在輸配水工程中，管道起伏不大，可視為水平管道，充水階段是向存滿氣的管道中充水，運行階段則是在充滿水的管道中局部存氣。在輸配水管道中，由于設計流速一般不大，管道中的氣體多以氣囊形式存在于管子上部。在多起伏的管道中，氣囊多存在于管道的凸起點；而在坡度小，較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨立的大氣囊形式分散存在。據(jù)美國馬丁教授的研究理論，較平坦的供水管路呈現(xiàn)六種氣液兩相流狀態(tài)。見下圖所示：

 

（4） 氣團流（充水后期）

    氣團流多發(fā)生在充水后期和運行階段，管道中基本為液相充滿，在局部有氣團形成，此時液相流速較大，氣相流速較小，氣相形成長條形的氣團，聚集在水平管上部，隨液相流一起流動。

（5）泡沫流(瞬間出現(xiàn)并迅速轉(zhuǎn)化)

    液相在強烈的擾動下與氣相混合或氣相從液相迅速析出時會形成泡沫流。但是泡沫流并不穩(wěn)定，瞬間即轉(zhuǎn)化為其它流態(tài)。由于泡沫流轉(zhuǎn)化速度較快、形成條件復雜，所以，很難觀察到。

（6）環(huán)狀流（瞬間出現(xiàn)并迅速轉(zhuǎn)化成波狀流或段塞流）

    氣相流速很大，液相被氣相吹鋪成沿管壁周邊的環(huán)狀液膜，氣相在環(huán)膜中間高速運動，此時即是環(huán)狀流。環(huán)狀流同泡沫流一樣不穩(wěn)定并且形成條件復雜。環(huán)狀流的環(huán)狀液膜會在重力作用下迅速破壞，轉(zhuǎn)化成波狀流或段塞流。

    由以上六種流態(tài)的轉(zhuǎn)化分析可以發(fā)現(xiàn)，在長距離輸水管路中，段塞流是氣液兩相流的最終轉(zhuǎn)化形式。因此在長距離輸水管路上選擇某些水錘防護設備時必須考慮到長距離輸水管路中水的流態(tài)形式。

    由于有壓輸水管道存氣的主要形式是段塞流，即氣體以不連續(xù)的多個或獨立氣囊存在于管頂。其氣囊長度和占過水斷面面積取決于氣體含量、管徑大小及管道縱斷面條件等等。理論研究和實踐表明，氣囊沿管頂隨水流運動，易在管道轉(zhuǎn)彎凸起、變徑、閥門等處產(chǎn)生聚集，并產(chǎn)生壓力振蕩。由于管網(wǎng)水流速度和方向具有很大的隨機性，氣囊運動引起的壓力升高將在很大程度上取決于水流速度變化的劇烈程度。有關(guān)實驗表明，其壓力可高達200 多米水柱，足以破壞一般供水管道。

    此外值得注意的是，長期在管網(wǎng)中運動的氣囊，其體積的大小隨所到之處的壓力大小變化。這進一步加劇了含氣水流的壓力波動，造成管道爆裂增多。管道含氣危害由含氣量的大小、管道構(gòu)造以及運行操作等等因素有關(guān)決定，給有壓輸水管網(wǎng)造成了很大的危害。

2.1 常見的浮球類排氣閥存在的共同技術(shù)缺陷

   （1）水氣相間時大排氣口僅能排出第一段氣體，不能連續(xù)排氣；

    輸水管道一般坡度都不是很大，所以管道中大多是一段水一段氣的水氣相間狀態(tài)，浮球式排氣閥的浮球僅幾公斤重，而排完第一段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體即有壓力，假定壓力為0.2Mpa，氣體對浮球的托力等于排氣口面積乘管道壓力，計算可得DN100排氣閥托球力約150Kg，DN300 排氣閥托球力約為1400Kg，故大排氣口不可能再自動開啟排氣。

（2）在排氣過程中突然起球堵住排氣口，終止排氣；

   ①排氣速度較快時，當氣流對浮球的托力大于球的重力，浮球被吹起，堵住排氣口。

   ②氣流帶水霧的情況下，氣霧的比重比干空氣大，同等排氣速度下，氣霧作用于浮球的力比干空氣作用于浮球的力的力大。在比干空氣流速小的多的情況下，浮球就被氣霧托起。在這一點上復合式排氣閥更為明顯。

