之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹城市長(zhǎng)距離輸水排氣閥設(shè)計(jì)目前越來越多的新建大型工藝裝置，按城市統(tǒng)一規(guī)劃要求遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)居民聚居地，從而導(dǎo)致其距水源地較遠(yuǎn)，需要長(zhǎng)距離輸水，來保證裝置的安全用水。以下是對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線設(shè)計(jì)的一些體會(huì)。 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(shè)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(chǎn)區(qū)新鋪設(shè)兩條DN500的供水管道，總長(zhǎng)度約為3km。本次改造地形起伏多，輸水管線要穿越整個(gè)生活區(qū)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷發(fā)展，對(duì)供水系統(tǒng)的安全性要求越來越高，難度比較大。 2.故障分析改造項(xiàng)目情況比較復(fù)雜，為做好施工圖設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)人員先后二次到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，一是查看現(xiàn)場(chǎng)情況確定輸水管線的走向;二是聽取廠里動(dòng)力處的同志匯報(bào)舊輸水管線在使用過程中出現(xiàn)的問題和對(duì)本次改造的意見，其中有一點(diǎn)引起了我的高度重視，近幾年管道爆管現(xiàn)象頻繁發(fā)生，平均一個(gè)多月爆一次管，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)。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(xiàn)場(chǎng)看了一下，管材為鑄鐵管，管徑為DN300，爆管現(xiàn)象為承口處裂縫長(zhǎng)1m，發(fā)生在二次加壓泵房加壓泵由小泵運(yùn)行換大泵時(shí)。動(dòng)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(fā)生在全廠停車檢修完畢開泵送水時(shí)。輸水管線上的排氣閥，年久失修，沒有及時(shí)更換已失去排氣功能，通過對(duì)爆管時(shí)間和現(xiàn)象的分析，我認(rèn)為是管道排氣不暢，管道內(nèi)有大量氣囊存在，引發(fā)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(shè)備，直接啟動(dòng)開啟速度太快，在大泵換小泵或剛啟泵時(shí)，幾秒鐘內(nèi)水泵就能達(dá)到額定壓力和流量,管道內(nèi)的壓力和流速急劇增大，氣體受壓縮后，體積變小，內(nèi)壓升高，水泵口的壓力降低，流量增大，氣體的內(nèi)壓升到一定程度后反膨脹，動(dòng)量和沖量交替轉(zhuǎn)換，管道中引起一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象，并以壓力波的形式在管道中傳遞，引起啟泵水錘，終導(dǎo)致爆管。水泵啟動(dòng)時(shí)，管道內(nèi)的流速遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)流速，產(chǎn)生啟泵水錘的壓力可高達(dá)2MPa左右，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)壓力，這種連續(xù)波動(dòng)的動(dòng)壓破壞力是靜壓的數(shù)倍，舊管道使用年限較長(zhǎng)，強(qiáng)度降低，極易發(fā)生爆管。為了避免啟泵水錘引發(fā)的爆管現(xiàn)象再次發(fā)生，本次設(shè)計(jì)管道的排氣問題至關(guān)重要。
3.管道內(nèi)氣體的來源、運(yùn)行特點(diǎn)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(gè)方面：1>管網(wǎng)起伏大，停泵或停水管道局部產(chǎn)生真空致使管道從排氣閥或高的用水點(diǎn)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(dāng)壓力降低到某一值時(shí)水中溶解性氣體會(huì)以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流運(yùn)行而聚積成大氣泡或大氣囊。在較長(zhǎng)距離的輸管道中，由于設(shè)計(jì)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(diǎn);而在坡度小、較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨(dú)立的大氣囊形式分散存在。根據(jù)美國(guó)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(yùn)行過程中呈現(xiàn)六種氣液兩相流狀態(tài)。輸水管道充水排氣過程是相當(dāng)復(fù)雜的，一般來說剛開始充水時(shí)管道流態(tài)多為層狀流、波狀流、段塞流或環(huán)狀流，排氣較為容易;后期則多呈段塞流、氣團(tuán)流或泡沫流狀態(tài)，普通排氣裝置就很難排氣了。管道中存在的氣囊的大小、數(shù)量則取決于管道的復(fù)雜程度、管徑大小、充水的速度和方法、排氣措施等。 
城市長(zhǎng)距離輸水排氣閥設(shè)計(jì)大量的工程實(shí)踐表明，管道中存氣囊隨水流動(dòng)時(shí)，對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線帶來了很大危害，主要有以下兩個(gè)方面：
