排氣閥在實際應用中出現(xiàn)問題討論

輸水管道，主要指水源至凈水廠或凈水廠至配水管網(wǎng)的管道。由于輸水管道負擔全系統(tǒng)供水，且壓力較高，所以它的安全運行問題始終被從水部門和設計部門所重視

輸水管道常見的事故是爆管，引起爆管的原因主要有：溫度應力、管材質(zhì)量、施工質(zhì)量、地質(zhì)構造和水錘等。管道中的氣囊雖然不能直接造成水錘，但可借助水錘造成危害。本文就如何在輸水管道上設置排氣閥，避免氣體聚集成氣囊進行探討。

實例及分析

在地形起估地段，要求輸水管道的zui高點設排氣閥，但實際運行中，許多爆管并未發(fā)生在高點或低點，而是發(fā)生在高點后的下彎管段，甚至低壓管道也發(fā)生此類爆管。黑龍江鶴崗的一段管道爆管就是一個典型的例子。

鶴崗市屬低山丘陵區(qū)，凈水廠與送水泵站分建，二者相距5公里，凈化水靠重力流送至送水泵站，凈水廠清水池高程210m，送水泵站清水池高程185m，輸水管為dn800連續(xù)鑄鐵管，平均流速1.0m/s，泵站前500m有一高崗，高程185（見圖一），高崗的zui高點有一排氣閥，但排氣閥后50m處，多次發(fā)生爆管事故，后來在爆管處加裝了一雙口排氣閥，幾年來，兩排氣閥間沒再爆管，只在新裝排氣閥后10m處發(fā)生過一次爆管。

從這個例子看，爆管與管中的氣體有關（安排氣閥后無爆管）。下面對管道中氣囊的形成過程和它的受力情況進行分析：

1.氣體的聚集及平衡

在正常情況下，管道中的水流可近似地看成是恒定流（壓力、流速、溫度不變）。在這種狀態(tài)下，水中的氣體要逐漸地析出，形成大小

不等的氣泡上升到管壁，氣泡按水流流速向前運動。在上坡段，由于浮力的作用，氣泡流速可能大于水流速。因管壁有一定粗糙度，各氣泡運動方向相同，很難聚集成大氣泡。小氣泡沿管壁一定寬度向前流動，經(jīng)過zui高點排氣閥時，排氣管直徑內(nèi)的氣泡有條件排出，而其他氣泡靠水流的推力向下游流去。由于管壁處的紊流和流速和切線特性，使一些經(jīng)過排氣管的小氣泡越過排氣孔也向下游流去

越過排氣閥的氣泡順坡而行，運動方向與氣泡所受浮力的分力p1方向相反，這個浮力合力產(chǎn)生的阻力，必然使氣泡運動的速度減慢，后序氣泡容易撞擊前面氣泡而全成大氣泡，大氣泡產(chǎn)生大的浮力。

浮力分力p1=psinα （1）TD\\QXK168

式中：p--氣泡受水的浮力（p=1/6π d3·p）

p--水的容重vo=B#8

d--氣泡直徑/bv-Fsa3~f

α--管道的俯角:CWfL}|[[Z

氣泡受水流的推力為p

v2T1D'cU -9

p'=----- .s （2）SX+=$ h%

式中：----- --－流速壓強（kg/cm2） X_kS| Nfb^.=5€1?.,

s-- 氣泡zui大截面積（s=1/4πd2）/

v-- 水流速（m/s）0n*

當p1＝p`時，氣泡受力達到平衡而靜止在管道中。聯(lián)立（1）、 （2）

d.sinα

10.4p.gLtWPY_€=11

c--平衡常數(shù)QeJSC,@.

式（3）說明，在恒定流條下，氣泡直徑與管道俯角的正弦成反比。

當d·sinα>c時，氣泡向上移動。

2.管道中氣囊的形態(tài)

前述氣泡平衡問題時，假定了氣泡為直徑等于d的球形，這只能近似地形容微小氣泡，實際上當氣泡達到一定體積，且上升到管壁成為氣囊，由于表面張力的的作用，它將以半橢圓形狀存在（見圖四）。隨著氣泡逐漸長大，氣泡的形狀將受水流推力、重力和管道形狀控制，在長度方向伸長較大，在橫向成弓形

