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空气阀（排气阀）基础知识空气阀（排气阀）基础知识 Basics of Air Valve 目录目录 1. 空气阀简述.2 1.1 空气阀分类2 1.2 空气阀功能简介.2 1.3 关于排气阀测试装置15 1.4 排气阀的几个关键技术参数介绍.15 2. 完美的空气阀设计选型方法.19 2.1 安装设计示意图-摘自南非 CATT 论文截图 19 2.2 技术解读 Technical Understanding.19 3. 管线空气阀设计选型方法 （暂略）.20 3.1 微量排气孔口选型计算方法.20 3.2 高速排气孔口选型计算方法.20 3.3 高速吸气孔口选型计算方法.20 3.4 特殊工况特殊孔口选型计算方法.20 3.5 负压水锤防护技术措施.20 3.6 正压水锤防护技术措施.20 4. 工程实例.21 5. 几种空气阀的防水锤效果比较.24 5.1 应用软件：.24 5.2 三阶段空气阀与注气微排阀防止弥合水锤的效果比较.24 5.3 关于段塞流及有压下大孔口高速排气与微量排气的效果比较.27 5.4 不吹堵的高速进排气阀对有压大气囊的大孔口高速排气效果.30 5.5 实验证明.32 6. 简要的结论.35 1. 空气阀简述空气阀简述 “空气阀”又称为“排气阀”，实际上它有排气和吸气双向功能，所以它应该被称为“空气阀” 或“通气阀”。 但是习惯上又叫“排气阀”， 英文名称： Air Valve, Air Release Valve, Air Vent, Purger 等。 1.1 空气阀分类空气阀分类 空气阀通常分为“高速排气阀”、 “高速吸气阀”和“微量排气阀”三种孔口功能以及它们之间的 不同组合如：“双向进排气阀”、“单独微量排气阀”、“单向吸气阀”-又称为“真空破坏阀”或“补气 阀”、“注气微排阀”-即高吸微排阀和复合式排气阀等。 按照用途，又分为：清水用和污水用空气阀。 按照孔口数量，又分为：单口排气阀、双口排气阀、三口排气阀(3-Orifice Anti-Surge Air Valve)和组合式正负压水锤控制阀(Combination Control Valve for Down-Surge and Up-Surge) 等。 按照工作原理，又分为：二阶段空气阀（即高比例注气微排阀 Two-StageAir Valve）和三 阶段空气阀(Three-Stage Air Valve)等。 按照内部结构，又分为：传统式排气阀、动力式高速排气阀、防水锤排气阀等。 按照微量排气原理，又分为：浮球直动式微量排气阀、单杠杆式微量排气阀、双杠杆式微 量排气阀和卷帘式微量排气阀等。 按照安装方式，又分为：室内安装式、地上安装式、井内安装式、埋地安装式等。 1.2 空气阀功能简介空气阀功能简介 1.2.1 高速排气阀高速排气阀 Air Valve，Air/Vacuum Valve (US), Air Release Valve (欧洲), 或高速排气孔口：大孔口， 通常 25200mm，一般在 15mm 以上，又很少达到 200mm 以上，该孔口尺寸并不是越大越 好，相应的，高速排气量也不是越大越好；它在低压（或微正压）下工作，其正常工作压力在 +10Pa+89kPa（声速临界压力）之间，一般不高于+35kPa（=5psi） 。按照美国水协 AWWA C512清水用排气阀产品标准的定义：Air/Vacuum Valve：一种直接动作式、浮球操作型水 力机械装置，在空管充水时自动大量排气或管线系统放空时自动大量吸气；在系统充满和有压 状态下， 这种高速进排气阀将保持关闭而且不会再开启； 但是在出现负压时会开启泄放真空 （即 吸气破坏真空） 。其功能是在微正压下高速大量排气。要求阀瓣在高速排气过程中不怕吹堵， 但是通常怕吹堵，特别是在+10kPa（1mH2O）以上压力的气流中阀瓣（通常是浮球或浮筒） 很容易被高速气流挟持吹出堵塞孔口。 一旦关闭， 就会长时间处于常闭状态， 其后不会再打开， 哪怕充满气体也不会再次开启排气-只要处于正压状态下。 （如果此时高速排气阀开启排气，则 会产生排气阀关阀水锤-Air Valve Slam，所以，不允许开启） 。如图 1-1 所示。 C152 在前言第二点 Special Issues 特别强调： Venting 即排气问题： 当选择空气阀型式时， 要注意这种高速进排气阀一旦关闭，就不会在管线充满和有压状态下再开启高速排气；要想在 有压下排气，就需要微量排气阀和复合式排气阀。只有在出现负压时它才会开启。高速排气孔 口的使用频率非常稀少，只有在空管充水时使用，其余绝大部分时间处于常闭状态（但是空管 或无压时则应该处于开启状态-其浮球应该下落，但是不一定都会下落） 。其关键技术指标有： 孔口尺寸、与压差相关的排气量、孔口系数、空气吹堵压力、水流最低密封压力、浮球耐压、 浮球比重、浮球密封面圆球度、孔口尺寸与浮球直径之比、阀座密封材料、密封口型式和角度、 孔口朝向及其防护等级（防止灰尘堆积和阻塞）等。其孔径尺寸由空管充水流量（流速）和孔 口压差经计算决定。注意：声称的阀门接口尺寸 DN 不一定等同于孔口尺寸，除非符合 AWWA C512 标准要求。