1>排氣不暢造成輸水管通水困難，水阻增大,流量達(dá)不到設(shè)計(jì)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(yán)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(shí),更為嚴(yán)重。管道內(nèi)有氣囊存在，氣阻增大，嚴(yán)重時(shí)形成“氣堵”，過水?dāng)嗝鏈p小，流量達(dá)不到設(shè)計(jì)值。
2>排氣不暢造成通水及運(yùn)行期間爆管,供水系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。管道中存在的氣囊隨水流動(dòng)時(shí)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(nèi)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(duì)于不可壓縮的水來說不會(huì)有什么影響，但對(duì)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(fā)爆管。
4.排氣閥的類型排氣閥是輸水管道上的特殊產(chǎn)品,其性能差極大。目前國(guó)內(nèi)常見的排氣閥按結(jié)構(gòu)形式可分為2類，浮球式排氣閥(包括組合式、復(fù)合式、動(dòng)力復(fù)合式)和氣缸式排氣閥。
4.1浮球式排氣閥在其閥體內(nèi)護(hù)筒上有一浮球，在閥體內(nèi)無水時(shí)，浮球落入護(hù)筒，排氣口打開排氣，有水時(shí)，浮球浮起堵住排氣口，封住水流。該類型的排氣閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有以下技術(shù)缺陷：1>水氣相間時(shí)大排氣口僅能排出段氣體,不能連續(xù)排氣。輸水管道坡度不大時(shí)，管道中大多是一段水一段氣的段塞流狀態(tài)，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(duì)浮球的托力等于排氣口面積乘管道內(nèi)壓力,計(jì)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(dòng)開啟排氣，在段塞流狀態(tài)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(duì)于大管徑輸水管是極危險(xiǎn)的。3>運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期不動(dòng)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(nèi)氣動(dòng)膜片動(dòng)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(tài)下，只要管路中的氣體進(jìn)入排氣閥，排氣閥就開啟大、小排氣口排氣。當(dāng)水進(jìn)入排氣閥內(nèi)，大、小排氣口即關(guān)閉,不漏水?；蛘哒f該閥能做到見氣即高速排出，見水即關(guān)閉，可連續(xù)多次的大量排氣。這類排氣閥結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)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(shè)計(jì)者在選擇排氣閥時(shí)是以排氣閥的公稱直徑計(jì)算排氣量的。氣缸式排氣閥則完滿足設(shè)計(jì)要求,真正起到防止管道出現(xiàn)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(nèi)氣體的運(yùn)行狀態(tài)比較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)選用一種排氣閥在任何狀態(tài)都能有效地排出管道內(nèi)的氣體。經(jīng)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(zhǎng)800m，壓力流，坡度大，在中間隆起點(diǎn)處安裝了排氣閥，為了能夠均勻分配進(jìn)各處理構(gòu)筑物的水量，在進(jìn)凈化站前安裝了超聲波時(shí)差式流量計(jì)，如果管道中有大量氣囊,容易造成流量計(jì)測(cè)量超差或無法測(cè)量，所以在超聲波時(shí)差式流量計(jì)前大于10倍管徑處安裝了排氣閥，確保計(jì)量準(zhǔn)確無誤。從凈化站到二次加壓泵房，管道長(zhǎng)1600m，重力流，下山段坡度大，其它管道坡度較平坦，下山管道內(nèi)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(hù)二次加壓泵房?jī)?nèi)的水泵，在進(jìn)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(chǎn)區(qū)，管道長(zhǎng)600m，壓力流，坡度較平坦，在中間隆起點(diǎn)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(nèi)的氣體，確保了輸水管線不會(huì)管道內(nèi)有氣體而出現(xiàn)問題。
1．城市長(zhǎng)距離輸水排氣閥設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離管道輸水工程的特點(diǎn)
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥輸水距離長(zhǎng)，沿途地形條件比較復(fù)雜，壓力流輸水管線有升有降，起伏不平。根據(jù)管線布置要求和運(yùn)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(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)
