输配水管网中存在气体的分析及排气方式的选择

王超

【摘 要】在城市输配水管网中，排气不畅是引起管网爆管的主要原因。结合城市输配水管网中气、水两相流研究的最新理论，探讨了国内外常用的排气方式，并对管网排气方案提出具体建议，为工程技术人员提供参考。 【期刊名称】《城镇供水》 【年(卷),期】2015(000)005 【总页数】4页(P67-70)

【关键词】管网;两相流;水锤;排气阀 【作 者】王超

【作者单位】长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 7100 【正文语种】中 文

随着城市建设的发展，水资源的日益短缺，城市管网供水经常出现的爆管和漏水问题越来越引起人们的关注，管网爆管不仅影响城市居民的正常用水和城市交通，，而且造成财产损失。找到管网爆管的原因，尽快有效地解决管网爆管问题，已经成为相关工程技术人员义不容辞的责任。

根据工程经验，在城市输配水管网中气、水两相流的非稳定运行是管网爆管的主要原因，气囊运动在管道中的不稳定性及相互转化不可控性极易造成管网不正常工况下的水柱分离和断流弥合水锤。研究表明，气囊运动在管道中引起管道中的压力升降，最高水锤升压可达400米水柱，可对管道造成极大破坏，引起管网多处爆管

和大量漏水。因此，了解输配水管网中气、水两相流方面动态模型及其转化规律，研究输配水管网中气囊运动引起管网水锤升压的机理和常用的排气方式，并选择合理的排气方式对解决城市输配水管网爆管问题具有重要意义。 2.1 有压供水管道中气、水两相流的六种流态

目前关于气、液两相流的流态研究多集中在充满水流动的管道中充气。在输配水工程中，管道起伏不大，可视为水平管道，充水阶段是向存满气的管道中充水，运行阶段则是在充满水的管道中局部存气。输配水工程中的气、水两相流的流型与不加热水平管内的流型较为相似，但是产生条件及过程却截然不同。在输配水管道中，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，气体则以众多相互的大气囊形式分散存在。据美国马丁教授的研究理论，较平坦的供水管路呈现六种气液两相流状态，见图1所示。 2.2 六种流态间的相互转化

管道中气、水两相六种流态的转化如图2所示，管道在正常充水过程中，将依次经历层状流、波状流、气团流及段塞流，在特殊情况下会产生泡沫流和环状流，在长距离输水管路中，段塞流是气水两相流的最终转化形式。因此在长距离输水管路上选择某些水锤防护设备时必须考虑到长距离输水管路中水的流态形式。 3.1 存气条件

（1）层状流（充水前期）

在充水初期，管中液相比例较小，气相和液相的流速都不大，这时气相和液相分别在管道的上层和下层流动，气、液间具有平滑的界面。 （2）波状流（充水中期）

随着液相流量的增大，液相比例加大，气相比例减小，液相流速较小，气相流速较大，则下层液体在上层气流的扰动作用下，呈现波浪状的界面，即为波状流。

（3）段塞流（充水后期）

随着液相流量的进一步增大，液相比例继续加大，气相比例继续减小，管中形成液相和气相互相间隔的段塞状流动，称为段塞流。气团与管壁间有一层液膜，液段中则夹杂着许多小气泡。 （4） 气团流（充水后期）

气团流多发生在充水后期和运行阶段，管道中基本为液相充满，在局部有气团形成，此时液相流速较大，气相流速较小，气相形成长条形的气团，聚集在水平管上部，随液相流一起流动。

（5）泡沫流（瞬间出现并迅速转化）

液相在强烈的扰动下与气相混合或气相从液相迅速析出时会形成泡沫流。但是泡沫流并不稳定，瞬间即转化为其它流态。由于泡沫流转化速度较快、形成条件复杂，所以，很难观察到。

（6）环状流（瞬间出现并迅速转化成波状流或段塞流）

气相流速很大，液相被气相吹铺成沿管壁周边的环状液膜，气相在环膜中间高速运动，此时即是环状流。环状流同泡沫流一样不稳定并且形成条件复杂。环状流的环状液膜会在重力作用下迅速破坏，转化成波状流或段塞流。 3.2 管道中气囊运动及其升压机理 （1）美国水锤专家Streeter实验

著名美国水锤专家V.L.Streeter曾经介绍了一个实例如图3所示：一条由水池接出的直径为1m、长度为61m的单一管道，水池水位为30m，距管道末端12m一段存有空气，管首端阀门在0.95 s内打开，该管段开始时绝对压力为102 kPa，在接近2.5 s时压力猛增至绝对压力2331 kPa（约223米水柱），由此可见气囊运动所引起管道压力振荡的严重程度［1］。 （2）气囊压差及水气速差造成压力升高