国产排气阀通常缩径 3%30%，即面积缩小 6%51%，很少有等通径的。 1.2.2 高速吸气阀高速吸气阀 Air/Vacuum Valve, Vacuum Breaker (US)，Air Intake Valve, Air Admittance Valve (欧洲)， 或高速吸气孔口：大孔口，通常 50600mm，该孔口尺寸可以说越大越好；在低压（微负压） 下工作（吸气） ，其正常工作压力在-10Pa-35kPa 之间，较少高于-1kPa，也很少低于-35kPa。 其功能是在微负压下高速吸气补气，破坏真空；平时在有压下长期处于常闭状态。其关键技术 指标有：孔口尺寸、与负压相关的吸气量、孔口吸气系数、负压开启值、负压灵敏度（负压开 启延后时间-启动延后和全开启所需时间） 、流道面积、孔口朝向及其防护等级（防止灰尘堆积 和阻塞）等。通常跟高速排气孔口为同一个物理孔口，即市场上常见的高速进排气阀。共用孔 口带来孔口选型时顾此失彼的天然缺陷。高速进排气阀仅能破坏真空，但是不能抑制空腔弥合 水锤；而单向吸气阀既能破坏真空，又能抑制弥合水锤，其缺点是吸气后无排气措施。注意： 声称的阀门接口尺寸 DN 不一定等同于孔口尺寸， 而 AWWAC512 标准要求进排气孔径及其任 何内部流道截面积都不小于公称通径截面积。其孔口尺寸选型由允许负压值和所需吸气量决 定。 国产吸气孔口通常缩径3%30%， 即面积缩小6%51%， 吸气量也相应地缩小6%51%。 高速吸气阀使用频率稀少，但是一旦出现负压，就必须快速打开，它成为管线系统的很重要的 安全保障设备之一。所以欧洲空气阀产品标准 EN 1074-4 有一个负压开启可靠性测试要求 -Long Term Unseating Test-长时间受压后浮球离座试验。 高速大孔口的阀瓣很可能在长期受压 后（因阀瓣揳进阀座或橡胶粘黏而）不能轻易离座，即负压保护功能完全丧失，笔者曾有躬亲 体验。所以，负压开启值和负压灵敏度是高速吸气孔口的非常重要的技术指标，其重要性高于 孔口尺寸和吸气量。如图 1-1 所示。 1.2.3 微量排气阀微量排气阀 Air Release Valve(美国), Air Vent (欧洲)， Purger， 或微量排气孔口： 微小孔口， 通常 1.0 25mm，一般在 1.610mm 之间；在正压下间歇性地或连续地排气，通常最大排气压力达到 声称的工作压力值或额定压力值；这个压力大部分超过 89kPag（相对压力） ，孔口气体流速达 到极限值-声速；因为孔口尺寸较小，其排气量被称为微量或小量。按照 AWWAC512 的定义： 它是，在管线系统充满和处于运行压力状态下，能够自动排除聚集在管线局部高点的小型气囊 的一种水力机械装置。其关键技术指标有：孔口尺寸、最高排气压力、孔口排气系数、跟压力 相关的排气量、浮球耐压、浮球比重、接口尺寸和额定压力等级等。注意：对微量排气阀来说， 孔口越大，排气量越大，对管路系统排气越有利，但是其能够开启的最大工作压力值越低； 工 作压力越高，其孔口越小，排气量越小，否则，较大尺寸的孔口可能在较高压力下不能打开； 声称的额定工作压力不一定就是孔口能够开启的最大工作压力；声称的接口尺寸 DN 通常也不 等同于孔口尺寸。美国流行杠杆式，并且分为单杠杆和双杠杆，最大杠杆比例达到 4*6=24 倍 左右，可以做到较大的孔口（通常 15mm 以下）或者较高的工作压力（通常 2.5MPa 以下） ； 欧洲、以色列和南非则比较倾向于浮球直接动作式，不利用杠杆放大，通常孔口较小，或者工 作压力较低。关于微量排气孔口的尺寸，AWWAM51 列出了 1/16”1”之间的 10 个规格，并给 出了比较具体实用的选型方法；中国的排气阀产品标准 CJ/T 217 仅指明应大于等于 1.6mm1/16”，太小、太单一，不适用于 DN500 以上的中大型输水管线。如图 1-2 所示。 图 1-1 动力式高速进排气阀图1-2 双杠杆浮球控制型微量排气阀图 1-3 复合式排气阀 1.2.4 复合式排气阀复合式排气阀 Combination Air Valve，Triple Function Air Valve，又称为双口排气阀，是上述高速进排 气阀和微量排气阀的机械组合，有单体式（较小尺寸）和分体式（较大尺寸，DN100150 以 上） ，通常有二个孔口，也有套接在一起的构成单口三功能空气阀，具有三个功能：微正压下 高速排气、微负压下高速吸气、有压下微量排气。如图 1-3 所示。 1.2.5 注气微排阀注气微排阀 2-Stage Air Valve, Combination Vacuum Relief and Air Release Valve, 又称为“高吸微排 阀”，或者“真空破坏与微量排气复合阀”，“高进小排阀”：属于一种进排气能力（流量）双向严 重不平衡的通气阀， 进排气孔口直径比例达到 1.4:1200:1 （即孔口面积或流量之比达到 2:1 40,000:1） ，具有高比例的进排气差异性能够抑制空腔弥合水锤。其功能是：微负压下高速吸 气，破坏真空；恢复正压时不能高速排气、但能微量缓慢排气，能够在瞬态过程中瞬时截留气 囊使之暂留在吸气阀节点附近，作为弹性气囊，就近地、瞬时地吸纳瞬态的水柱弥合所产生的 撞击能量。