2.1長(zhǎng)距離輸水管線路徑選擇
（1）管線路徑應(yīng)盡量做到線路短，起伏小，土石方少，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，少占農(nóng)田。
（2）走向和位置應(yīng)符合城市和工業(yè)企業(yè)的規(guī)劃要求，并盡可能沿現(xiàn)有道路和規(guī)劃道路敷設(shè)，便于施工和維護(hù)。
（3）應(yīng)盡量避免穿越河谷、山脊、沼澤、重要鐵路和泄洪地區(qū)，并應(yīng)避開滑坡、塌方以及易發(fā)生泥石流和高侵蝕性土壤地區(qū)。
（4）管線路徑的選擇還應(yīng)考慮近遠(yuǎn)期結(jié)合和分期實(shí)施的可能。
2.2長(zhǎng)距離輸水管道管材的選擇
合理選擇管材對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程十分重要，不僅是保證輸水管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵，而且還決定工程造價(jià)的高低。管材選擇除應(yīng)考慮管徑、內(nèi)壓、外部荷載、管道敷設(shè)區(qū)的地形地質(zhì)、管材的供應(yīng)外，還應(yīng)考慮施方便、運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)合理等因素。在長(zhǎng)距離輸水工程中，常用的管材有鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、玻璃鋼管等。
（1）鋼管
鋼管應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，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(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，加工靈活方便，可承受較高的內(nèi)壓；缺點(diǎn)是鋼管防腐復(fù)雜，質(zhì)量不好保證，總造價(jià)高，一旦防腐處理不當(dāng)，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(qiáng)度比鋼管大，延伸率也高出10%，用于國(guó)內(nèi)輸水工程已有10多年時(shí)間，在生產(chǎn)使用過程中已經(jīng)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)球墨鑄鐵管耐腐蝕能力強(qiáng)，采用T型接口，施工安裝方便，有很強(qiáng)的適應(yīng)地基變形和抗震能力，但價(jià)格較貴。
（3）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管
預(yù)應(yīng)力混凝土管因加工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、抗震性能和水利條件好、不需要防腐處理，較適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)狀況而應(yīng)用普遍。但管材制作過程中存在弊病，如三階段管噴漿質(zhì)量不穩(wěn)定，易脫落和起鼓；一階段管在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)不易控制(特別在插口端部)，且因體積重量大造成運(yùn)輸安裝都不方便，使其應(yīng)用受到了限制。
（4）玻璃鋼管
玻璃鋼管的特點(diǎn)是強(qiáng)度較高，重量輕，耐腐蝕，不結(jié)垢，內(nèi)壁光滑阻力小，在相同管徑、相同流量條件下比其他材質(zhì)管道水頭損失小、節(jié)省能耗。玻璃鋼管的連接也采用承插式，并設(shè)置膠圈，安裝很方便。玻璃鋼管相對(duì)而言壁薄，為柔性管道，對(duì)基礎(chǔ)與回填要求較高。壽命一般為50年。
2.3城市長(zhǎng)距離輸水排氣閥設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離輸水管道的數(shù)量
（1）輸水管的根數(shù)需要根據(jù)給水系統(tǒng)的重要性、輸水規(guī)模、分期建設(shè)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(yīng)設(shè)兩條輸水管，當(dāng)有其他安全供水設(shè)施時(shí)，可只設(shè)一條；如輸水距離較遠(yuǎn)時(shí)，也可敷設(shè)一條，同時(shí)修建相當(dāng)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(gè)供水系統(tǒng)供水的多水源工程，一般可只設(shè)一條輸水管。
2.4長(zhǎng)距離輸水管道的埋設(shè)深度
管道的埋設(shè)深度既要滿足于管子的強(qiáng)度要求，又要考慮凍土層厚度及耕作要求。非冰凍地區(qū)管道的管頂埋深，主要由外部荷載、管材強(qiáng)度及管道交叉等因素決定，一定不小于0.7m；冰凍地區(qū)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(dòng)荷載的沖擊破裂而降低強(qiáng)度，其管頂覆土深度應(yīng)不小于1.0~1.2米。
2.5長(zhǎng)距離輸水管道排氣閥的設(shè)置
