之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍城市长距离输水排气阀设计目前越来越多的新建大型工艺装置，按城市统一规划要求远离城镇居民聚居地，从而导致其距水源地较远，需要长距离输水，来保证装置的安全用水。以下是对长距离输水管线设计的一些体会。 1.工程概况本工程案例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，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。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。

城市长距离输水排气阀设计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。
4.排气阀的类型排气阀是输水管道上的特殊产品,其性能差极大。目前国内常见的排气阀按结构形式可分为2类，浮球式排气阀(包括组合式、复合式、动力复合式)和气缸式排气阀。
4.1浮球式排气阀在其阀体内护筒上有一浮球，在阀体内无水时，浮球落入护筒，排气口打开排气，有水时，浮球浮起堵住排气口，封住水流。该类型的排气阀结构简单，但有以下技术缺陷：1>水气相间时大排气口仅能排出段气体,不能连续排气。输水管道坡度不大时，管道中大多是一段水一段气的段塞流状态，浮球式排气阀的浮力仅几公斤重，而排完段气体，水就把浮球托起，第二段气体即有压力,假定压力为0.2PMa，气体对浮球的托力等于排气口面积乘管道内压力,计算可得DN100排气阀托球力约150kg，DN300排气阀托球力约1400kg，故大排气口不可能再自动开启排气，在段塞流状态中失去排气功能。
2>小排气口径一般为3～5mm，仅能微量排气如果大排气口性能不好,仅靠微孔排气，对于大管径输水管是极危险的。3>运行时长期不动作,浮球易因贴粘而失效。4.2气缸式排气阀气缸式排气阀是利用浮筒杠杆等控制气缸内气动膜片动作，从而使阀体上大、小排气口启闭，是全压高速排气阀，该阀在任何压力和水流状态下，只要管路中的气体进入排气阀，排气阀就开启大、小排气口排气。当水进入排气阀内，大、小排气口即关闭,不漏水。或者说该阀能做到见气即高速排出，见水即关闭，可连续多次的大量排气。这类排气阀结构上的主要特点是：大、小排气口或仅大排气口的有效排气口径不小于排气阀公称直径的70%～80%，排气口径大，排气速度快，且在任何情况下均可高速排气。一般设计者在选择排气阀时是以排气阀的公称直径计算排气量的。气缸式排气阀则完满足设计要求,真正起到防止管道出现水锤和爆管的作用。
5.排气阀的选择及安装本工程输水管线有压力流、有重力流、有坡度大的、有坡度小的，管道内气体的运行状态比较复杂，应当选用一种排气阀在任何状态都能有效地排出管道内的气体。经比较选用了气缸式排气阀。净化站建在一山头上，从江边取水泵房到净化站，管道长800m，压力流，坡度大，在中间隆起点处安装了排气阀，为了能够均匀分配进各处理构筑物的水量，在进净化站前安装了超声波时差式流量计，如果管道中有大量气囊,容易造成流量计测量超差或无法测量，所以在超声波时差式流量计前大于10倍管径处安装了排气阀，确保计量准确无误。从净化站到二次加压泵房，管道长1600m，重力流，下山段坡度大，其它管道坡度较平坦，下山管道内的气体能够直接排入山上的清水池，山下坡度平坦的管道共在三处安装了排气阀，为了保护二次加压泵房内的水泵，在进二次加压泵房处的管道上安装了排气阀。
从二次加压泵房到生产区，管道长600m，压力流，坡度较平坦，在中间隆起点处安装了排气阀。输水管线上共在6处安装了排气阀，能够有效地排出管道内的气体，确保了输水管线不会管道内有气体而出现问题。