其关键技术指标有：吸气口径、微量排气口径、进排气孔口直径比例、负压开启值、 负压灵敏度（负压开启延后时间和全开启延后时间） 、孔口吸气系数、进排气流量数据或者曲 线、接口尺寸和公称压力等。如图 1-4 所示，微量排气孔口的进气口通道起点位于中心筒管底 部，在该水平线位置形成一条水气分界线，在吸气阀内部空间形成一个小型气囊。该气囊随管 线运行过程越积越多而不会丧失，并且永远与管线内部压力保持一致，具有就近瞬时吸纳局部 水锤和缓解抵抗低温结冰冻裂阀体的能力，是一个天然的内置气囊。高速吸气后形成的临时气 囊通常聚集在空气阀安装井颈部（颈部尺寸越大，气囊占用主管的空间越小，故要求安装颈适 当加大） ，它会在瞬态平息后的几十秒至几十分钟时间内被微量排气阀缓慢排除。通常，在发 生瞬态过程之后，系统一般会停下来，而不会立即重新启动，有足够的时间让微量排气阀排除 临时留存气囊；即使系统没有停顿，微量排气阀也照样排气， （主要位于颈部而偏离主管道的） 临时留存气囊不会对系统构成长时间气阻， （至于由此引发的可能的“气爆”，另见“水中存气对 水锤的影响”一节或 1.2.7 条） 。当然，临时存气对输水效率来说是不利因素，所以应予排除， 而且能够排除-需要合适的孔口尺寸和安装密度的高质量的微量排气阀以及一个适当尺寸的空 气阀安装颈部-便于临时存气、不占用主管道且不易被水流带走。 高速吸气阀 D9010 微量排气阀 D9110 D9310型 注气微排阀 图 1-4D9310 型 具有高吸微排功能能有效抑制空腔弥合水锤的 “注气微排阀”注意： 集气井颈部支立管 长度不宜过长，尤其不能缩小尺寸。与吸气孔口等同尺寸的支立管会限制吸气量，阀门井通气管尺寸宜大于 吸气孔口尺寸 13 级，起码放大一级。并且注意其可能的巨大吸力对周围人身安全的影响。 1.2.6 （带缓冲碟片式带缓冲碟片式）三阶段空气阀三阶段空气阀 3-Stage Air Valve，大约 20 多年前由南非发明，10 多年前以色列跟进，最近国内有个别 仿造。其著名的 CATT-Controlled Air Transfer Technology-“受控的换气通气技术”曾被认为是 空气阀技术的重大进步。发明者-南非科研人员在其长达 50 页的关于 CATT 的技术论文里面， 以国际视野，高屋建瓴地对全世界的各种排气阀评头论足，几乎全盘否定，言语犀利，针砭行 业时弊；调查有据，多有惊人之语（当然也难免有夸大其词、贬低对手之嫌） 。它是一种单孔 口（南非）或双孔口（以色列）复合式排气阀，吸气大孔口和排气大孔口也是同一个物理孔口， 其孔口尺寸等同于或接近公称通径，大孔口下方第一块浮体是一块动态开孔阀瓣（中心开孔或 圆平面环形均布多个开孔，即所谓的“缓冲碟盘”） ，其等效孔径大约为大孔口尺寸的 1/41/6， 或称为中孔口，但是仍远大于微量排气孔口。在空管充水或水柱弥合高速排气过程中孔口压差 逐步增大至达到一个所谓的开关值（Switch Value 2kPa7kPa）时，动态阀瓣（即缓冲盘 片）起跳，堵塞大孔口使之变为中孔口，排气流量由高转为中，大幅降低，孔口压差继续增大， 从而降低空管充水流量（即充水速度） ；或降低相向水柱的弥合速度，以期瞬时截留部分气囊 作为临时弹性体，就近瞬时吸纳弥合水锤，达到安全中速充水或抑制弥合水锤的目的。听起来 似乎完美无缺，但是存在一个固有的自相矛盾：所谓的中孔口尺寸大了不行、小了也不行； 缓 冲盘片起跳压力低了不行、 高了也不行。因为： 在空管充水时要求中孔口尺寸较大-比 1/41/6 略大，起跳孔口压差较高（约 20kPa 以上，不要被过早吹堵） ；而水柱弥合时要求中孔口尺寸 较小-约 1/10 以下，起跳孔口压差较低（500Pa 以下-尽量多截留气囊） ，二者之间没有折中值。 详见论文：三阶段空气阀的缺点-The Disadvantages of 3-Stage Air Valve-它是由厂家自己的 技术人员撰写的，也算是有自知之明。 （厂家是在找到另一个更先进的替代产品之后，才公开 了自己原产品的缺点） 。他跟本文作者几乎在同一时间（约 2010 年）得出基本相同的结论： 三 阶段空气阀有深层次的不易被发觉的较大缺陷，要么空管充水很慢、要么弥合水锤较高，二者 无法兼顾。它其实是一个堪称画蛇添足的产品：排气阀本来怕吹堵，好不容易实现了（动力式） 不怕吹堵，又故意回到原点-让其吹堵；但是吹堵之后并没有解决相关问题。著名的 KYPIPE SURGE 水锤分析软件新版核心软件主要程序员-美国肯塔基大学的Srini教授也曾当面首肯并 于近期再次确认了本文作者的上述观点。可谓“英雄所见略同”。请参见第 5.2 条。 图 1-5 三阶段空气阀三个排气过程和吸气过程示意图 图 1-6 进排气过程参考示意图 1.2.7. 气缸式排气阀气缸式排气阀 中国发明专利，也只有中国特有，其快速排气能力特别强大（以前曾经强调全孔口全压高 速排气-不管压力多高，逢气就排，而且全孔口开启） ，是解决段塞流和空管充水问题的能手， 能显著提高空管充水效率，排气干净彻底，排气效果世无其匹。由此，它否定几乎所有的其他 型式的排气阀，跟 CATT 一样，傲视同侪，普天之下唯我独尊。特别强调高速排气，尤其是在 有压（全压条件）下全孔口高速排气，认为大小孔口都必须在有压下（全压范围内）逢气就排， 否则就无法应付“具有普遍性”的段塞流式的管流水力状态，管路必然排气不净，大量存气，从 而引发“气爆式水锤”和可能的爆管事故。