孫俊峰，康 雅，高金良

(1.鄭州自來(lái)水投資控股有限公司，鄭州450007;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

城市供水管網(wǎng)中安裝有各類(lèi)大量閥門(mén)，排氣閥是其中重要的一類(lèi)閥門(mén)［1］.在目前供水管網(wǎng)運(yùn)行中排氣閥的選擇、運(yùn)行狀況、排氣效果以及排氣閥好壞的判定一直是困擾供述企業(yè)的難題之一.本項(xiàng)目對(duì)鄭州市供水管網(wǎng)運(yùn)行中的排氣閥進(jìn)行了分類(lèi)，確定出了7種類(lèi)型排氣閥，并選取了閥體進(jìn)行進(jìn)排氣檢測(cè)，對(duì)比優(yōu)選各種排氣閥的進(jìn)排氣性能，在此基礎(chǔ)上對(duì)管網(wǎng)中使用的閥體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，考察排氣閥運(yùn)行效果，統(tǒng)計(jì)分析了鄭州市排氣閥現(xiàn)狀，調(diào)查了排氣閥的分布和運(yùn)行管理情況，為鄭州市今后排氣閥的選型提供了依據(jù)，對(duì)排氣閥的設(shè)置和運(yùn)行管理提出了建議.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 排氣閥檢測(cè)車(chē)

為檢測(cè)排氣閥性能，試驗(yàn)過(guò)程中自行加工設(shè)計(jì)一套排氣閥檢測(cè)裝置，見(jiàn)圖1.

檢測(cè)車(chē)由空壓機(jī)、氣/水罐、壓力表、液位計(jì)、連接法蘭和各種管件組成.其上共安裝有 DN50、DN80、DN100、DN150四種國(guó)標(biāo)法蘭盤(pán)，液位計(jì)可顯示氣/水罐中氣水比例，通過(guò)空壓機(jī)加壓，調(diào)節(jié)氣/水罐中壓力，通過(guò)啟閉氣路或水路電磁閥進(jìn)行排氣閥的排氣和水封檢測(cè).

圖1 排氣閥檢測(cè)車(chē)系統(tǒng)圖

1.1.2 風(fēng)速儀

為確定排氣閥排氣量，試驗(yàn)過(guò)程中在排氣閥出氣口安裝風(fēng)速儀.風(fēng)速儀測(cè)量范圍為0.0～45.0 m/s，準(zhǔn)確率為±3%.(見(jiàn)圖2)

圖2 風(fēng)速儀照片

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 瞬時(shí)加壓排氣閥排氣試驗(yàn)

將排氣閥安裝于檢測(cè)車(chē)上，模擬管網(wǎng)在檢修或新鋪設(shè)通水時(shí)排氣閥的排氣狀態(tài).在排氣閥上安裝風(fēng)速儀，放空儲(chǔ)氣罐中水，打開(kāi)空壓機(jī)，使壓力達(dá)到0.05 MPa，后瞬時(shí)開(kāi)啟氣路電磁閥，通過(guò)風(fēng)速儀記錄數(shù)據(jù).按照此步驟，分別檢測(cè) 0.07、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 MPa 壓力下的排氣閥排氣量，考察排氣閥排氣性能.

1.2.2 穩(wěn)壓排氣閥水封排氣試驗(yàn)

模擬排氣閥在管網(wǎng)正常運(yùn)行下，氣體進(jìn)入排氣閥時(shí)閥體排氣性能.由于排氣閥在管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，所承受壓力浮動(dòng)范圍較小，故在檢測(cè)過(guò)程中先提高氣/水罐內(nèi)壓力，使排氣閥內(nèi)浮球上浮，保持排氣閥不排氣不溢水，后調(diào)節(jié)氣/水罐壓力，直至排氣閥開(kāi)始排氣或溢水，確定排氣閥的空氣浮球回落壓力和水封壓力［2］.

1.2.3 常壓排氣閥進(jìn)氣試驗(yàn)

排氣閥在管網(wǎng)中運(yùn)行過(guò)程中，特別是管網(wǎng)事故檢修前，管道外排出自來(lái)水階段，需要大量進(jìn)氣.將排氣閥安裝在檢測(cè)車(chē)上，在氣/水罐中注滿(mǎn)水，打開(kāi)氣路電磁閥和水罐泄水閥，與大氣壓連通，通過(guò)計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)泄水閥的出水量確定排氣閥常壓下的進(jìn)氣量.

2 結(jié)果與討論

2.1 瞬時(shí)加壓排氣閥排氣試驗(yàn)

在排氣閥運(yùn)行過(guò)程中，管網(wǎng)事故停水搶修完成后或新鋪設(shè)管道通水時(shí)的排氣作用是排氣閥運(yùn)行最重要的功能.為模擬排氣閥此工況運(yùn)行模式，排氣閥檢測(cè)時(shí)設(shè)計(jì)了瞬時(shí)加壓排氣閥排氣試驗(yàn)，即以檢測(cè)車(chē)氣/水罐放空水罐體體積為標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)行加壓檢測(cè)，根據(jù)鄭州市供水管網(wǎng)實(shí)際壓力，檢測(cè)壓力分別選取0.05、0.07、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 MPa，當(dāng)罐體氣壓達(dá)到檢測(cè)壓力后，快速開(kāi)啟待檢排氣閥的進(jìn)氣閥門(mén)，使排氣閥瞬時(shí)增壓，通過(guò)風(fēng)速儀檢測(cè)出氣量，確定排氣閥排氣效果.