1．城市长距离输水排气阀设计长距离管道输水工程的特点 
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀输水距离长，沿途地形条件比较复杂，压力流输水管线有升有降，起伏不平。根据管线布置要求和运行要求，管路需要安装许多附件，如排气阀、泄水阀、连通阀等。 
2．长距离输水管道设计 
2.1长距离输水管线路径选择 
（1）管线路径应尽量做到线路短，起伏小，土石方少，造价经济，少占农田。 
（2）走向和位置应符合城市和工业企业的规划要求，并尽可能沿现有道路和规划道路敷设，便于施工和维护。 
（3）应尽量避免穿越河谷、山脊、沼泽、重要铁路和泄洪地区，并应避开滑坡、塌方以及易发生泥石流和高侵蚀性土壤地区。 
（4）管线路径的选择还应考虑近远期结合和分期实施的可能。 
2.2长距离输水管道管材的选择 
合理选择管材对长距离输水工程十分重要，不仅是保证输水管道安全运行的关键，而且还决定工程造价的高低。管材选择除应考虑管径、内压、外部荷载、管道敷设区的地形地质、管材的供应外，还应考虑施方便、运行安全、经济合理等因素。在长距离输水工程中，常用的管材有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土管、玻璃钢管等。 
（1）钢管 
钢管应用历史较长，范围较广，输水工程一般选用螺旋焊缝与直缝焊接钢管。其优点是适应性强，加工灵活方便，可承受较高的内压；缺点是钢管防腐复杂，质量不好保证，总造价高，一旦防腐处理不当，将直接影响其使用寿命和输水能力。 
（2）球墨铸铁管 
球墨铸铁管强度比钢管大，延伸率也高出10%，用于国内输水工程已有10多年时间，在生产使用过程中已经积累了一定经验。同时球墨铸铁管耐腐蚀能力强，采用T型接口，施工安装方便，有很强的适应地基变形和抗震能力，但价格较贵。 
（3）预应力钢筋混凝土管 
预应力混凝土管因加工工艺简单、造价低、抗震性能和水利条件好、不需要防腐处理，较适合我国的经济状况而应用普遍。但管材制作过程中存在弊病，如三阶段管喷浆质量不稳定，易脱落和起鼓；一阶段管在施加预应力时不易控制(特别在插口端部)，且因体积重量大造成运输安装都不方便，使其应用受到了限制。 
（4）玻璃钢管 
玻璃钢管的特点是强度较高，重量轻，耐腐蚀，不结垢，内壁光滑阻力小，在相同管径、相同流量条件下比其他材质管道水头损失小、节省能耗。玻璃钢管的连接也采用承插式，并设置胶圈，安装很方便。玻璃钢管相对而言壁薄，为柔性管道，对基础与回填要求较高。寿命一般为50年。 