后期的二代气缸式则强调恒速缓冲排气，似乎不再强 调全压全孔口高速排气了。可能是因为发现了有压下大孔口高速排气的危害性：正压下，大孔 口高速排气会导致管路内水流速度的突然变化：对钢管而言，在水锤波速 a=1000m/s 的情况 下，h=v*a/gv*1000/10 =100*v，就是说，当管路内流速v 变化 1m/s 时，水锤升压 h=100m； 而大孔口高速排气可能导致管路流速变化量达到 13m/s， 水锤升压将达到 100 300m，可能导致爆管。有压下大孔口高速排气的后果是产生空气阀自身关阀水锤（Air Slam） ， 后果是严重的，应不允许。这其实应该是一个行业内的常识：大孔口在有压下不能高速排气。 管内空气果然应该排除，但高速排气过程产生水锤却得不偿失。过分强调排气的重要性，尤其 是高速排气的重要性，却忽略了自身在高速排气的过程中会产生更严重的水锤-空气阀关阀水 锤-air slam，是一个顾此失彼、得不偿失的不当举措。请同时参考第 1.4.14 条和第 5.35.4 条“段塞流”专门论述和计算验证。 1.2.8 缓闭式防水锤空气阀阀组缓闭式防水锤空气阀阀组 Slow-Closing Custom Combination Air Valve。原主意源自几十年前的美国，国内最近有 较多模仿。它在复合式空气阀下方串联一个缓冲止回阀 Surge Check Valve，该缓冲止回阀的 阀瓣对气流敞开，全通径流道；但是对水流则阻碍，阀瓣关闭，仅留出阀瓣上的一个或多个小 孔让少量水流通过，大幅降低支立管内水流的上升速度，使空气阀在空管充水的最后时刻或因 为正负压交替出现使空气阀忽开忽闭的场合缓慢关闭，避免产生空气阀关阀水锤（Air Valve Slam） 。这是一种笨拙的办法：体积大、高度超高、重量超重、成本高。不建议采用，其本身 也没有竞争力。 如果高速排气孔口直径是主管直径的 1/101/16，则主管内流速变化量是支立 管内流速变化量的 1/1001/256，假设高速排气孔口排气速度为 3060m/s（0.2Ma-马赫 数） ，主管内的流速变化量仅为（3060）/200=0.150.3m/s，水锤升压大约为（0.150.3） *100=1530mH2O，不难接受吧？何需那个笨重的防水锤止回阀呢？何况，高速排气的最后 阶段， 在水流封堵集气颈之后， 水流将会与气流立即分离， 集气颈之上部位立即变为无压状态， 支立管内的水位上升速度将远小于空气流速 3060m/s，它受限于管线整体压力的上升速度， 可能只有 0.110m/s-只要充水压差 （动力） 不是很大 （水头没有超过高速排气阀浮球中心线） 。 至于说让这个缓闭式空气阀组去抑制弥合水锤，其效果不见得比“三阶段空气阀”好；跟“始 作俑者”-美国制造商的愿意：防止空管充水或忽开忽闭最后瞬间关阀水锤的初衷不一致。这可 能是一个很勉强的“功能延伸”或价值很低的“发明创造”，不见得是个好主意。自从美国发明以 来大约 50 年过去了，至今也应用寥寥，可见其不成功的程度。 图 1-7 缓闭式防水锤空气阀阀组主要用于防止空管充水最后瞬间大孔口高速排气关阀水锤或正负压交替出 现使空气阀忽开忽闭而可能导致空气阀关阀水锤 原本不是用于抑制断流弥合水锤的 原设计的缓冲止 回阀的阀瓣是在气水转化时关闭 而不是在气体压差达到某个数值时关闭 1.2.9 后置调节型动力式高速排气阀后置调节型动力式高速排气阀 Downstream Regulating Kinetic Air Valve，中国发明专利。中尺寸高速排气孔口，仅需满 足空管充水推荐流速 v=0.30.5 m/s，而实际孔口往往偏大，使孔口压差偏小，充水水柱背压 偏小，充水速度反而偏大，可能超过推荐值。这时候需要适当调节关小高速排气孔口，而阀后 调节在调节质量上优于阀前调节，而且可以在完成空管充水之后人为关闭高速排气孔口-因为 几乎不再需要了。它可以稳妥而精准地调节排气阀孔口压差，从而调节空管充水流量和速度， 使管道系统平稳适速充水，既不太快以至引发空气阀关阀水锤和可能的爆管事故；也不太慢以 至影响工程进度。阀后调节可以轻松实现孔口尺寸级差之间的平滑连续无级过渡。流道内部空 气动力学工作原理，不怕高速气流吹堵，孔口压差允许达到 89kPa 以上，但是一般被调节限 定在 35kPa 左右。阀体侧面开孔附带压力表接口，低压高精度压力表可以准确观察孔口压差， 现场指导孔口调节和空管充水流量流速控制。整个流道通径都不小于公称通径尺寸，其阀座密 封结构、孔口尺寸与浮球直径比值、阀座开口角度、橡胶硬度和浮球圆球度、耐压值、比重和 阀体高度等重要参数都经过仔细设计复核，是多年工程经验积累后深度改进型成熟产品。见图 1-8 顶部高速排气阀部分。 1.2.10 三孔口防水锤排气阀三孔口防水锤排气阀 3-Orifice Anti-Surge Air Valve Assembly，中国发明专利，国际发明专利，也叫防水锤排 气阀。具有三个独立孔口 3-Individual Orifice for Air Discharge, Air Intake and Air Release， 分别承担微正压下中量高速排气、微负压下大量高速吸气和有压下微量排气功能，形成大孔口 -中孔口-微孔口三个套接结构，以大孔口尺寸等同于或略大于公称通径 DN，中孔口安装于大 孔口顶部中心筒管之上，微孔口附接于中孔口阀体侧面，如图 1-8 所示。