（3）小排氣口徑一般在3~5mm，僅能微量排氣；

如果大排氣口性能不好，僅靠微孔排氣，氣體不能快速排出，對大管徑輸水管是極危險的。

（4）運行時長期不動作時，小排氣口浮球易因粘貼而失效；

（5）大排氣口浮球在停水后再充水，易因復位不正而關(guān)不嚴跑水，從而引起經(jīng)濟損失，并給日后管理上帶來麻煩。

2.2 排氣不暢的危害分析

    在水氣相間時，浮球式排氣閥的大排氣口的作用幾乎為零，僅靠微孔排氣，造成了嚴重“氣堵”，空氣排不出，水流不暢，引起管內(nèi)壓力急劇增加。

    根據(jù)有關(guān)理論計算，排氣不暢引起的氣爆壓力最高可達20～40個大氣壓，其破壞力相當于靜壓40～80個大氣壓，足以破壞任何供水管道，工程上最強的球墨鑄鐵管被破壞也屢見不鮮，各類管道爆管事例更是不勝枚舉。

    對于這些以氣囊形式存在于有壓管道的氣體，長期存在于管道某處，在管道中運動和排出管外的過程中，有使管道產(chǎn)生劇烈壓力振蕩的危險，因而必須引起人們足夠的重視。大量的工程實踐表明，管道中的氣囊隨水流動時由于受管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件的影響，時而分散時而聚合,極易造成氣囊兩端壓差改變，這種微小壓差變化對于不可壓縮的水來說不會有什么影響，但對空氣來說影響是極大的。如著名美國水錘專家V.L.Streeter在其所著《瞬變流》(Hydraulic Transients)一書中介紹了一個實例：一條由水池接出的直徑為1ｍ、長度為61ｍ的單一管道，水池水位為30ｍ,距管道末端12ｍ一段存有空氣，管首端閥門在0.95s內(nèi)打開，該管段開始時絕對壓力為102kPa，在接近2.5s時壓力猛增至絕對壓力2331 kPa（約223米水柱），由此可見氣囊運動所引起管道壓力振蕩的嚴重程度。

    有壓管道內(nèi)氣囊運動產(chǎn)生的壓力升高往往類似于斷流彌合水錘，其升壓值與氣囊所占管道過水斷面的大小及氣囊運動與水流的速差有關(guān)。理論計算表明，氣囊兩端的壓差如果達0.01m 水柱，氣囊運動的速度即可達每秒十幾米，水流隨之波動的速度與管路的復雜程度和氣囊占過水斷面的比例有關(guān)，故氣囊運動引起的升壓也大小不同，可能小到僅幾米水柱，大到數(shù)百米水柱，國內(nèi)外實測到較大的斷流水錘升壓為200～400 米水柱。特別值得注意的是，氣囊引起的斷流彌合水錘升壓極快，往往在不到1 秒（停泵水錘升壓過程一般為十幾秒至幾分鐘）就迅速升壓到最大值，因而較一般停泵水錘更難防護。

    很多實踐表明，對一般停泵水錘防護效果良好的（先導式）超壓泄壓閥或水錘預防閥，用于防氣囊產(chǎn)生的斷流彌合水錘幾乎沒有效果。

從理論上講，防這種水錘升壓只有三種途徑。

   ①管道排凈氣體，保證任何狀態(tài)下都不產(chǎn)生氣囊運動型斷流彌合水錘。

   ②用氣壓罐及其同樣類型的穩(wěn)壓吸壓裝置直接吸納或消滅水錘升壓波。

   ③用雙向調(diào)壓塔吸收升壓波。

方式①可通過采用性能良好的排氣閥實現(xiàn)正常排氣，對突然停泵產(chǎn)生的負壓，也可輔以單向調(diào)壓塔充水而不注氣。前者是目前絕大多數(shù)工程最常用的方法，也是發(fā)展的主要方向，且最為經(jīng)濟合理。后者用單向調(diào)壓塔造價高，只能在個別管道和特殊點上使用，且管理維護困難。

方式②和③也都造價甚高而在工程上難于應用。目前的情況是氣壓罐在國外的工程上應用較多，國內(nèi)工程應用較少，雙向調(diào)壓塔幾十年前應用較多，近年來國內(nèi)外應用都很少。