圖3為隴海路與勤勞街北DN50 QB1型單口排氣閥檢測(cè)圖.從圖3中可見(jiàn)，隨著氣壓的不斷升高，QB1型排氣閥的排氣量不斷增大，特別是在開(kāi)啟排氣閥連通閥門(mén)的瞬間，在排氣閥運(yùn)行2 s之內(nèi)，排氣量迅速上升至最大值，然后逐漸降低.假設(shè)此時(shí)間段內(nèi)最大排氣量為檢測(cè)壓力的排氣量，將此類(lèi)點(diǎn)挑出后作圖.(見(jiàn)圖4).

圖3 隴海路與勤勞街北DN50 QB1型單口排氣閥排氣量檢測(cè)圖

圖4 隴海路與勤勞街北DN50 QB1型單口排氣閥最大排氣量圖

從圖4可見(jiàn)，隨著壓力增大排氣量逐漸上升，在壓力小于0.35 MPa時(shí)，具有良好的線性相關(guān)性，此后排氣量少有波動(dòng)，其原因?yàn)榕艢饬恳呀?jīng)達(dá)到此類(lèi)排氣閥的排氣量限值.

2.2 穩(wěn)壓排氣閥水封排氣試驗(yàn)

目前管網(wǎng)中運(yùn)行的排氣閥種類(lèi)全部為基于浮球原理的排氣閥，因此在排氣的運(yùn)行過(guò)程中，必然存在以下兩類(lèi)特殊情況［3］:

1)在排氣閥中充滿(mǎn)自來(lái)水，當(dāng)浮球重力大于水體對(duì)浮球的浮力時(shí)，排氣閥則無(wú)法起到水封作用，因此需要確定各種排氣閥的最小水封壓力.

2)在排氣閥中充滿(mǎn)氣體，當(dāng)氣體對(duì)浮球向上壓力大于浮球自身重力時(shí)，排氣閥則無(wú)法排氣，因此需要確定各種排氣閥的最小排氣壓力，即空氣起球壓力.

這兩種情況下排氣閥的運(yùn)行參數(shù)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行具有重要意義，一方面確保排氣閥在管網(wǎng)運(yùn)行中保持封閉，不會(huì)溢水;另一方面在管網(wǎng)中有氣體存在時(shí)可以及時(shí)排出，確保管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定.在檢測(cè)過(guò)程中，模擬排氣閥管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，分別使排氣閥先后充水充氣，然后逐漸降低壓力，直至排氣閥出現(xiàn)溢水或排氣現(xiàn)象為止，確定兩種臨界狀態(tài)下的壓力.

2.2.1 水封試驗(yàn)

根據(jù)《給水管道復(fù)合高速進(jìn)排氣閥》(CJ/T217－2005)對(duì)低壓水密封進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，即低壓水密封為0.02 MPa，持壓1 min，應(yīng)無(wú)可見(jiàn)性泄漏.

此次檢測(cè)過(guò)程中，氣壓罐上的壓力表最小讀數(shù)為0.02 MPa，所檢測(cè)的大部分排氣閥為非復(fù)合進(jìn)排氣閥.部分排氣閥檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 排氣閥水封情況表

所檢排氣閥共36臺(tái).如以0.02 MPa泄漏為標(biāo)準(zhǔn)衡量，不合格產(chǎn)品共占36.1%.由于大部分不是復(fù)合進(jìn)排氣閥，根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際壓力，以≤0.05 MPa為衡量標(biāo)準(zhǔn)，則占19.4%，所占比例仍較大.在管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，管道壓力遠(yuǎn)超于0.05 MPa，故排氣閥溢水問(wèn)題不普遍.

2.2.2 排氣試驗(yàn)

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，對(duì)排氣閥進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及排氣閥中浮球的種類(lèi)，將目前管網(wǎng)中排氣閥分成三類(lèi)［4］:

1)輕質(zhì)浮球型

輕質(zhì)浮球型為浮球的質(zhì)量較輕，易被氣壓提起，空氣起球壓力小，阻礙排氣閥正常運(yùn)行的排氣閥.主要包括:QB－1單口排氣閥、QB－2雙口排氣閥、P41X單口快速排氣閥和單向排氣閥這四種排氣閥.對(duì)排氣閥檢測(cè)最小排氣壓力見(jiàn)表2.

表2 輕質(zhì)浮球型排氣閥穩(wěn)壓下排氣情況

從表2可見(jiàn)，此類(lèi)排氣閥的空氣起球壓力較低，相比較管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行壓力而言，此類(lèi)排氣閥在管網(wǎng)正常運(yùn)行過(guò)程中，如有氣體存在不會(huì)外排，對(duì)管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行造成一定風(fēng)險(xiǎn).如需提高空氣起球壓力，提高浮球質(zhì)量和減小排氣口面積是有效辦法.