其中中孔口与微孔口 联合构成类似传统的复合式双口排气阀结构，只是中孔口尺寸远小于吸气口尺寸，而且其顶部 即出口阀帽处增加了一套下游调节阀，可以连续调节孔口压差，甚至可以切断该中孔口，使整 个阀组转变为具有很高进排气比例的注气微排阀。 内置气囊可以吸纳中孔口在空管充水最后阶 段产生的可能的关阀水锤；内置气囊提高吸气阀负压灵敏度，缩短负压开启延后时间，降低开 启时的负压绝对值，对于提高整个管线系统内的负压值将起到很大作用。它相当于一个大孔口 吸气阀与一个中孔口复合式排气阀的组合； 或者一个大孔口注气微排阀与一个中孔口高速进排 气阀的组合；它可以分开二部分甚至三部分分别安装，如图 1-1316 所示。 型 高速吸气阀 型 微量排气阀 高速排气孔口 后置调节阀 型 高速排气阀 第二水气 分界线 第二 后 内置气囊 第 1 压力表 监控孔口压差 指导空管充水 第2压力表监控 短管压差和总压 差指导空管充水 D9520型 后置调节型 三孔口 防水锤空气阀 阀组 图 1-8D9520 型既能满足所有通气要求又能抑制弥合水锤的万能式三孔排气阀阀组 1.2.11 海水用真空破坏阀和注气微排阀海水用真空破坏阀和注气微排阀 特殊材料， 防腐蚀， 内部结构也稍有不同。 如有需求， 欢迎联系微信号： Air-Valve; AirValve。 1.2.12 深度负压紧急断电真空破坏阀深度负压紧急断电真空破坏阀 稳态运行条件下，不管负压值多少，都由动力控制装置保持关闭；只有在紧急断电时动力 装置失电后立即开启，破坏真空。详见 1.2.13 井筒泵专用空气阀井筒泵专用空气阀 Well Service Air Valve with Dual Throttling Device。全通径高速吸气孔口+受限制高速排 气孔口。停泵后，高速吸气，破坏真空，让水流回落吸水池；刚启泵时中孔口中量排气，产生 孔口压差， 使其作为水柱背压， 限制水泵流量， 控制起始流速， 降低启泵水锤。 如图 1-9 和 1-10 所示。 图 1-9 井筒泵专用空气阀结构示意图图 1-10 井筒泵专用空气阀应用示意图 图 1-11 自左至右分别为：KSB 长轴泵，它自带了一个高速进排气阀 DN50（说明德国人有见识，但深度不 够） ； 注气微排阀 DN150-4.8 （设计时未考虑到水泵自带排气阀） ； DN600 快闭缓闭式止回阀(重锤快闭 95%+ 体外空气侧阻尼缓闭 5%)。DN50 的高速进排气阀具有双向高速进排气能力，其口径 DN50 对吸气功能来说 太小（远小于中间的注气微排阀的吸气阀口径 DN150） ，对高速排气来说又太大（远大于注气微排阀上的微 量排气孔口 4.8mm） ，应该说是不合适的，将建议关闭或修改为 DN2025。笔者的录像显示：启泵时 DN50 在 12s 内高速排气，随后高速喷水大约 0.5s 时间，水流突然停止。此处产生的流速变化量可能是：假设 DN50（实际孔径可能是 50*0.7=35mm）孔口高速排气速度为 196 m/s，换算成 DN700 井筒内的流速大约 为 0.49m/s，即流速变化量约等于 0.49m/s，由h=v*a/gv*1000/10 =100*v 得知，水锤升压可能达到 h49m。图上的另一个微量排气阀应该是水泵冷却水系统的，跟本系统无关。 图 1-12 德国人 1966 年设计 2014 年改建的井筒泵出口设备，井筒泵在右侧，中间是 DN900 消声止回阀，其上 游是 DN65 复合式排气阀。 此处双向高速进排气，可能是不合适的。德国人知其一而不知其二，在这方面落后 于美国人。但是阀门很精致，外表远优于美国阀门。照片左前方约 10m 处还矗立一座约 D800mm*20m 高的调 压塔-见下图。水泵 4286m3/h18.3m，据说启泵或者停泵时大量泄水，水锤防护措施比较到位。 图 1-12-1 德国人 1966 建设的井筒泵取水泵站，消声止回阀下游设置了一个开式调压塔。 图 1-12-2 德国人 1966 建设的二级泵站井筒泵出口设备，井筒泵在右侧，斜盘式止回阀的上游是一个 DN150 的 复合式排气阀，出水管 DN1000，四级串联加压泵站的第一级水泵。四级总扬程 34 bar。PN40 的出水管，随后 的三级串联加压水泵见下图 1-12-3，PN40 DN1000 的闸阀看起来非常厚重坚固。流量大约是 Q =37 MGPD = 37,000,000 * 3.785 = 140,045 m3/d，后面的止回阀应该是对夹式双瓣弹簧助闭式。 