2.3城市长距离输水排气阀设计长距离输水管道的数量 
（1）输水管的根数需要根据给水系统的重要性、输水规模、分期建设的安排，以及是否有安全贮水池等因素全面考虑确定。 
（2）不得间断供水的输水工程，一般应设两条输水管，当有其他安全供水设施时，可只设一条；如输水距离较远时，也可敷设一条，同时修建相当容量的安全贮水池。 
（3）允许间断供水的给水工程或一处水源并不影响整个供水系统供水的多水源工程，一般可只设一条输水管。 
2.4长距离输水管道的埋设深度 
管道的埋设深度既要满足于管子的强度要求，又要考虑冻土层厚度及耕作要求。非冰冻地区管道的管顶埋深，主要由外部荷载、管材强度及管道交叉等因素决定，一定不小于0.7m；冰冻地区管道的管顶埋深除决定于上述因素外，还需要考虑土壤的冰冻深度。为保证非金属管道不因动荷载的冲击破裂而降低强度，其管顶覆土深度应不小于1.0~1.2米。 
2.5长距离输水管道排气阀的设置 
管道在运行过程中,水中的气体将会逸出在管道高起部位积累起来,甚至形成气阻,当管中水流发生波动时,隆起的部位形成的气囊,将不断被压缩、扩张,气体压缩后所产生的压强,要比水被压缩后所产生的压强大几十倍甚至几百倍,此时管道极易发生破裂。这些气体需要通过排气阀迅速排除，否则将减少过水断面，产生气阻，影响管道的输水能力。当向管道注水时，管内气体排出越快，进水速度也越快；如果进水水压过高，且管道排气不畅，往往会产生水锤事故。因此，需要在管道的每一处高点或已产生水柱拉断的地方安装排气阀，以便能排除管道内积存的气体，保证管道通水能力，防止水锤发生。在管道出现负压时，及时向管道内吸入空气，在水柱相撞时起缓冲作用，以降低水锤压力，防止破坏管道接口或管道本身。 
排气阀是输水管道的呼吸器，当管道排水放空时，它大量吸气，避免管道内形成负压而损坏；当管道灌水时，它大量排气，让管道内快速灌满水；在管道输水过程中，水里释放出的少量气体亦应就近排掉。因而排气阀应是复式的排气阀，既有快排、快吸的功能。要求快排时，排气口的风速超过100m/s时也不封堵；又要有小孔释放少量积气的功能。 
综上，管道设计时应设计排气阀，排气阀应设置在高点，垂直安装；地下管道排气阀应设置在井内，采取保温措施，在长距离的输水管道上，每隔500~1000m应考虑设置一个排气阀。一般在起伏不大的平原地区,挖槽时应人为的将管线设计出起伏,呈循环上升或下降，坡度不小于1/500，每公里在高处设置1~2个排气阀；在起伏较大的丘陵或山区，应在每个起伏的高点设置一个排气阀，排气阀的规格是原管道直径的1/8~1/10。 
2.6长距离输水管道泄水阀的设置 
按照规范要求，在管线的低点需安装泄水阀，可以排除沉淀物以及检修时放空管内存水。实际上，在安装排气阀制造至高点的同时，也就相应制造了低点。如果在每一个低洼处安装一个泄水阀，不仅投资太大，而且从运行角度讲也不必要。反之，不设泄水阀，局部管道就放不空，影响管道检修。故要根据管线埋设深度及高点和低点高差合理确定泄水阀的数量和位置。 
2.7长距离输水管道连通阀的设置 
对于两条以上的输水管为保证供水安全性，一般应设连通管，两条连通管之间的距离以10km为宜，且应尽可能安设在容易出现故障的高压段，连通管必需固定好，防止关闸时发生位移使管道脱节漏水。 
2.8长距离输水管道粗糙系数的n值 
球墨铸铁管和钢管采用水泥砂浆内衬的粗糙系数与预应力钢筋混凝土管是一致的，按新规范的规定n值的取值范围为0.011≤n≤0.04。管道水力计算一般情况下采用曼宁公式，对于管道水力计算，选择n值的大小，对于短距离输水影响甚微，但对于长距离输水的影响不可忽视。由于近年来制管工艺和技术的进步，管壁的光滑程度越来越好，依据工程实际经验，如果输水工程采用上述4种管材，n值取0.012是比较符合工程实际的。 

3．城市长距离输水排气阀设计结束语 
长距离管道输水工程涉及到设计方案、设计依据等许多技术问题，且与施工及运行管理有密切关系。近年来长距离输水工程愈来愈多，技术问题也愈来愈复杂，该领域已积累了一定的工程经验，随着今后更长距离管道输水工程实践，这方面的成功经验将更多，工程的设计、施工和运行管理经验等诸多方面将更加完善。

.结语由于输水管道排气顺畅与否是其保证安全运行的重要指标，工程实践证明，不装或者所装排气阀性能不符合要求，都可能造成爆管,停水停产，造成一定程度的经济损失。因此使用排气性能良好的排气阀并合理安装是管路安全运行的关键。坡度≥D/10时,可考虑仅在高点处安装排气阀(D为管道直径)。多起伏的管路,应在各高点处安装排气阀。按有关的规范和技术要求，科学地选择排气阀，对所选购的排气阀进行性能测定试验，以鉴定排气阀的性能，合格后方可选用。与本文相关的产品有不锈钢波纹管密封安全阀