摘要：文章针对示例输水工程的真空破坏阀设计选型进行了深入探讨。根据工程的实际情况，先对管道产生真空压力的原因进行了分析，通过合理选择真空破坏阀的位置以及阀门口径，减少工程投资并保证输水管线工程的安全运行。
关键词：管道；真空破坏阀；口径
引言
示例工程的输水管道为长距离重力流输水，输水管线总长度为306km，最大口径为D N 5800，最小口径为D N 3200（四根）；设计最大单管输水流量为42m3/s，设计最大流速为1.59m/s。输水管材以P C C P为主，局部穿路等位置采用钢管。管道最大工作静压为1.51MP a。
当管道产生真空压力后，真空压力与管外的土荷载、水荷载等外加力叠加作用，将使管道产生变形、破坏密封等一系列的问题，轻则因为管道吸瘪减小过流面积，造成输水能力下降；重则造成管道破坏，形成爆管等极端工况，影响整个工程的运行。
1 输水管道工程设置真空破坏阀的作用
真空破坏阀时是一种安全阀，主要用于容器或管道中，在管道或容器因系统运行或停止而产生负压或真空时，该阀能自动开启，破坏真空效应，使管道及其他设备不致产生吸瘪、凹裂等现象，以保护管道工程的安全。
1.1 排水时补气
管道在检修排水时，随着管道内水量的不断减少，导致管道内生产负压真空。此时，真空破坏阀与空气阀联合工作，大量进气，以保证位于高位的管道不会因为产生真空而破坏。
1.2 关闭检修阀时补气
在管道正常运行维护时，当关闭主管道的检修蝶阀，阀门上游来水被切断，下游水流在惯性作用下继续向前，此时阀后会产生真空，需要大量补气。
1.3 爆管时补气
示例工程采用P C C P管道作为主输水管道，而P C C P的预应力钢丝会因锈蚀、超压等原因发生断裂，极有可能造成在运行中发生爆管事故。通过水力过渡过程计算，爆管产生的瞬时泄水量最大可达236m3/s。当输水管道一旦发生爆管大量泄水时，为避免高位的管道发生真空破坏，例如吸瘪、破坏密封等，普通进排气阀很难满足短时间大体积的进气要求，因此需要在管道上设置真空破坏阀大量进气。
2 真空破坏阀设计及选型
2.1 真空破坏阀的设置原则
真空破坏阀是空气阀的一种，其位置的设计原则与空气阀相同，一般应安装在管线的局部高点，以及在管线发生大量泄流时最先产生真空的位置。管道沿线设置的普通空气阀本身也具备一定的进气功能，当已经设置的空气阀进气能力不满足时才设置真空破坏阀。
当然，所有的真空破坏阀均可用普通进排气阀替代，相等通气断面的真空破坏阀的通气能力比普通的进排气阀稍大，但等通气断面的真空破坏阀要比普通进排气阀便宜的多。
在示例工程中，绝大多数的真空破坏阀和进排气阀安装在同一座井内，需要单独设置真空破坏阀井的位置共有6处。
2.2 真空破坏阀口径计算
真空破坏阀口径的计算需要首先确定管道内外压差、需要的进气量和真空破坏阀的数量，再根据不同口径真空破坏阀的进气能力选择其标准口径。
（1）管道真空压力的确定
根据《给水排水工程埋地管道预应力钢筒混凝土管结构设计规程》（C E C S140∶2010）和本工程所采用的P C C P管结构设计的允许真空压力为-0.05MP a，阀井通气孔进气预留0.01MP a的阻力，即井室与管道之间允许的最大压力差0.04MP a。
（2）管道发生爆管时的最大泄流量计算
如果管道某个位置一旦发生爆管，将有大量的水迅速泄出，爆管点一侧管道的最大瞬时流量取决于管道直径、爆管的位置与该侧临近控制高点的距离和高程差等。
下面以示例工程中空气阀井P Q 3-128为例，说明爆管时的最大泄流量及最大进气量计算，空气阀井P Q 3-128的桩号为111771.70，附近爆管点的桩号为112266.14，两点相距494.44m，高程差为40.42m。如图1所示。
图1 空气阀井P Q3-128位置示意图
最大泄流量按下式计算∶
式中∶Q—爆管最大泄流量，m3/s；
i—爆管点一侧管道的泄流水力坡降，m/m；
Δ H—为爆管点与附近控制高点的高程差，取40.42m；
L—为爆管点至附近控制高点的距离，取494.44m；
n—管道糙率，取0.0115；
D—管道内径，取3.2m。
经过计算可得爆管点管道泄流量为
（3）真空破坏阀进气量计算
根据计算的最大泄流量，忽略温度和高程对气压的影响，再根据波义耳定律即可计算出真空破坏阀的总进气量。
2.3 真空破坏阀个数确定
为提高保证率，防止在真空破坏有损坏的前提下，管道依然可以安全运行，因此每个设置真空破坏阀位置的每条管道上至少设置2台真空破坏阀。
2.4 真空破坏阀口径计算成果
根据目前对相关厂家的了解，国内生产真空破坏阀的最大口径一般不超过D N 500，因此该工程的真空破坏阀最大直径确定为D N 500。
以空气阀井P Q 3-128为例计算，将一个D N 910的真空破坏阀通过等面积换算需4个D N 500口径的真空破坏阀。
3 结语
随着近年来我国长距离输水工程项目的增多，对输水管道爆管工况的设计越来越引起科研和工程设计人员的重视。如何保证在爆管工况下避免或减少次生灾害的发生，是个系统而复杂的设计内容。
真空破坏阀是避免管道发生真空破坏最有效的设备之一，示例工程通过对爆管工况的分析计算，在输水管道特定位置设置一定数量的真空破坏阀，仅从保护管道的角度，能够有效避免管道在发生事故时发生真空破坏。为保障工程安全运行，避免工程出现连锁破坏起到一定的控制作用。