1.2.14 集气颈集气颈-抑制抑制“段塞流段塞流”的工程措施的工程措施 V1 V2 当坡度较大时 这样计算的结果 往往需要补充很大的吸气阀 但是工程实际往往不可能 这需要设计工程师根据实际 需要综合考虑决定 值得注意的 是 负压的危害不仅仅是管道的 压塌 更可怕的是抽吸管道外的 脏水脏污 威胁饮水安全 如果节点N在瞬态过程 中仅出现水柱分离-而 不会产生空腔弥合水 锤 则无需人为关闭左 隔离阀或后置调节阀 但是右隔离阀必须保 持常开 节点N安装颈 集气井（颈） 爆管泄水时重力自流 水柱分离倒流时 坡度 S1 坡度 S2 高速吸气阀 D9010 独立高速 排气阀 D9200 高速排气 后置调节 控制阀 微量排气 侧面连接管 左隔断阀 右隔断阀 微量排气 控制阀 侧面接口 底部接口 微量排气阀 D9100 DN 图 1-13 爆管自流时吸气量计算及空气阀三个孔口分体安装示意图 图 1-14 复合式排气阀及其集气颈工程照片DN1200 主管 D600 集气颈DN150-150-5.6 复合式排气阀 图1-15注气微排阀与高速进排气阀分体安装在集气颈上工程 照片 DN1200 主管 D600 集气颈 DN150-5.6 注气微排阀 +DN80 高速进排气阀 PN16 水泵 147m 186000m3/d L=40km 大中型中压供水工程 图 1-16 抑制“段塞流”的工程措施-集气颈安装高度要求 1.3 关于排气阀测试装置关于排气阀测试装置 国内甚至国际上现有的排气阀测试装置都是利用高压气源通过减压方式测试高速排气流量 和吹堵压力，对低压空气阀来说冲击性过大，压力范围远远超值，很不合适。高速排气阀测试时 需要大流量微正压，且空气压力是逐渐升高，而不是冲击性的。鼓风机容量不够，压力也可能偏 低；真空泵成本高、耗电大，也不是理想的负压源。合适的空气阀测试装置应该是由大流量微正 压气源和微负压气源组成，测试条件尽量接近空气阀的实际工作状态；其气体流量计也应该改用 更加合适的先进产品。本文作者已有比较成熟的概念设计方案，即将付诸实施。希望 2015 年能 够面世，期待为空气阀产品提供准确而且具有权威性的实测数据。 1.4 排气阀的几个关键技术参数介绍排气阀的几个关键技术参数介绍 1.4.1 微量排气孔口尺寸及其排气量微量排气孔口尺寸及其排气量 不能停留在 1.6mm 阶段， DN300 以上管线需要 9.5 等等较 大尺寸的微量排气孔口，通常为圆形孔口，其孔口流量系数较高，建议参考 AWWAC512。通常， 按照水中存气 2%和实际工作压力（水头）计算微量排气阀孔口尺寸。较大的排气流量-孔口尺寸 需要双杠杆机构或特殊浮球，并且适当降低工作压力。厂家应给出特定尺寸的孔口在不同工作压 力（+10kPa声称的工作压力值）下的排气量数据或图表。 1.4.2 微量排气工作压力（水头）微量排气工作压力（水头） 不是一个随意的数据，它跟孔口尺寸密切相关，二者成反比例关系，它不一定等同于公称压 力 （即 PN） 。 阀门设计者必须确认压力跟孔口之间的数学关系， 正确设计孔口直径及其工作压力。 较高的工作压力需要双杠杆机构或特殊浮球，并且适当缩小孔口尺寸。 1.4.3 微量排气阀的开启与关闭可靠性微量排气阀的开启与关闭可靠性 在制造商声称的工作压力范围内应该开闭自如，开启时排气，关闭时不漏水。试验次数应达 到如 EN 1074-4 所规定的 2500 次。 1.4.4 孔口流量系数孔口流量系数 美国人通常取值 Cd=0.7，KYPIPE 软件里的空气阀数学模型内置的默认孔口系数为 0.62， 实际上可能低于上述理论值。缺乏实测数据，所有的空气阀厂家几乎都是抄袭他人的数据，或者 仅为理论计算值， 通常偏大， 对负压保护来说不安全。 从南非的孔板孔口流量测试报告里的 DN150 吸气流量数据 1500 l/s -35kPa，得出的标准圆形吸气孔口流量系数仅为 0.375，远小于 0.62； 所以，凡参考美国数据 Cd=0.7 得出的进排气流量数据都可能是偏大的，可信度不高。现有的测 试设备都不合适，很难测出靠近实际工况的进排气流量或者孔口系数。建议有关部门尽快研究合 适且实用的空气阀流量测试装置，以期拿出可靠的参数。推荐大流量且升降平稳的微正压气源和 微负压气源作为测试气源，而小容量高压冲击气源离空气阀的实际工况相差甚远，不合适。 三个孔口应该有三个孔口流量系数。 1.4.5 吸气阀的负压开启值吸气阀的负压开启值 对吸气阀来说，这是一个很重要的参数，关系到管道或容器的负压保护功能的可靠性。至今 国内还没有人提出具体要求，所有的排气阀招标文件都没有提到这个指标，被严重忽视。一家美 国厂家建议-1/4 psi=-1.724kPa。本人认为-1kPa-5kPa 之间的数据都可能是合适的，具体数据 应由设计单位提出或者让制造商提出，再由设计院确认。高于-1kPa 对吸气阀制造来说有难度， 低于-5kPa 对保护管线不利。应提供计算说明书，确保设计正确。 1.4.6 吸气阀负压灵敏度即开启始动滞后时间和全开启所需时间吸气阀负压灵敏度即开启始动滞后时间和全开启所需时间 该数据对抑制负压水锤影响很大：若开启太慢，将无法及时消除负压，负压源可能在整个管 线传播一遍，造成全线负压超标。浮球控制型吸气大孔口的负压开启时间受制于下列多个因素： 浮球直径跟孔口直径的比值、浮球重量、负压值、橡胶阀座密封面对浮球的黏着力、橡胶阀座开 口角度及其对浮球的抱持力等。如果开启延后时间超过 1s 甚至 0.5s，模拟软件显示的水击包络 线将可能呈现全线或局部最低负压，将成为严格意义上的负压保护不合格。所以，负压开启延后 时间应该是空气阀的最重要的指标之一。应由制造商自述，再由测试验证。建议参考欧洲空气阀 产品标准 EN 1074-4 关于负压开启可靠性测试要求-Long Term Unseating Test-长时间受压后浮 球离座试验。