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[摘 要] 本文分析了气囊对供水管道造成的危害，针对排气阀在使用过程中存在的若干问题，从排气阀类型、安装位置、直径选择等方面论述了如何选用和使用排气阀从而切底消除气囊运动对供水管道的危害。
[关键词] 气囊 水锤 排气阀
城市供水管道能否平稳顺畅地排出管道中的气体，对管道系统的安全运行至关重要。因管道排气不畅而造成的气囊运动及随之而来的压力振荡效应，轻者占据管道通水断面造成通水困难、增大水头损失、增加电耗、加剧破坏作用；重者造成管道爆裂、供水中断。因此，如果能正确认识气囊在管道中运动的规律以及尽早预测其危害并合理采取措施，就可望使输水管道和城市管网爆管率下降，而采用排气阀是解决此类问题的有效手段之一。但在实际供水管线工程中，由于对气体在管道中的运动规律及排气阀的选用等认识不足，排气阀作为一个附属设施往往得不到应有的重视，设计人员多是在局部最高点设计了排气阀，以为足可满足要求，殊不知供水管道的排气是一个非常复杂的问题，布置是否得当、是否合理，对以后管路系统的运行状态和水泵的动力消耗有着重要影响。
1.管道中气体来源及存气条件
管道中存有气体的原因多种多样，如因突然停泵或快速关阀引起管道局部产生真空致使管道从排气阀吸气，给水管网中支管水位阀自动开停，水泵叶轮中负压区的气体释放（这点尤其不可忽视）等。吸入水泵的天然气体，其溶解空气的最大体积含气率约为2%（即水中含溶解性气体为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。
设计、施工良好的管道系统所产生的气体应随水流经管道末端排出或通过管道的排气装置排出管道，从而避免管道事故的发生。就排气而言，设计、施工质量均良好的管道主要体现在两个方面：
①管道排气顺畅、无存气条件；
②如果有存气条件则装有性能良好的排气装置。
常见的存气产生在管道中的凸起点、渐缩管、水平管段及较平坦的逆坡管段、减压孔板前、不全开的闸门等处。
2. 气囊运动原理及其危害
2.1气囊运动原理
在较长距离的输、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道上部。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。根据理论研究成果，较平坦的供水管道在充水过程中呈现六种气液两相流状态（见图1）。
根据气液两相流理论，管流分析可采用单维模型，其常用分析模型为均质流、分离流和漂移通量模型三种，其中均质流模型比较适用于段塞流、气团流状态，普通排气装置就很难排气了。①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、充水的速度和方法等。
过往国内外大量的工程实践表明，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，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。如著名的理论著作《瞬变流》一书中介绍了一个算例：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0.95s内打开，该管段开始时绝对压力为102kPa，在接近2.5s时压力猛增至绝对压力2331kPa，由此可见气囊运动所引起管道压力振荡的严重程度。
2.2危害
2.2.1动力消耗增加，浪费能源
水中释放的空气在管道顶部积聚形成气囊，逐渐增大的气囊压缩水流通道截面，使水流通道截面面积变小甚至被切断，水流受阻，系统循环能力下降，局部流速提高，水头损失增大。为了维持原来的水量或水压，必须加大水泵扬程或增开水泵，无形中增加了动力运行费用，造成了能源的额外浪费。
2.2.2管道系统不稳定，容易引起爆管
管道安装验收或维修完毕后，要进行空管充水。为了防止启泵水锤，空管充水速度不大（小于排气速度），所以管内水流并非柱状，而是像水库或河渠，水平平涨，且有浪涌，大量的气体被压缩在管顶，并被浪涌分割成较大的分散气囊，这些气囊因水流挟带而运动、聚集和分裂，引起水流速度的变化和管道中压力的急剧升降，造成水击和爆管。即使不致爆管，也会使管道压力不稳，故障增多，使用寿命降低。
2.2.3管道注气产生启泵水锤
在很多高扬程、大管径、多起伏的输水管道中，常用注气法消减停泵水锤，因为该法最简单经济，且行之有效。②然而，停泵过程中注入管道的气体，却为再次启动水泵带来麻烦。因为停泵后，大量气体注入，当再次启动水泵时，往往水流速度较高，如果管道中的排气装置不好，排气速度低于水泵的出水速度，管道中的气囊就会处于被压缩状态。根据水锤理论，流速变化达1m/s，直接水锤升压就可达近百米水柱。在较高压力下的气囊运动引起的局部水流速度变化一般很难预料和控制，往往达到每秒数米，而停泵水锤因水泵倒转和缓闭止回阀的控制，其升压值是可以限制的，因而排气不畅造成的启泵水锤危害大于停泵水锤。这种启泵水锤发生在水泵出水口时，就会击裂泵壳，淹没泵房。
