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(yùn)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(shè)計(jì)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(diǎn)；而在坡度小，較平坦管道中，氣體則以眾多相互獨(dú)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(tuán)流（充水后期）

    氣團(tuán)流多發(fā)生在充水后期和運(yùn)行階段，管道中基本為液相充滿，在局部有氣團(tuán)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(tuán)，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(qiáng)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(fù)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(yùn)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(fù)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(hù)設(shè)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(dú)立氣囊存在于管頂。其氣囊長度和占過水?dāng)嗝婷娣e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(shí)踐表明，氣囊沿管頂隨水流運(yùn)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(jī)性，氣囊運(yùn)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(shí)驗(yàn)表明，其壓力可高達(dá)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(yùn)動的氣囊，其體積的大小隨所到之處的壓力大小變化。這進(jìn)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(yùn)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(jì)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(dāng)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(diǎn)上復(fù)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(xiǎn)的。

（4）運(yùn)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(fù)位不正而關(guān)不嚴(yán)跑水，從而引起經(jīng)濟(jì)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(yán)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(jì)算，排氣不暢引起的氣爆壓力最高可達(dá)20～40個大氣壓，其破壞力相當(dāng)于靜壓40～80個大氣壓，足以破壞任何供水管道，工程上最強(qiáng)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(yùn)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(xiǎn)，因而必須引起人們足夠的重視。大量的工程實(shí)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(shí)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(yùn)動所引起管道壓力振蕩的嚴(yán)重程度。

    有壓管道內(nèi)氣囊運(yùn)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?dāng)嗝娴拇笮〖皻饽疫\(yùn)動與水流的速差有關(guān)。理論計(jì)算表明，氣囊兩端的壓差如果達(dá)0.01m 水柱，氣囊運(yùn)動的速度即可達(dá)每秒十幾米，水流隨之波動的速度與管路的復(fù)雜程度和氣囊占過水?dāng)嗝娴谋壤嘘P(guān)，故氣囊運(yùn)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(shí)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(hù)。

    很多實(shí)踐表明，對一般停泵水錘防護(hù)效果良好的（先導(dǎo)式）超壓泄壓閥或水錘預(yù)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(yùn)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(shí)現(xiàn)正常排氣，對突然停泵產(chǎn)生的負(fù)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(jì)合理。后者用單向調(diào)壓塔造價(jià)高，只能在個別管道和特殊點(diǎn)上使用，且管理維護(hù)困難。

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