管道在運(yùn)行過程中,水中的氣體將會(huì)逸出在管道高起部位積累起來,甚至形成氣阻,當(dāng)管中水流發(fā)生波動(dòng)時(shí),隆起的部位形成的氣囊,將不斷被壓縮、擴(kuò)張,氣體壓縮后所產(chǎn)生的壓強(qiáng),要比水被壓縮后所產(chǎn)生的壓強(qiáng)大幾十倍甚至幾百倍,此時(shí)管道極易發(fā)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?dāng)嗝妫a(chǎn)生氣阻，影響管道的輸水能力。當(dāng)向管道注水時(shí)，管內(nèi)氣體排出越快，進(jìn)水速度也越快；如果進(jìn)水水壓過高，且管道排氣不暢，往往會(huì)產(chǎn)生水錘事故。因此，需要在管道的每一處高點(diǎn)或已產(chǎn)生水柱拉斷的地方安裝排氣閥，以便能排除管道內(nèi)積存的氣體，保證管道通水能力，防止水錘發(fā)生。在管道出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，及時(shí)向管道內(nèi)吸入空氣，在水柱相撞時(shí)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(dāng)管道排水放空時(shí)，它大量吸氣，避免管道內(nèi)形成負(fù)壓而損壞；當(dāng)管道灌水時(shí)，它大量排氣，讓管道內(nèi)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(yīng)就近排掉。因而排氣閥應(yīng)是復(fù)式的排氣閥，既有快排、快吸的功能。要求快排時(shí)，排氣口的風(fēng)速超過100m/s時(shí)也不封堵；又要有小孔釋放少量積氣的功能。
綜上，管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)排氣閥，排氣閥應(yīng)設(shè)置在高點(diǎn)，垂直安裝；地下管道排氣閥應(yīng)設(shè)置在井內(nèi)，采取保溫措施，在長(zhǎng)距離的輸水管道上，每隔500~1000m應(yīng)考慮設(shè)置一個(gè)排氣閥。一般在起伏不大的平原地區(qū),挖槽時(shí)應(yīng)人為的將管線設(shè)計(jì)出起伏,呈循環(huán)上升或下降，坡度不小于1/500，每公里在高處設(shè)置1~2個(gè)排氣閥；在起伏較大的丘陵或山區(qū)，應(yīng)在每個(gè)起伏的高點(diǎn)設(shè)置一個(gè)排氣閥，排氣閥的規(guī)格是原管道直徑的1/8~1/10。
2.6長(zhǎng)距離輸水管道泄水閥的設(shè)置
按照規(guī)范要求，在管線的低點(diǎn)需安裝泄水閥，可以排除沉淀物以及檢修時(shí)放空管內(nèi)存水。實(shí)際上，在安裝排氣閥制造至高點(diǎn)的同時(shí)，也就相應(yīng)制造了低點(diǎn)。如果在每一個(gè)低洼處安裝一個(gè)泄水閥，不僅投資太大，而且從運(yùn)行角度講也不必要。反之，不設(shè)泄水閥，局部管道就放不空，影響管道檢修。故要根據(jù)管線埋設(shè)深度及高點(diǎn)和低點(diǎn)高差合理確定泄水閥的數(shù)量和位置。
2.7長(zhǎng)距離輸水管道連通閥的設(shè)置
對(duì)于兩條以上的輸水管為保證供水安全性，一般應(yīng)設(shè)連通管，兩條連通管之間的距離以10km為宜，且應(yīng)盡可能安設(shè)在容易出現(xiàn)故障的高壓段，連通管必需固定好，防止關(guān)閘時(shí)發(fā)生位移使管道脫節(jié)漏水。
2.8長(zhǎng)距離輸水管道粗糙系數(shù)的n值
球墨鑄鐵管和鋼管采用水泥砂漿內(nèi)襯的粗糙系數(shù)與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管是一致的，按新規(guī)范的規(guī)定n值的取值范圍為0.011≤n≤0.04。管道水力計(jì)算一般情況下采用曼寧公式，對(duì)于管道水力計(jì)算，選擇n值的大小，對(duì)于短距離輸水影響甚微，但對(duì)于長(zhǎng)距離輸水的影響不可忽視。由于近年來制管工藝和技術(shù)的進(jìn)步，管壁的光滑程度越來越好，依據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，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(shí)際的。
3．城市長(zhǎng)距離輸水排氣閥設(shè)計(jì)結(jié)束語
長(zhǎng)距離管道輸水工程涉及到設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)依據(jù)等許多技術(shù)問題，且與施工及運(yùn)行管理有密切關(guān)系。近年來長(zhǎng)距離輸水工程愈來愈多，技術(shù)問題也愈來愈復(fù)雜，該領(lǐng)域已積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，隨著今后更長(zhǎng)距離管道輸水工程實(shí)踐，這方面的成功經(jīng)驗(yàn)將更多，工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)等諸多方面將更加完善。
.結(jié)語由于輸水管道排氣順暢與否是其保證安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，工程實(shí)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(chǎn)，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)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(yùn)行的關(guān)鍵。坡度≥D/10時(shí),可考慮僅在高點(diǎn)處安裝排氣閥(D為管道直徑)。多起伏的管路,應(yīng)在各高點(diǎn)處安裝排氣閥。按有關(guān)的規(guī)范和技術(shù)要求，科學(xué)地選擇排氣閥，對(duì)所選購(gòu)的排氣閥進(jìn)行性能測(cè)定試驗(yàn)，以鑒定排氣閥的性能，合格后方可選用。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥 |
