；氣體通過以電磁或超聲原理計量的設(shè)備時，因計量設(shè)備無法辨識通過的流體是水還是氣體，造成計量失準；因管道內(nèi)氣體的聚集，造成計量設(shè)備前端水的流態(tài)發(fā)生改變，因此導(dǎo)致計量失準[1]。

2 供水管網(wǎng)中氣體的來源與存在形式

2.1 連續(xù)使用的供水管網(wǎng)中的氣體來源可大致歸結(jié)5個來源

1）供水管道搶修停水或新管并入；

2）大用戶流量突發(fā)性的變化；

3）水廠或二次供水水池水泵進水口因淹沒深度不夠而吸氣；

4）管網(wǎng)中的水在流動中的因壓力或溫度改變的氣體釋放；

5）在水泵吸水管和葉輪內(nèi)，因運行負壓產(chǎn)生的氣體釋放。

2.2 供水管網(wǎng)的氣體聚集的環(huán)境

1）管徑變化處及管道交叉處

供水管網(wǎng)的管徑變化、管道交叉一般采用中心線對接方式，當(dāng)水流速度不大時，氣體會聚集于連接口處無法被水流帶走，形成氣囊。一般發(fā)生在水流從大管徑流向小管徑時。

2）管道高點

氣體的密度比水輕，在管道中與水一起流動一般都是上行，很容易在管道高點處發(fā)生聚集。

3）逆坡管路

在逆坡管路水流向下而氣泡向上運動，當(dāng)浮力不足以克服水流推力時，氣體便聚集在管壁處而形成氣囊。

4）各類閥門內(nèi)部及安裝處

管道內(nèi)的水流通過閥門時，流速和方向發(fā)生變化，形成流態(tài)紊亂，可能發(fā)生溶解在水中的氣體析出，又因閥門構(gòu)造上的原因，氣體不易排出，在閥門安裝處及閥門內(nèi)部聚積。如圖1所示為供水管網(wǎng)氣體的聚集處。

圖1 供水管網(wǎng)氣體的聚集處

圖2 各種氣液兩相流狀態(tài)示意圖

2.3 供水管網(wǎng)中氣水兩相流的流態(tài)特點

根據(jù)著名水錘專家馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管網(wǎng)在充水及運行過程中可能呈現(xiàn)6種氣液兩相流流態(tài)（見圖2）。連續(xù)運行的供水管網(wǎng)中，氣體極限釋放量理論上為水體積的2%。供水管道剛開始充水時，管道中的液體流態(tài)多為層狀流和波狀流，氣體排出相對容易，供水管網(wǎng)運行時，氣體隨水流動時因管道管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，當(dāng)壓力降低到某一值時，水中溶解性氣體還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，管道內(nèi)液體流態(tài)大多是段塞流或獨立存在的有壓氣囊，排氣相對困難。

3 供水管道的“排氣”措施

3.1 供水管道的排氣形式

供水管道的排氣一般存在3種情況：

1）新管投入運行時的大量排氣

2）日常運行中的微量排氣

3）事故斷水后，管道排氣。

供水管道大量排氣的方式有：豎井排氣、手動短管排氣、自動排氣閥排氣。豎井排氣、手動短管排氣適用于大口徑管道工程首次通水的排氣，排氣速度快，但是要掌握排氣的時間，才能達到較好的效果；且通常是一次性裝置，工程造價高，不適合長期運行。

事故斷水后的排氣，實例中大多依靠自動排氣閥和管道上的消防栓。

日常運行中的微量排氣，主要依靠自動排氣閥。

3.2 供水管道的排氣閥選型

1）單口/雙口式浮球閥結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜，但其完成第一階段空管充水的大排氣動作后，其排氣口下的浮球因管道內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的氣托作用而不能再次下落，因此不能完成再次排氣的動作。

2）杠桿浮球式排氣閥具有大排量排氣及微量排氣的功能，杠桿浮球式排氣閥是較合理的排氣閥。杠桿式浮球排氣閥完全依靠水的浮力啟閉閥門，不受高速氣流的影響，但是它存在結(jié)構(gòu)弊端。杠桿必須加大閥體的體積，閥瓣關(guān)閉行程短，排氣面積極小。現(xiàn)在有多連桿機構(gòu)的排氣閥，但仍然不能解決閥瓣關(guān)閉行程短這個缺陷，大口徑排氣閥顯得尤為突出。因此杠桿式排氣閥多用于小口徑的排氣閥設(shè)計，而且成本較高[2]。

3）高速復(fù)合式排氣閥，根據(jù)航空動力學(xué)原理改變了閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得高速流動的氣體在閥體內(nèi)產(chǎn)生的低壓區(qū)下移至閥瓣下端，閥瓣所受的合力依然向下，只有當(dāng)液面上升，通過浮力推動浮球和閥瓣上升，主閥關(guān)閉。當(dāng)管道內(nèi)聚集的氣體進入排氣閥時，浮球下落，打開微量排氣閥，排出氣體，排氣口徑大、不會發(fā)生氣托現(xiàn)象，排氣效果好。有實驗表明當(dāng)系統(tǒng)壓力為0.1MPa時，高速復(fù)合式閥的排氣效率為91.94%，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高至0.18MPa時，其排氣效率為91.85%，為相同條件下浮球式浮球閥的8倍～9倍，杠桿式排氣閥的近2倍。因此，供水管道上選用高速復(fù)合式排氣閥最為合適。

表1 管網(wǎng)系統(tǒng)的運行情況

3.3 供水管道的排氣閥安裝及維護

1）排氣閥的安裝地點

根據(jù)供水管道內(nèi)的氣體存在的地點和氣體產(chǎn)生的原因，綜合考慮排氣閥安裝地點：水平安裝的供水管道應(yīng)每間隔0.5km～1.0km安裝1處排氣閥；供水管道上的高點安裝排氣閥；供水管道的拐點（水平拐、豎向拐、大小管徑變化處）的地方安裝排氣閥；水廠出廠管道的高點；大用戶用水點、進水池管段上的上游處；水表、流量計的上游處；廠區(qū)、住宅小區(qū)內(nèi)管道高點；居民分戶水表的最高點；住宅立管的高點；重要的調(diào)控閥門附近；在停泵時有可能出現(xiàn)水柱分離式斷流彌合水錘的部位；水泵的出口處與止回閥之間，起泵排氣，停泵吸氣，可以延長泵的使用壽命；管道經(jīng)常維護的后端最高點（如排泥閥，過濾器）；長距離管道輸水時，坡度≤D/1000時每隔500m～1000m的斜坡處，坡度≤D/100時每隔1000 m～1500m的斜坡處，坡度≤D/10時每隔1500m～3000m的斜坡處，坡度≥D/10時管道的最高點；供水管網(wǎng)壓力梯度遞減處。

優(yōu)化管道設(shè)計，給水橫管設(shè)計成0.1%～0.3%的逆坡，有利于排凈管中的空氣；管網(wǎng)設(shè)計中盡量避免出現(xiàn)90°的大拐點及口徑變化較大；保證清水池的水位與水泵吸水口的比例，減少外界空氣進入量[3]。

2）排氣閥的維護與管理

排氣閥安裝后，如果維護不及時容易發(fā)生漏水，應(yīng)按普通閥門的要求定期巡護，定期清理井室，確保閥門銘牌完好，修復(fù)閥門井室的破損和固定閥門井蓋，清除閥門井內(nèi)的垃圾，排放閥門井內(nèi)的積水，防止排氣閥井室被埋被蓋。做好排氣閥的巡護記錄，定期進行浮球解體檢查及除垢，每次管道發(fā)生充放水，應(yīng)做好排氣閥的觀測記錄以判斷排氣閥的工作狀態(tài)。

3.4 案例應(yīng)用

某供水區(qū)域DN100mm管道長度600km，日供水量約15萬t，供水戶數(shù)6萬戶，供水結(jié)構(gòu)以居民、工業(yè)為主。地勢是北高南底，為丘陵地帶，地面高程相差約30m。區(qū)域內(nèi)經(jīng)常發(fā)生自然爆管事件，水廠出水壓力很高，但是到管網(wǎng)上仍然還是出現(xiàn)局部多處壓力不足的現(xiàn)象。一些樓盤小區(qū)出現(xiàn)大面積的水表自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

分析原因，管道暗漏的情況不普遍存在。2016年年初，陸續(xù)在出廠流量計前端、管道局部高點、小區(qū)管道的高點處、大口徑管道遷改的折點處，加裝25顆高速復(fù)合排氣閥。

至2018年，對比相關(guān)指標參數(shù)（見表1），管網(wǎng)系統(tǒng)的運行情況較之前狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

綜上所述，供水管道是城市的生命線，排氣閥是保證“生命線”正常運行的關(guān)鍵點，研究氣體在供水管道中的流態(tài)及集聚位置，科學(xué)選型及安裝、維護管理排氣閥，確保管道內(nèi)氣體有效排除，可降低供水管道爆管事故發(fā)生的幾率，對事故后的快速通水起到積極意義，確保供水管道安全運行，為城市供水企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。