有压管道内气囊运动产生的压力升高往往类似于断流弥合水锤［2］，其升压值与气囊所占管道过水断面的大小及气囊运动与水流的速差有关。理论计算表明，气囊两端的压差如果达0.01m水柱，气囊运动的速度即可达每秒十几米，水流随之波动的速度与管路的复杂程度和气囊占过水断面的比例有关，故气囊运动引起的升压也大小不同，可能小到仅几米水柱，大到数百米水柱，国内外实测到较大的断流水锤升压为200～400米水柱。特别值得注意的是，气囊引起的断流弥合水锤升压极快，往往在不到1秒（停泵水锤升压过程一般为十几秒至几分钟）就迅速升压到最大值，因而较一般停泵水锤更难防护。 （3）水柱撞击造成压力升高

当管道中气囊两端水柱撞击时，且气囊缓冲容积不足够大时，其最大压力升高可能接近直接水锤，为：ΔH = a/g△V.≈（80～100） △V（米水柱） ΔV—流速变化 ΔH—水柱撞击升压 3.3 管网中气囊运动的危害

根据有关理论计算，排气不畅引起的气爆压力最高可达20～40个大气压，其破坏力相当于静压40～80个大气压，足以破坏任何供水管道，工程上最强的球墨铸铁管被破坏也屡见不鲜，如东北某市，输水管长91km，几年运行爆管达108次，沈阳建工学院的专家经分析后结论为气爆；南方某市输水管仅长860m，管径DN1200，运行一年爆管达6次之多；西北某市，管长10.2km，管径DN1200运行两个月爆管3次。

在输配水管网中排气不畅容易造成管网通水困难、设计流量无法满足以及多次爆管引起的系统瘫痪，同时还会带来一些隐性危害，如管网压力失稳、漏失水量增加、管网寿命降低、故障较多带来的大量人力物力浪费等问题，从整体上来看，在输配水管网中排气不畅会对工程的安全性和经济性造成影响。

4.1 常见排气方式

在城市输配水管网中，排气方式有很多种，目前工程上主要用排气阀来进行排气，排气阀的选择是保证管网排气通畅的关键。目前国内外工程上主要有两种排气阀：浮球（筒）式排气阀和气缸式排气阀。浮球（筒）式排气阀又可分为：双口排气阀、组合式排气阀、杠杆式排气阀、复合式排气阀以及动力复合式排气阀，这类排气阀结构简单而且造价较低，但是水气相间时大排气口仅能排出第一段气体，不能连续排气，小排气口径一般在3～5mm，仅能微量排气，最多仅能排出层状流和波状流的气体，对供水管道中其他4种流态下的气体则为力，故通水和运行时常需人工辅助排气［3］；气缸式排气阀造价较高，但是具有高速排气、快关缓闭、不卡球不跑水、排气彻底、寿命较长等性能，不论输配水管网中水气之间是何种流态，无论是否连续多段水气相间，均可高速排气。 4.2 合理选择排气阀的建议

在输配水管网中存在6种气水两相流态，每种流态均会对管网造成危害，而且6种流态之间的转化和存在时间是不可控的，所以排气阀应该具有如下三种排气功能： ①在管网充水时具有大量排气的功能，在管网不排气时能够保证阀门密封不漏水，一般排气阀均能满足。

②能够在有压条件下连续或者间断排气的功能，也就是能够满足水气相间排气，从而消除或者减小管网中的断流水锤，这一点技术要求高，也是衡量排气阀性能的重要指标。

③能够排出管道中的少量气体，如果在管网中相当多的少量气体无法排出时，就会形成管道中气水之间的震荡，对管道的水损和流速会产生不可预知的影响，危害也是极为可观的。

在城市输配水管网中，爆管和漏水问题主要是由于管道中不稳定的气、水两相流运动造成的。在较为平坦的城市输配水管网中气、水两相流存在6种流态，而段塞

流是最终转化形态，解决输配水管网爆管和漏水问题的根本措施是认识到气、水两相流在管网中的存在形态和转化规律，选择能够排出任何一种流态下的气体的排气阀。在实际工程中，需要结合水力过渡分析，在合适位置安装合理的排气阀或者排气阀组合，才能更好的保证管网安全供水。

〔1〕 E B 怀利， V L 斯特里特. 清华大学流体传动与控制教研室，译. 瞬变流［ M］ . 北京：水利电力出版社，1983.

〔2〕金锥，姜乃昌 ，汪兴华 ，等停泵水锤及其防护.第2版.北京：中国建筑工业出版社；2004.

〔3〕杨玉思，羡巨智，王栋.有压供水管道气水两相流流态及其排气方式［J］.中国给水排水，2005，12（21）：62～. 作者通联：158****5943