探析供水管網安全運行“排氣”的關鍵

1 供水管網中氣體的危害

1.1 引發氣爆型水錘

供水管網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系統中，氣體以氣團的形式存在，且隨著管網溫度、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，可能導致供水管網發生氣爆型的水錘。

1.2 增加動力消耗

供水管網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

供水管網的氣團不穩定運動，容易造成管道的局部振動，導致接口松動漏水；且管道內壁交替與水或空氣接觸，加劇管道腐蝕。

1.4 造成計量設備計量失準

供水管網的氣體通過計量設備時，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；氣體通過以電磁或超聲原理計量的設備時，因計量設備無法辨識通過的流體是水還是氣體，造成計量失準；因管道內氣體的聚集，造成計量設備前端水的流態發生改變，因此導致計量失準[1]。

2 供水管網中氣體的來源與存在形式

2.1 連續使用的供水管網中的氣體來源可大致歸結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，因運行負壓產生的氣體釋放。

2.2 供水管網的氣體聚集的環境

1）管徑變化處及管道交叉處

供水管網的管徑變化、管道交叉一般采用中心線對接方式，當水流速度不大時，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）各類閥門內部及安裝處

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

圖1 供水管網氣體的聚集處

圖2 各種氣液兩相流狀態示意圖

2.3 供水管網中氣水兩相流的流態特點

根據著名水錘專家馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管網在充水及運行過程中可能呈現6種氣液兩相流流態（見圖2）。連續運行的供水管網中，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，管道中的液體流態多為層狀流和波狀流，氣體排出相對容易，供水管網運行時，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，管道內液體流態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/雙口式浮球閥結構簡單、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外壓力差產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，但是它存在結構弊端。杠桿必須加大閥體的體積，閥瓣關閉行程短，排氣面積極小?，F在有多連桿機構的排氣閥，但仍然不能解決閥瓣關閉行程短這個缺陷，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計，而且成本較高[2]。

3）高速復合式排氣閥，根據航空動力學原理改變了閥體內部結構，使得高速流動的氣體在閥體內產生的低壓區下移至閥瓣下端，閥瓣所受的合力依然向下，只有當液面上升，通過浮力推動浮球和閥瓣上升，主閥關閉。當管道內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、不會發生氣托現象，排氣效果好。有實驗表明當系統壓力為0.1MPa時，高速復合式閥的排氣效率為91.94%，當系統壓力升高至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合式排氣閥最為合適。

表1 管網系統的運行情況

3.3 供水管道的排氣閥安裝及維護

1）排氣閥的安裝地點

根據供水管道內的氣體存在的地點和氣體產生的原因，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、住宅小區內管道高點；居民分戶水表的最高點；住宅立管的高點；重要的調控閥門附近；在停泵時有可能出現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；供水管網壓力梯度遞減處。

優化管道設計，給水橫管設計成0.1%～0.3%的逆坡，有利于排凈管中的空氣；管網設計中盡量避免出現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生漏水，應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，修復閥門井室的破損和固定閥門井蓋，清除閥門井內的垃圾，排放閥門井內的積水，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，每次管道發生充放水，應做好排氣閥的觀測記錄以判斷排氣閥的工作狀態。

3.4 案例應用

某供水區域DN100mm管道長度600km，日供水量約15萬t，供水戶數6萬戶，供水結構以居民、工業為主。地勢是北高南底，為丘陵地帶，地面高程相差約30m。區域內經常發生自然爆管事件，水廠出水壓力很高，但是到管網上仍然還是出現局部多處壓力不足的現象。一些樓盤小區出現大面積的水表自轉現象。

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

至2018年，對比相關指標參數（見表1），管網系統的運行情況較之前狀態良好。

4 結語

綜上所述，供水管道是城市的生命線，排氣閥是保證“生命線”正常運行的關鍵點，研究氣體在供水管道中的流態及集聚位置，科學選型及安裝、維護管理排氣閥，確保管道內氣體有效排除，可降低供水管道爆管事故發生的幾率，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，為城市供水企業帶來良好的經濟效益和社會效益。