根據(jù)模擬測量，氣囊的長l與高h的關系為

1≈15hvi

3.氣囊受力分析及臨界位置A|H+h

根據(jù)水利學原理，氣囊在管道內(nèi)平衡時所受水流的推力，等于垂直于水流的截面所受的壓力（見圖五（1）），這個截面為以h為高的弓形（見圖5（2））V

n v2 L]M

p'=∑ pi= -----.s （5）€

1 2g10z..7| |xl

s--弓形在積

氣囊能引起爆管，是由于快速開關閥門或水泵起停，使管道出一了大的壓力增值，氣體的可壓縮特性，使應力集中到氣囊產(chǎn)生高壓而爆管。

根據(jù)一些爆管的經(jīng)驗，氣囊高度達到管徑四分之一是爆管的危險點，也就是氣囊的臨界點。這時氣囊的體積和斷面積簡單計算為：

v≈0.5πr3，s≈0.2πr2。-2ts018^0

對前例中dn800管道，當v=1.0m/s時，所受推力按（5）式計算：VDaoK

1.02Dj-qKEUi6

p'＝------0.2π.402=5.124（kg）*

2g

所受浮力按（1）式計算a

p1=psin α=0.5π0.43×1000sinα=100.5sinα

當p`=p1時?

5.214K&t%

α =arcsin=-----------=2.92°

100.5NEQO

該俯角α與實測爆管點俯角基本吻合。

三、結論

1.輸水管道下坡段必須增設排氣閥，具體位置由式p`=psinα確定，計算流速取平均值為宜

2.管道實際俯角小于計算角度時，排氣閥應設在下彎曲線與直線的交點處；

3.為使管內(nèi)氣體盡早排出而不形成氣囊，下彎管線與直管線的交點均應設排氣閥；

4.本文所增設的排氣閥不能取代zui高點排氣閥。

排氣閥是管道系統(tǒng)中*的輔助元件，廣泛應用于鍋爐、石油天然氣、給排水管道中。往往安裝在制高點或彎頭等處，排除管道中多余氣體、提高管道路使用效率及降低能耗。暖通系統(tǒng)及暖通空調(diào)系統(tǒng)在運行過程中，水在加熱時釋放的氣體(如氫氣、氧氣等)帶來的眾多不良影響會損壞系統(tǒng)及降低熱效應，這些氣體如不能及時排掉會產(chǎn)生很多不良后果。諸如：由氧化導致的腐蝕；散熱器里氣袋的形成；熱水循環(huán)不暢通不平衡，使某些散熱器局部不熱；管道帶氣運行時的噪聲；循環(huán)泵的渦空現(xiàn)象。

分類
暖氣式
地暖（地熱）是一套系統(tǒng)，從地暖盤管到分水器的固定安裝以及自動排氣閥門管件的連接有著嚴格的工藝要求，在冬季供暖時，開啟地暖用戶首先需要排氣，那么排氣就需要用到排氣閥。暖氣排氣閥一種安裝于系統(tǒng)zui高點，用來釋放供熱系統(tǒng)和供水管道中產(chǎn)生的氣穴的閥門。
微量式
在一般情況下，水中約含2VOL%的溶解空氣，在輸水過程中，這些空氣由水中不斷地釋放出來，聚集在管線的高點處，形成空氣袋（AIR POCKET）使輸水變得困難，系統(tǒng)的輸水能力可因此下降約5-15%。此微量排氣閥主要功能就是排除這2VOL%的溶解空氣，并適合裝置于高層建筑、廠區(qū)內(nèi)配管、小型泵站用以保護或改善系統(tǒng)的輸水效率及節(jié)約能源。
單桿式（AETV SIMPLE LEVER TYPE）微量排氣閥，為一類似橢圓形閥體，內(nèi)部所有零件包括浮球、杠桿、杠架、閥座等均為304S.S不銹鋼，內(nèi)部使用標準排氣孔徑1/16"，適合用于zui高達PN25工作壓力環(huán)境。
主要規(guī)格：
公稱通徑：DN15-DN25
公稱壓力：PN10 PN16 PN25
快速式
排氣閥<大口徑排氣閥>應用于獨立采暖系統(tǒng)、集中供熱系統(tǒng)、采暖鍋 爐、中央空調(diào)、地板采暖及太陽能采暖系統(tǒng)等管道排氣。因為水中通常都溶有一定的空氣，而且空氣的溶解度隨著溫度的升高而減少，這樣水在循環(huán)的過程中氣體逐漸從水中分離出來，并逐漸聚在一起形成大的氣泡甚至氣柱，因為有水的補充，所以經(jīng)常有氣體產(chǎn)生。為此就延生出排氣閥這一名詞,在日常生活也解決了不少問題.
復合式
復合式排氣閥為圓桶狀閥體，其內(nèi)部主要含有一組不銹鋼球（STAINLESS STEEL BALL），桿（FLOAT ARM）及塞（POPPET）。本閥裝設于泵浦出水口處或送配水管線中，用以大量排除管中集結之空氣，或于管線較高處集結之微量空氣排放至大氣中，以提高管線及抽水機使用效率，且于管內(nèi)一旦有負壓產(chǎn)生時，此閥迅速吸入外界空氣，以保護管線因負壓所生產(chǎn)之毀損。
污水復合式排氣閥原理與清水復合式排氣閥相同，只是將結構略作改動，即將閥體加長，杠桿機構略作修改，使污物只積在閥體下部，不影響排氣，不致漏水。
主要規(guī)格：
壓力等級：PN10
公稱通徑：DN50-200mm