不推荐球形阀瓣用于进排气兼用的双向进排气阀，推荐非球形阀瓣控制型单独吸气 阀或可能的双向进排气阀，以避免上述缺陷。 吸气阀阀瓣由始动至全开启所需要的时间取决于：阀内负压值、负压变化速度、阀瓣质量和 阀瓣行程等因素，其值不应大于 1s-20kPa。 1.4.7 大孔口浮球比重大孔口浮球比重 肯定不能大于水的比重，也不能靠近水的比重-浮力太小，上浮速度太慢会导致溢流，连续 溢流可能淹没阀门井，溢流速度太快甚至会威胁操作人员的人身安全；浮球比重还不能太小，若 太小，球壁很薄，耐压低，在水锤高压时（浮力可能高达几吨至十几吨）很容易被压扁或者揳进 孔口。比重太小，还会导致负压时开阀力太小，影响负压开启值和负压灵敏度。需要仔细掂量。 建议由制造商自述，设计院和客户确认。 1.4.8 吸气阀开启与关闭的可靠性吸气阀开启与关闭的可靠性 吸气阀应该在微负压下快速开启，至零压力时应该关闭， 至微正压如 20kPa 时严密关闭不漏 水。其可靠性应达到规定的试验次数如 EN1074-4 所推荐的 350 次。 1.4.9 高速排气大孔口直径（及其排气量）高速排气大孔口直径（及其排气量） 原则上应该等同于或者起码不小于公称通径（或截面积相同） ；而且，沿程任何截面的流道 截面积都应该不小于公称通径截面积；虽然，该孔口尺寸并不是越大越好，相应地，高速排气量 也不是越大越好，需要计算确定，但是，如果缩径，应该事先声明；应该跟孔口排气流量系数和 排气量一起， 组成高速排气阀重要数据， 如实提供给客户。 厂家应提供特定尺寸的孔口在+1kPa +35kPa 微正压范围内的排气量数据或图表。 通常， 仅仅按照建议的管线充水速度 v=0.30.5 m/s 和允许的孔口压差p=35kPa，参考空气阀说明书所述排气量参数，选择稍大一级的孔口尺寸。 此孔口通常远小于吸气孔口，一般有 24 级的差距。 1.4.10 高速排气阀瓣高速排气阀瓣-浮球的直径浮球的直径 对于兼具吸气功能的双向进排气阀来说，该浮球的直径不宜小于孔口直径的 1.5 倍，不然， 很容易被高压揳进孔口，失去吸气功能。建议由制造商自述，设计院和客户确认。 1.4.11 孔口对浮球的开口角度孔口对浮球的开口角度 不宜锐角，避免抱持浮球，尤其是双向进排气阀。宜由制造商自述。 1.4.12 高速吸气大孔口直径（及其吸气量）高速吸气大孔口直径（及其吸气量） 不宜小于公称通径（截面积） 。而且吸气孔口可能远大于排气孔口，二者不能相互将就，应 该分开单独设置。该孔口尺寸越大越好，吸气量越大，负压保护能力越强，管线所需要的吸气口 径需要按照管线冲洗放空、水泵强排和管段破裂沿边坡重力自流等工况计算确定。 厂家应提供特定尺寸的孔口在微负压如-1kPa-35kPa 范围内的吸气量数据或图表。 1.4.13 高速吸气孔口流量系数高速吸气孔口流量系数 应由测试确定，凡 Cd=0.62 以上者，都应该打折扣。应该跟吸气量参数一起，如实提供给客 户。 1.4.14 高速排气阀瓣空气吹堵压力高速排气阀瓣空气吹堵压力 宜高于 3540kPa。实测时，若在此范围内不吹堵，就可以了。不宜要求 89kPa（声速临界 值）以上，通常的空管充水过程不可能达到声速临界值以上，而所谓的段塞流则应当以适当的工 程措施（参考图 1-16）予以避免；不宜以段塞流可能具有高压和所谓的“普遍性”为理由，要求高 速排气孔口的空气吹堵压力满足段塞流高速高压排气要求。何况，此时， （有压）段塞流情况下 的大孔口不允许高速排气（必须大幅度限制孔径或者流通面积，而大幅度限制以后其实就是微量 排气） 。CJ/T 217：2005 和 2013 以及 CECS 193：2005 要求空气吹堵压力高于 100kPa 实在是 一个不切实际的“放卫星”般的高指标，把全国的设计和应用工程师都搞得无所适从。要知道，空 调的空气压力通常只有 20200Pa，风压的手感已经很强，按照平均 100Pa =0.1kPa 计算，仅 仅是 100kPa 的千分之一，空管充水所产生的气压也就比空调气压高出几倍10 倍吧，仍然相差 100 倍啊！何必如此“好高骛远”呢？使用兆帕单位（即取值 0.1MPa）不但有“牛刀杀鸡”之嫌，不 切实际的超高指标更是扰乱了整个行业。“怕吹堵”曾经是一个问题，至今也可能还是一个问题， 但也没必要太“矫枉过正”；即使“段塞流”在从前具有某种程度的“普遍性”，现在也完全可以由适当 的工程措施（见图 1-16）予以抑制，何况“有压下不允许大孔口高速排气有压下不允许大孔口高速排气”这一“行业常识行业常识”应该是 一条不能跨越的“行业红线”。高速排气导致的水锤升压跟孔口尺寸和排气压力之间的具体的数学 关系详见后续论文水中存气对水锤的影响及管线排气措施建议及本文后面第 5.35.4 条专门 论述与计算验证。 中国工程界对“段塞流”到了谈虎色变的程度，以至于把对空气阀的主要要求都集中在了吹堵 压力和排气量二个指标上，这是一种误导，忽视了更重要的如吸气可靠性、吸气灵敏度、吸气能 力和微量排气能力及中速低压排气能力等性能。原本，要求吹堵压力指标高一些，甚至远高于欧 美同行，也不是不可以-中国也可以领先世界么。但是，完全不知或完全忽视“高”的害处，误以为 越高越好，就成了误导；不管压力多高，要求大孔口“逢气就开、逢气就排”是只知其利，不知其 害，是一种严重的误导。