給水ライン用エアリリースバルブ - 空気を取り除く

給水パイプライン内の空気: 過小評価されている危険性

どのような送水パイプラインでも、初期充填時、メンテナンス後の再起動時、または長期運用中に必ず「エアロック」の問題が発生します。-オペレーターはよく「なぜ水道管に空気が入っているのですか?」と尋ねます。表面上、パイプラインは密閉システムであるため、空気が侵入する余地がないように見えます。しかし、実際のエンジニアリングの経験から、空気はさまざまな方法で水に混入し、パイプラインの高い位置に蓄積すると一連の問題が発生することがわかっています。

 

空気はどこから来るのでしょうか? – 溶解ガスの放出

➡️「水道管内の空気の原因」を理解するには、まず基本的な物理化学的事実を認識する必要があります。水道水には完全にガスが含まれていないということです。標準大気圧 (101.3 kPa) および 20 度の下では、水 1 リットルあたり約 9 ～ 12 mg の酸素と約 15 ～ 20 mg の窒素を溶解でき、ガスの総体積は水の体積の約 2% を占めます。水がポンプの羽根車による高速撹拌、パイプ直径の変化による絞り、または局所的な高点での圧力降下を受けると、この溶解した空気が水から「脱気」し、小さな泡が形成されます。これらの小さな泡は徐々に合体し、最終的には上昇するパイプ部分の上部に大きなエアポケットを形成します。

 

➡️さらに、次の操作では大量の空気が導入される可能性があります。

• 新しいパイプまたは修理されたパイプの充填:完全に排気せずに水を直接注入すると、元の空気がシステム内に閉じ込められます。
• ポンプ吸入時のエア漏れ：吸込側が負圧になると、軸シールやフランジの隙間から外気を取り込むことができます。
• ウォーターハンマーによる負の圧力波:バルブが急速に閉じると、反射された負の圧力波によって局所的な圧力が水の飽和蒸気圧以下に低下し、水自体が蒸発して気泡が発生します (キャビテーション)。

 

空気の滞留による被害：「流量低下」をはるかに超えたもの

➡️多くのメンテナンス担当者は出口での流量の減少にのみ気づきますが、パイプライン内の空気の危険ははるかに広範囲に及びます。次のデータは、AWWA M51 マニュアルおよび複数のパイプライン インシデント分析レポートから得られています。

危険の種類	発現と定量的影響
エアロック	空気がパイプ断面積の 20% ～ 30% を占めると、流量は 40% ～ 60% 低下する可能性があります。-完全なエアロックにより、下流流量はゼロになります。
ウォーターハンマー増幅	閉じ込められた空気の弾性により圧力変動が大きくなります。現場での測定によると、1.0 MPa の定常状態の圧力は、水撃現象中に 4～6 MPa に達する可能性があり、これはダクタイル鉄管に円周方向の亀裂を引き起こすのに十分であることが示されています。
計量とポンプのエネルギー消費量	空気-水-の二相流は電磁流量計に干渉し、最大 ±15% の誤差を引き起こします。さらに、エアポケットの抵抗を克服するには、ポンプの揚程を 0.2 ～ 0.5 bar 増やす必要があり、電気代が 5% ～ 10% 増加します。
パイプ内部の腐食	酸素と二酸化炭素は気液界面で最も集中し、孔食を促進します。{0}沿岸の水道施設の統計によると、長期にわたる「水路内の空気」問題が発生したパイプ部分の腐食穿孔寿命は、通常の部分より 7～10 年短いことがわかっています。{2}}

 

効果的に空気を抜くには？ – 自動エアリリースバルブの動作原理

✔️これらの問題を解決するのが「水道用エア抜きバルブ」の設置です。では、複数の手動バルブを手動で操作せずに、「水道管から空気を取り出すにはどうすればよいでしょうか?」自動エア リリース バルブ (AWWA C512 に従って分類) は、信頼性の高いフロート操作の機械原理を使用しており、外部電源や制御信号を必要としません。{2}}

 

基本的な作業プロセス:

• 空気排出フェーズ:パイプライン内の空気はバルブ本体の下部チャンバーに入り、スペースを占めます。フロートは水によって浮力を失い、落下し、リンク機構を介して上部のオリフィス (通常、直径 1/16 インチから 1/2 インチ) が開きます。空気は、そのほとんどが排出されるまで継続的に排出されます。
• シーリングフェーズ:弁本体内に水が上昇すると、水の浮力によりフロートが上方に持ち上げられ、オリフィスを弾性シール（EPDMまたはFKM材質）で閉じて水漏れを防ぎます。シール圧力定格は通常 1.6 MPa ～ 2.5 MPa に設計されています。
• 真空保護:パイプラインが排出または破裂して負圧（例: -0.03 MPa）が発生すると、フロートは自重によって急速に低下し、外部の空気が大径の吸気ポート（コンビネーション エア バルブの場合、直径 2 インチ～6 インチ）から流入し、圧力差のバランスをとり、大気圧によるパイプの崩壊を防ぎます。

 

主要な設計パラメータと業界標準:

• オリフィス流量係数 (Cv):API RP 520 に従って計算。たとえば、差圧 0.35 bar では、1/4 インチのオリフィスの空気排出能力は約 0.2 m3/min (標準条件) です。
• 開閉差圧：AWWA C512 では、バルブが 0.07 bar 以上の差圧で正常に開き、継続的な漏れなく閉じることが要求されます。コバルブ工場でのテストでは、0.35 bar の差圧を 15 分間保持し、漏れはありません。
• フロートの材質:長時間の水没による錆びや固着を防ぐために、フロートは 316L ステンレス鋼または高密度ポリプロピレン（密度 0.92～0.95 g/cm3）で作られている必要があります。-後者は、飲料水用途におけるクロラミン腐食に対してより耐性があります。
• 体圧定格:パイプラインの設計圧力に基づいて、一般的な定格は PN10 (1.0 MPa)、PN16 (1.6 MPa)、および PN25 (2.5 MPa) です。シェルテスト圧力は定格値の1.5倍、シールテスト圧力は1.1倍です。

 

3 つの主要なタイプとその適用シナリオ

✔️ AWWA C512 および欧州規格 EN 1074-4 によると、自動エアバルブは 3 つのタイプに分類されます。

タイプ	機能特性	一般的な設置場所
シングルオリフィスエアリリースバルブ	加圧運転により溜まった微量エアを自動的に排出します。小さなオリフィス (1/2 インチ以下)。	パイプライン沿いの高い地点、フィルターや制御バルブの上流。
エア/真空バルブ	充填中に大量の空気を迅速に排出します (大きな吸気/排気オリフィス)。真空を防ぐために排水中に大量の空気が入ります。加圧運転時の微量エア抜きには適しません。	ポンプの吐出、長距離パイプラインの開始、勾配変化のポイント。-
コンビネーションエアバルブ	両方の機能を統合しています: 1 つの大きなオリフィスは急速な吸気/排気を可能にし、1 つの小さなオリフィスは圧力下での継続的な空気放出を可能にします。	最も重要なハイポイント。 DN 200 mm 以上のすべての主要な給水パイプラインに推奨されます。

➡️ほとんどの地方自治体の給水ループ ネットワークでは、コンビネーション エア バルブが最もコスト効率の高い選択肢です。-その小さなオリフィスの直径は通常 1/16 インチ～1/8 インチです。大きなオリフィスの直径はパイプラインの排水流量に基づいて計算され、通常はメインパイプの直径の 1/12 ～ 1/10 です。

 

インストールとメンテナンスの必需品 – 「インストールしたが効果がない」を回避する

適切に認定された「給水ライン用エア抜きバルブ」であっても、正しく取り付けられなかった場合は役に立たなくなる可能性があります。フィールド エンジニアは次の規則に従う必要があります。

• 厳密に垂直設置:バルブ本体の中心軸は水平面に対して垂直でなければなりません。 3度を超えるとフロートが固着してオリフィスが閉まらなくなり、水漏れの原因となります。
• 遮断サービスバルブを提供します。メインパイプラインから水を抜かずにエアバルブの取り外しと修理ができるように、フルポートのボールバルブまたはゲートバルブをエアバルブの下に取り付ける必要があります。{0}}さらに、直接の高速水の衝撃から保護するために、専用の耐衝撃遮断弁を使用することをお勧めします。-
• 乱流ゾーンを避ける:空気バルブは、より多くのガスの渦巻き込みを防ぐために、上流または下流のエルボまたはティーから少なくともパイプ直径の 5 倍（5D）の距離にあるパイプ上部の取り出しポイントに取り付ける必要があります。{0}}
• フリーズと保護:寒冷地では、エアバルブとそのライザーパイプをヒートトレーステープと断熱材で包む必要があります。昆虫や破片がシートに侵入して詰まるのを防ぐために、通気口には防虫スクリーン (ステンレス鋼メッシュ、20 ～ 40 メッシュ) を取り付ける必要があります。
• 定期検査：6 か月ごとにフロートを手動で持ち上げるか、テストコックを使用して通気機能をチェックしてください。バルブが頻繁に (たとえば、数分ごとに) 排気する場合は、パイプラインへの大量の空気の流入が継続していることを示します。ポンプの入口または上流に空気漏れがないか確認してください。

 

業界の事例紹介とデータのサポート

▶️米国水道協会 (AWWA) が 127 の水道事業体を対象とした 2009 年の調査によると、自動空気弁のないパイプラインセクションでの水-ハンマー-によるパイプ破裂の発生率は、自動空気弁が完全に装備されているセクションの 4.7 倍でした。コンビネーションエアバルブを正しく選択して設置した後、エアロックによる流量低下に関する苦情が 82% 減少し、ポンプステーションの年間平均エネルギー消費量が 7.3% 減少しました。

▶️ヨーロッパの長距離送水プロジェクト（DN1200、長さ 47 km）の別の例: ライン全体に沿って 22 個の COVALVE 組み合わせ空気弁が設置されました。-充填時間は推定 36 時間から 19 時間に短縮されました。 2年間の運転でエアロックによるポンプ停止は発生しませんでした。

 

📝結論

☑️給水パイプライン内の空気の問題は小さな問題ではなく、伝送効率、機器の寿命、運用の安全性に直接影響します。オペレーターは「なぜ水道管に空気が入っているのか」「水道管に空気が入る原因は何なのか」と疑問を持ち続けていますが、根本的な解決策は長い間明らかでした。パイプの直径、圧力定格、設置場所に応じて、AWWA C512 または EN 1074-4 規格に準拠する自動空気バルブを選択し、エンジニアリング仕様に従って厳密に垂直に設置し、適切なメンテナンスを行う必要があります。

☑️「水道管から空気を取り出す方法」をマスターするということは、事後対応の緊急修理から予防的な予防に移行することを意味します。

☑️「水管内の空気」によって問題が発生しているパイプラインの場合、多くの場合、信頼性の高いエアバルブを設置することが最も費用対効果の高い投資となります。-