2.2.4引起管道漏水、振动和失稳
由于气囊在管道中极易引起压力急剧升降，因而长期存在管道中的气体不及时排出就会造成管道的局部振动、失稳，在其压力不足以破坏管道时，较长时间的振动，可能造成承插管道接头松动，使管道漏水量增大；同时，由于气囊占据一定的过水断面，也使管道局部阻力系数大增，管道排水不畅，输水量下降，严重时甚至完全阻断水流。
3.排气阀使用过程中存在的问题
消除水流中气囊产生的水锤和爆管采用的有效措施之一是在管道中安装排气阀。但在使用排气阀的过程中存在不少问题。
3.1对排气阀认识不足
由于对管道系统中气囊缺乏了解，认识不到气囊对管道运行造成的危害，对排气阀的使用自然引不起足够的重视。根据了解，在一些地方，供水管道上从未安装过排气阀，有的即使安装了，数量也很少，总觉得这样一个管道附件没有阀门、水表那么重要和必要。有的管道时常爆管也不会联想到是气囊所致。对排气阀的类型、如何安装不甚了解。
3.2排气阀质量良莠不齐
目前市场上的排气阀质量差距很大，价格悬殊。绝大多数出厂合格的产品不同程度的存在技术缺陷，有的几乎完全没有排气功能或排气量不足，不符合管道排气量和连续性的要求。有的寿命短，使用几个月就无法排气。
3.3排气阀设计安装有问题
由于缺乏对管道内部气囊运动和排气阀的了解，工程技术人员实践经验不足，导致选择、设计排气阀时出现失误。目前选择排气阀存在的误区是：将排气阀当常规阀门对待，忽视排气阀的特殊性。一般的做法是只在几个高点设计安装几个排气阀，以为就能解决问题，对在什么样的位置安装什么样的排气阀，缺乏了解。
4.几种常见排气方式的优、缺点
4.1排气竖井
在管道某一合适部位装一竖直管道，其高度高于该点的最高水压，此即为排气竖井。其优点是兼有注、排气作用且注、排气非常通畅，但一般建造成本高、维护管理困难，故工程上甚少使用。
4.2手动排气阀
在管道中连接一段短管，管上装有手动闸阀，预计管道中有气体时开启，平时关闭。它的优点是简单、建造成本低，但它的作用非常有限，一般仅作为自动排气阀失效时的补充装置。给水管道随地形敷设，即使地形比较平坦，其管内存气也呈多个气囊形式存在，故手动排气阀在排完一个气囊关闭后，管道中仍可能存在大量气体，因而一般较大管道不宜采用。
[关键词] 气囊 水锤 排气阀
城市供水管道能否平稳顺畅地排出管道中的气体，对管道系统的安全运行至关重要。因管道排气不畅而造成的气囊运动及随之而来的压力振荡效应，轻者占据管道通水断面造成通水困难、增大水头损失、增加电耗、加剧破坏作用；重者造成管道爆裂、供水中断。因此，如果能正确认识气囊在管道中运动的规律以及尽早预测其危害并合理采取措施，就可望使输水管道和城市管网爆管率下降，而采用排气阀是解决此类问题的有效手段之一。但在实际供水管线工程中，由于对气体在管道中的运动规律及排气阀的选用等认识不足，排气阀作为一个附属设施往往得不到应有的重视，设计人员多是在局部最高点设计了排气阀，以为足可满足要求，殊不知供水管道的排气是一个非常复杂的问题，布置是否得当、是否合理，对以后管路系统的运行状态和水泵的动力消耗有着重要影响。
1.管道中气体来源及存气条件
管道中存有气体的原因多种多样，如因突然停泵或快速关阀引起管道局部产生真空致使管道从排气阀吸气，给水管网中支管水位阀自动开停，水泵叶轮中负压区的气体释放（这点尤其不可忽视）等。吸入水泵的天然气体，其溶解空气的最大体积含气率约为2%（即水中含溶解性气体为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。
设计、施工良好的管道系统所产生的气体应随水流经管道末端排出或通过管道的排气装置排出管道，从而避免管道事故的发生。就排气而言，设计、施工质量均良好的管道主要体现在两个方面：
①管道排气顺畅、无存气条件；
②如果有存气条件则装有性能良好的排气装置。
常见的存气产生在管道中的凸起点、渐缩管、水平管段及较平坦的逆坡管段、减压孔板前、不全开的闸门等处。
2. 气囊运动原理及其危害
2.1气囊运动原理
在较长距离的输、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道上部。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。根据理论研究成果，较平坦的供水管道在充水过程中呈现六种气液两相流状态（见图1）。