把指标定得超高，而测试方法又是相当粗笨，测试精度较低，数据可靠 性不高，会造成误解、不公平和可能的阻碍技术进步。而且，对这一次要指标的过分重视，直接 导致了对其他更加重要的指标的忽视，搞得整个行业舍本逐末，其害大矣。 1.4.15 最低水密封压力最低水密封压力 应该分档次： PN10 的， 宜要求 20kPa 就能够密封； PN16 的， 宜要求 3040kPa 能够密封； PN25 者，最低密封压力应允许在 50kPa100kPa 以上。如果要求水密封压力在 10kPa，则整 个空气阀的耐压等级也应该降低为 PN6， 不宜要求在 PN10 以上。 AWWAC512 全部规定为 20psi = 138kPa，明显偏高。若要求 PN25 之低压密封压力也同样低至 2030kPa，其橡胶阀座很容 易偏软，可能在高压时阀座变形量太大，或夏天太阳暴晒下黏粘性太大，不合适。很难要求橡胶 在较大的全压范围内都具有良好的密封性能。 1.4.16 影响大孔口低压水密封压力的几个关键因素影响大孔口低压水密封压力的几个关键因素 浮球密封面的圆球度、浮球的比重（即浮力和密封比压） 、橡胶阀座的硬度及密封面型式。 其中浮球密封面的圆度（或者圆球度）非常重要，冲压成形的浮球通常圆球度不够高，建议让制 造商自述或提供浮球的圆度、测量方法及其测试记录。关于密封面型式，推荐线密封，而不建议 面密封。 1.4.17 低压水密封时的密封比压低压水密封时的密封比压 取决于浮球的比重、浮球直径与孔口直径的比例以及密封面形式。宜由制造商自述，并且提 供计算说明书，由设计院和客户确认。 1.4.18 浮球耐压浮球耐压 CJ/T 217：2005 仅要求 2 倍 PN，偏低。AWWAC512 要求 7501000psi=5.16.94MPa， 有道理：发生水锤时，阀内压力可以达到 2.5MPa 甚至更高，对 DN150 的孔口来说，浮球承受 的压力等于 0.7854*1502*2.5=44,179N=4,505kg = 4.5 吨，足够压扁浮球或者将浮球挤压揳进 孔口。所以，建议浮球的耐压应该达到 5.0MPa，而且，浮球与孔口的直径之比应该较大，避免 被揳进孔口。 1.4.19 空气阀集气颈空气阀集气颈 强烈建议设置集气颈。其高度和宽度都应该不小于 0.5 倍主管径 DN，越高越好，越宽越好。 而且集气颈之上的直立支管不宜过长，越短越好，其口径则越大越好，起码不能小于吸气口径， 最好大 12 级。见图 1-1316。 1.4.20 空气阀阀门井空气阀阀门井 建议在集气颈外部设置阀门井；建议其通气管口径大于吸气口径 13 级。等口径通气管将限 制吸气阀的吸气量。请注意：该通气管可能产生短时间的巨大吸拉力，有一点危险，建议设置安 全措施。 2. 完美的空气阀设计选型方法完美的空气阀设计选型方法 2.1 安装设计示意图安装设计示意图-摘自南非摘自南非 CATT 论文截图论文截图 图 2-1 南非 CATT 所推荐的理想的空气阀配置图 2.2 技术解读技术解读 Technical Understanding CATT 一篇长达 50 页的论文尽管盛气凌人、傲视群侪，也不乏故意夸大其词、贬损他人之词 （DN80 高速排气孔口在 17kPa 压差下产生 145bar 的水锤升压，结论正确但是吓人，该恐怖的 结论源于其选取的试验装置不恰当： DN150 管段上不需要 DN80 的排气孔口-其实 DN15 就够了， 有故意制造耸人听闻的实验结果并据此贬损他人的意图） ，不能否认，它仍然是一篇高水平的而 且是基于实验基础之上的关于空气阀的论文。上图就蕴含了不少关于空气阀设置的独特且合理的 技术理念，试解读如下： 1）三个孔口分开安装，各自发挥作用。 2）从外形上看出，具有 unrestricted intake 的高速吸气阀，其口径大于高速排气阀口径。 但 高速排气阀孔口也不是很小，在初次充水时主要还是靠它排气。 3）需要一个集气颈部-air accumulator。其功能起码有：其一，吸气后大气囊停留在集气腔 内，不致于或尽量少地进入管道挤占主管道流通面积而且容易被水流带走；其二，抑制段塞流， 避免在充水过程中形成段塞流。 4) 高速排气阀安装位置相对低一些。 5) 非动力式高速排气阀似乎会在水位没有到达浮球之前提前关闭-可能是因为吹堵吧。 6） 高速排气阀关闭后， 留下一些空气在集气颈部， 用于吸纳可能的排气阀关阀水锤（ Air Valve Slam）-指空管充水过程中。 7）留下的大段空气需要微量排气阀排除，所以其微量排气能力不能太小。 8）如果该位置发生弥合水锤，这个三组合装置能够截留位于高速排气阀位置之上的大段空 气，形成局部大气囊，从而具有缓冲抑制弥合水锤的能力。在沙特的试验也证明了这一点。 9）功能是完善的，但是成本是高昂的，而且需要较大的安装空间。 10）似乎并不是排气越干净越好: 留在集气颈部的剩余空气似乎不影响主管道的运行和动力 费用；还可能带来额外的好处：含气水体会降低弹性模量；从而降低水锤波速和可能的水锤升压； 大气囊团吸纳水锤，抑制段塞流，等等。 3. 管线空气阀设计选型方法管线空气阀设计选型方法 3.1 微量排气孔口选型计算方法微量排气孔口选型计算方法 3.2 高速排气孔口选型计算方法高速排气孔口选型计算方法 3.3 高速吸气孔口选型计算方法高速吸气孔口选型计算方法 3.4 特