管道中的空气，如何解决？

阀门与执行机构 2025-06-18

许多运行问题，例如泵、阀门和管道的破裂，以及仪表读数错误，被归咎于推力不足、管道铺设不当等原因。

引言

许多运行问题，例如泵、阀门和管道的破裂，以及仪表读数错误，被归咎于推力不足、管道铺设不当等原因。实际上，许多问题并非由设备安装不当引起，而是由于未能对管道进行充分排气。有一种说法是，如果管道能够正确排气，虽然不能完全避免管道破裂，但如果不进行正确排气，就必须做好管道破裂的准备。

空气的来源

加压运行管道中的空气主要来自三个来源。

首先，在启动前，管道并非空的，而是充满空气。为了完全用流体填充管道，必须排除这些空气。随着管道填充，大部分空气会被推向下游，通过消防栓、水龙头等排出，但仍有大量空气会积聚在系统的高点。这是因为空气比水轻，因此会向高点聚集。随着系统的持续运行，第二和第三个来源会不断增加这部分空气的体积。

第二个来源是水本身。水含有约2%体积的空气。在系统运行过程中，水中的空气会不断释放并再次积聚在系统的高点。为了说明这2%空气的潜在巨大影响，假设：一段1000英尺长的管道中，如果所有空气积聚在一处，可能会形成一个20英尺长的气穴；而一英里长的管道中，气穴可能达到100英尺长。

第三个来源是通过机械设备进入的空气。这包括泵将空气压入系统，以及在真空条件下通过填料、阀门等吸入的空气。由此可见，加压管道中始终存在空气，且通常体积相当可观。

空气对系统的影响

既然我们已经明确了空气的来源，接下来探讨其对系统的影响。显而易见的问题有两个。首先，积聚在高点的气穴会导致管道受限（图3）。与任何限制一样，气穴会增加水头损失、延长泵的运行周期并增加能耗。空气的存在还会加速管道和配件的腐蚀。随着空气在高点不断积聚，流体被迫通过越来越小的管道截面积，流速也随之增加。

随着气穴的增大，会出现两种现象之一。第一种可能是流动完全停止（图4）。如果系统动态使得空气无法通过增加的流速被持续排出并推向下游，则可能产生超过泵能力的压降，从而导致流动完全停止。

第二种更可能的情况是，增加的流速会使全部或部分气穴突然脱离并被推向下游（图5）。当气穴脱离并在另一个高点停止时，流体的突然和快速变化可能导致高压冲击（即水锤）。这会对阀门、配件、垫圈造成严重损坏，甚至导致管道破裂。这是允许空气在系统高点积聚可能带来的最严重后果。

传统解决方案

高压管道中的空气是一个严重问题。排除空气可以提高运行效率、降低成本，并避免更严重的问题。20世纪初，工程师和供水人员开始认识到与空气相关的问题，并开始寻找解决方案。一些人依赖立管，认为大部分空气会通过立管排出。许多人在系统高点安装手动排气阀以手动排出积聚的空气。然而，事实证明无法预测何时需要排气，这在大型系统中尤其不切实际。开放消防栓（图6）也常被使用，假设管道中的所有空气都能排出。但消防栓通常连接在管道侧面，导致顶部仍有大量空气滞留。