操作方法
當管內(nèi)開始注水時，塞頭停留在開啟位置，進行大量排氣，當空氣排完時，閥內(nèi)積水，浮球被浮起，傳動塞頭至關閉位置，停止大量排氣，當管內(nèi)水正常輸送時，如有小量空氣聚集在閥內(nèi)到相當程度，閥內(nèi)水位下降，浮球隨之下降，此時空氣由小孔排出，當抽水機停止，管內(nèi)水流空時或遇管內(nèi)產(chǎn)生負壓時，此時塞頭迅速開啟，吸入空氣，確保管線*。
整體單球式復合式排氣閥（清水用）
壓力等級：PN10
公稱通徑：DN25-100mm
(DN25為螺紋式，其余為法蘭式)
分離式復合式排氣閥（清水 污水共用）
壓力等級：PN10
公稱通徑：DN250-300mm
整體雙球式復合式排氣閥
壓力等級：PN10
公稱通徑：DN250-300mm

技術要求
①主要技術參數(shù)
a.排氣閥的公稱壓力為 PN10。
b.密封試驗壓力為1.1MPa。
c.強度試驗壓力為1.5 MPa。
d.排氣閥的水關閉壓力應≤0.02 MPa。
e.排氣閥的空氣關閉壓力應≥0.07 MPa。
f.壓力試驗應符合標準GB/T13927的規(guī)定。
g.連接法蘭應符合標準GB/T17241.6-98的規(guī)定。
h.zui高工作壓力可達10bar。
i.zui高工作溫度（水）約110℃。
②性能要求
a.排氣閥應有較大的排氣量，當管道空管充水時可在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)快速排氣恢復至正常供水能力。
b.排氣閥在管內(nèi)有負壓產(chǎn)生時，活塞應該可以迅速開啟，快速大量吸入外界空氣，以保證管線不會因負壓而產(chǎn)生損害。且在工作壓力下能夠?qū)⒐艿乐屑Y的微量空氣排出。
c.排氣閥應有比較高的空氣關閉壓力，在活塞關閉前的較短時間內(nèi)，應有足夠能力將管道內(nèi)的空氣排放完畢，提高輸水效率。
d.排氣閥的水關閉壓力應不大于0.02 MPa，在較低的水壓下就可以關閉排氣閥，從而避免水的大量涌出。
e.排氣閥應采用不銹鋼浮球（浮桶）作啟閉件。
f.排氣閥閥體上應設有防沖擊保護內(nèi)筒，以防大量排氣后高速水流直接沖擊浮球（浮桶）而造成浮球（浮桶）的過早損傷。
g.對于DN≥100的排氣閥采用分體結構，由大量排氣閥和自動排氣閥組成，以適應管道壓力的使用要求。自動排氣閥應采用復杠桿機構，使浮球浮力得以大幅度放大，且關閉水位低，水中雜質(zhì)不易接觸密封面，排氣口不會被堵塞，其抗堵塞性能可大大提高。同時在高壓情況下，由于復杠桿的加力作用，使浮球能和水位同步下降，啟閉件不會像傳統(tǒng)閥門被高壓吸住，從而正常排氣。
h.對于高流速、頻繁啟動水泵、口徑DN≧100的工況，為減緩水流沖擊，排氣閥應加裝緩沖塞閥。緩沖塞閥應可以防止大量噴水但不影響大量排氣，使輸水效率不會受到影響，并有效防止水錘發(fā)生。