2)杠桿型

杠桿型是指內(nèi)部通過(guò)杠桿原理調(diào)節(jié)排氣的排氣閥.鄭州市目前所安裝的杠桿式的排氣閥主要為DN25的FQ－2型自動(dòng)排氣閥.對(duì)此類(lèi)排氣閥檢測(cè)后，在0.50 MPa時(shí)此類(lèi)排氣閥仍能進(jìn)行排氣，但排氣速度緩慢，排氣量極小.由于排氣閥的浮球所受氣壓均勻，且浮球位于閥體一側(cè)，不易被氣流沖擊，在大壓差下仍能進(jìn)行排氣，但排氣量較小.不適合應(yīng)用于大型管網(wǎng)中，特別是新鋪設(shè)或事故搶修后的迅速排氣，僅可用于管網(wǎng)中的微量排氣.

3)復(fù)合型

復(fù)合型是指復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥.由于此類(lèi)排氣閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了大壓差情況下輕質(zhì)浮球型不排氣的情況，有些加入了杠桿型的排氣閥特點(diǎn)，形成較好的適應(yīng)性.目前鄭州市管網(wǎng)使用的此類(lèi)排氣閥包括:FGP4X(CARX)型單口復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥(山東、上海、鄭蝶)，F(xiàn)GP4X(CARX)型雙口復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥(上海).對(duì)此類(lèi)排氣閥檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 復(fù)合型排氣閥穩(wěn)壓下排氣情況

從表3中可見(jiàn)，理論空氣起球壓力高于管網(wǎng)正常壓力，可以對(duì)管網(wǎng)微量排氣，又可以適應(yīng)管網(wǎng)搶修或新鋪設(shè)的大量排氣.建議今后在排氣閥的采購(gòu)和更換過(guò)程中，加大對(duì)此類(lèi)排氣閥的使用.

2.3 常壓排氣閥進(jìn)氣試驗(yàn)

向管網(wǎng)中注氣是排氣的重要作用之一，可以加快事故發(fā)生時(shí)管網(wǎng)中水流的外排，管網(wǎng)出現(xiàn)水錘時(shí)調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力與平衡.檢測(cè)排氣閥的進(jìn)氣量結(jié)果見(jiàn)圖5.

從圖5可見(jiàn)，不同種類(lèi)排氣閥進(jìn)氣量有明顯不同，進(jìn)氣量最小的排氣閥為FQ－2型自動(dòng)排氣閥，其次為QB－1單口排氣閥和QB－2型雙口排氣閥，復(fù)合型排氣閥和P41X型單口快速排氣閥的進(jìn)氣量明顯好于前三種.原因是此種排氣閥閥內(nèi)都有套筒裝置，氣體在進(jìn)入排氣閥較為通暢，浮球不會(huì)阻礙氣流的進(jìn)入.此外，單向排氣閥由于其上的密封蓋導(dǎo)致此類(lèi)排氣閥完全起不到進(jìn)氣的作用.

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)排氣閥的檢測(cè)和普查，對(duì)鄭州市供水管網(wǎng)中運(yùn)行的排氣閥進(jìn)行了7大類(lèi)劃分，對(duì)比了7類(lèi)排氣閥的結(jié)構(gòu)，分析了排氣方式及工作原理.

通過(guò)瞬時(shí)加壓試驗(yàn)，模擬排氣閥在管網(wǎng)通水時(shí)排氣狀態(tài)，對(duì)比了各種排氣閥的排氣性能，根據(jù)檢測(cè)回歸曲線斜率，各種排氣閥的排氣性能由小到大分別是:FQ－2型、QB－1型、復(fù)合型(鄭蝶)、復(fù)合型(山東)、P41X型.其中FQ－2型適用于小型管道的微量排氣，建議對(duì)于大型管道上的此類(lèi)排氣閥進(jìn)行更換.

在穩(wěn)壓水封試驗(yàn)中，如以0.05 MPa為排氣閥水封最高壓力，輕質(zhì)浮球型排氣閥溢水現(xiàn)象出現(xiàn)概率較高，但是由于管網(wǎng)運(yùn)行壓力普遍較高，閥體溢水現(xiàn)象不普遍.

通過(guò)穩(wěn)壓排氣試驗(yàn)?zāi)M排氣閥在正常運(yùn)行時(shí)閥體排氣狀態(tài)，確定輕質(zhì)浮球型排氣閥不易排出氣體，而復(fù)合型和杠桿型排氣閥則有較好的排氣效果.

通過(guò)常壓進(jìn)氣試驗(yàn)?zāi)M排氣閥在管網(wǎng)檢修時(shí)的進(jìn)氣狀態(tài)，F(xiàn)Q－2型排氣閥和QB－1型排氣閥進(jìn)氣量最小.

［1］JB/T8531－1997，閥門(mén)手動(dòng)裝置技術(shù)條件［S］.

［2］JB/T8528－1997，普通型閥門(mén)電動(dòng)裝置技術(shù)條件［S］.

［3］楊源泉.閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［4］劉 洋.排氣閥在供水管網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.閥門(mén)，2012，5:26－29.