根据气液两相流理论，管流分析可采用单维模型，其常用分析模型为均质流、分离流和漂移通量模型三种，其中均质流模型比较适用于段塞流、气团流状态，普通排气装置就很难排气了。①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、充水的速度和方法等。
过往国内外大量的工程实践表明，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，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。如著名的理论著作《瞬变流》一书中介绍了一个算例：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0.95s内打开，该管段开始时绝对压力为102kPa，在接近2.5s时压力猛增至绝对压力2331kPa，由此可见气囊运动所引起管道压力振荡的严重程度。
2.2危害
2.2.1动力消耗增加，浪费能源
水中释放的空气在管道顶部积聚形成气囊，逐渐增大的气囊压缩水流通道截面，使水流通道截面面积变小甚至被切断，水流受阻，系统循环能力下降，局部流速提高，水头损失增大。为了维持原来的水量或水压，必须加大水泵扬程或增开水泵，无形中增加了动力运行费用，造成了能源的额外浪费。
2.2.2管道系统不稳定，容易引起爆管
管道安装验收或维修完毕后，要进行空管充水。为了防止启泵水锤，空管充水速度不大（小于排气速度），所以管内水流并非柱状，而是像水库或河渠，水平平涨，且有浪涌，大量的气体被压缩在管顶，并被浪涌分割成较大的分散气囊，这些气囊因水流挟带而运动、聚集和分裂，引起水流速度的变化和管道中压力的急剧升降，造成水击和爆管。即使不致爆管，也会使管道压力不稳，故障增多，使用寿命降低。
2.2.3管道注气产生启泵水锤
在很多高扬程、大管径、多起伏的输水管道中，常用注气法消减停泵水锤，因为该法最简单经济，且行之有效。②然而，停泵过程中注入管道的气体，却为再次启动水泵带来麻烦。因为停泵后，大量气体注入，当再次启动水泵时，往往水流速度较高，如果管道中的排气装置不好，排气速度低于水泵的出水速度，管道中的气囊就会处于被压缩状态。根据水锤理论，流速变化达1m/s，直接水锤升压就可达近百米水柱。在较高压力下的气囊运动引起的局部水流速度变化一般很难预料和控制，往往达到每秒数米，而停泵水锤因水泵倒转和缓闭止回阀的控制，其升压值是可以限制的，因而排气不畅造成的启泵水锤危害大于停泵水锤。这种启泵水锤发生在水泵出水口时，就会击裂泵壳，淹没泵房。
2.2.4引起管道漏水、振动和失稳
由于气囊在管道中极易引起压力急剧升降，因而长期存在管道中的气体不及时排出就会造成管道的局部振动、失稳，在其压力不足以破坏管道时，较长时间的振动，可能造成承插管道接头松动，使管道漏水量增大；同时，由于气囊占据一定的过水断面，也使管道局部阻力系数大增，管道排水不畅，输水量下降，严重时甚至完全阻断水流。
3.排气阀使用过程中存在的问题
消除水流中气囊产生的水锤和爆管采用的有效措施之一是在管道中安装排气阀。但在使用排气阀的过程中存在不少问题。
3.1对排气阀认识不足
由于对管道系统中气囊缺乏了解，认识不到气囊对管道运行造成的危害，对排气阀的使用自然引不起足够的重视。根据了解，在一些地方，供水管道上从未安装过排气阀，有的即使安装了，数量也很少，总觉得这样一个管道附件没有阀门、水表那么重要和必要。有的管道时常爆管也不会联想到是气囊所致。对排气阀的类型、如何安装不甚了解。
3.2排气阀质量良莠不齐
目前市场上的排气阀质量差距很大，价格悬殊。绝大多数出厂合格的产品不同程度的存在技术缺陷，有的几乎完全没有排气功能或排气量不足，不符合管道排气量和连续性的要求。有的寿命短，使用几个月就无法排气。
3.3排气阀设计安装有问题
由于缺乏对管道内部气囊运动和排气阀的了解，工程技术人员实践经验不足，导致选择、设计排气阀时出现失误。目前选择排气阀存在的误区是：将排气阀当常规阀门对待，忽视排气阀的特殊性。一般的做法是只在几个高点设计安装几个排气阀，以为就能解决问题，对在什么样的位置安装什么样的排气阀，缺乏了解。
4.几种常见排气方式的优、缺点
4.1排气竖井
在管道某一合适部位装一竖直管道，其高度高于该点的最高水压，此即为排气竖井。其优点是兼有注、排气作用且注、排气非常通畅，但一般建造成本高、维护管理困难，故工程上甚少使用。
4.2手动排气阀
在管道中连接一段短管，管上装有手动闸阀，预计管道中有气体时开启，平时关闭。它的优点是简单、建造成本低，但它的作用非常有限，一般仅作为自动排气阀失效时的补充装置。给水管道随地形敷设，即使地形比较平坦，其管内存气也呈多个气囊形式存在，故手动排气阀在排完一个气囊关闭后，管道中仍可能存在大量气体，因而一般较大管道不宜采用。