各种条件下的输水管道空气阀选型（上）

各种条件下的输水管道空气阀选型（上）
清水和废水输送管道的空气阀选择必须满足各种条件因素，这些因素包括性能，保护措施，价格费用，操作和维护便捷，以及业主的喜好。

虽然AWWA M51手册详细地提供了满足规范的空气阀选型指导，但这些要求有时会与水锤控制保护相冲突。

水锤控制保护要求考虑水柱分离，管道真空和气蚀效应，这些现象通常与水泵操作有关，管道走向起伏变化太大也会产生这些现象。

在强调投资控制时，为了避免冲突会提高系统压力，巧妙的空气阀选型在管道设计中扮演着重要角色。

本文将提供与实际项目设计目标相关的考虑因素，在满足M51和瞬时压力控制规范以达到性能结果的同时，还要考虑影响决策的许多其它驱动因素。

同时将审查一些工程案例，着重显示达到的不同效果，这些都是基于对管道项目竞争需求的考虑。

加压管道中的空气积聚可能会影响输送效率，并对管道造成严重损坏，从管道中排出空气可以消除这些风险。

虽然现在仍在使用手动阀以解决管道中的空气，但本文将讨论的空气阀仅限于'自动'空气阀。

市场上有许多不同类型和配置的自动空气阀，然而，它们都属于三个基本类别：排气阀（自动排出在高点收集的少量空气），出气/进气阀（在管道充水期间自动排出大量空气，并且允许管道放水时进气）和组合空气阀（是出气/进气阀和排气阀的功能组合）。

出气/进气阀的变体是真空破除阀（仅限进气），其仅在管道呈负压下打开。

这些阀允许空气填充真空，在预期水柱分离的区域中是有效的。

空气阀安装在管道空气聚集的地方，或形成真空气袋的位置，它提供一种可靠的手段来提高输送效率，同时也解决与空气相关的管道系统的水锤。

确定空气阀类型和位置是一个复杂的过程，目的是最终符合性能规范，提供水锤控制和满足客户需求。

1. 确定空气阀尺寸的规范
空气阀主要在管道中用于排出或吸入定量的空气。

在沿着管道的适当位置准确地对空气阀进行定位是至关重要的。

AWW M51手册（第二版）概述了以下情况下的确定空气阀尺的要求：
•夹带空气的排放
•管道充水和排放
•重力排放/爆管
除了AWWA M51手册包含的一般性能参数之外，空气阀厂家一般会提供专门的图表，其性能与定制的空气阀相匹配，可以用于空气阀的尺寸确定。

1.1 夹带空气的排放
管道内的空气来源有多种，在启动时，管道内的空气随着充水过程必须被排出；当管道真空发生时，空气也可以通过水泵、管件和空气阀进入管道。

排气阀通常排出与水流体积2%相当的空气，AWWA M51手册（第二版）还包含了废水排气阀尺寸的确定，其排气量为2%～5%的废水流量的空气。

管道流量乘以0.02，以估算水中的溶解空气（废水为0.02至0.05）。

该信息与阀上的工作压力相结合，用于使用表格或图表（M51手册或厂家表格）来确定孔口尺寸。

1.2 管道充水和排放
使用出气/进气阀是为了在管道充水或排放期间排出或吸进大量的空气。

AWWA M51手册建议充水速度不超过0.3 m/s，并根据典型的14 kPa压差确定空气阀的尺寸。

建议的出气流量公式是假设空气阀处
于15.6°C的环境温度及海平面高程。

计算出的空气容量所需的孔口尺寸可从图表（M51手册或厂家图表）中选择。

AWWA M51手册建议使用较低的34.5 kPa或更低负压确定管道排放时的真空能力，进行适当的管道安全校核。

安全系数的选择由管道设计师自行决定。

分别计算管道的排放和充水空气阀尺寸，选择两个阀口尺寸中较大的空气阀。

1.3 重力排放/爆管
当断电停泵或爆管时管道流速突然改变，可能会发生水柱分离和重力流。

取斜率最大的管段计算所需的进气量，以防止在这一段管道一侧的高点由于水柱分离（重力流）引起的过度真空。

对于计算的空气流入量，孔径尺寸是在允许的压差下从图表（M51手册或制造厂家表格）中确定的。

M51手册第二版增加了设计考虑的工况条件，包括管道部分破裂以及最坏情况下的管道全直径断裂。

在最终选择和安装空气阀之前，请先查看特定制造厂家的容量图表，以满足管道夹带空气释放，充水过程中管道排出空气，管道水排放期间的进气以及爆管和导致重力流时吸入空气。

所有这些功能可以集成在单体阀上，或者可以组合成多体阀。

1.4 空气阀定位指导
不同类型的空气阀在管道上策略性地定位，以便管道具有完整的功能和有效性。

M51手册描述了阀门的类型和定位，作为手册规范第3章的一部分，设计人员有些可酌情处理来遵循这些建议。

2. 水锤控制建议
2.1 水柱分离保护
应特别考虑选择空气阀以控制水柱分离和产生的压力瞬变。

可以使用计算机瞬态模型来识别水柱分离的潜在位置，可以测试和验证此处用于水锤控制的空气阀。

2.2 真空防护 - 空气垫
真空破除阀为较大的管道提供高容量空气流入，单向阀通常是关闭的，在水柱分离或压力瞬时下降引起的过度真空压力下才会打开，当内部压力下降到低于大气压的预设值时，允许大量的空气进入管道系统。

当分离的水柱重新弥合时，此前进入的空气提供了空气缓冲。

根据管道设计要求应考虑提供空气缓冲，各种空气阀可以提供这些缓冲水锤的空气垫，它们包括：
•防撞装置可控制进入阀门的流量以减少冲击
•控制排气量的节流装置
•缓慢关闭阀门，最大限度地减少冲击
•手动排气阀（用于在重新启动管道运行时以受控的方式排放空气）。