淺談輸水管線水錘防護

摘要：長距離輸水管道水錘現象經常發生，合理分析水錘產生的原因，確定水錘防護方案，是長距離輸水工程設計的重要環節。

關鍵詞：水錘排氣量進氣量防護

1 水錘的產生

在壓力管道中因流速劇烈變化，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水利撞擊現象稱為水錘現象。水錘計算公式：#8710;H=#8710;V*C/g；其中：#8710;H ：表示壓力升高；#8710;V ：表示水流速度的變化率；C：表示水錘波的波速；g：表示重力加速度。上述公式基本上解釋了水錘，即壓力波，產生的原因和影響其大小的因素。水流速度的突然變化，即是產生水錘的根本原因。只要水的流速發生變化，系統壓力必然發生變化。根據上述的計算公式，我們可以簡潔地得到如下的結論：減緩水在系統中的流速變化，降低機械波的傳遞速度。系統中因事故工況而產生的壓力變化就會減弱，水錘就可以得到控制。

2 水錘分類

在供水系統中，工程人員常遇到的水錘工況是所謂“停泵水錘”。可能出現的工況為：試運行時，單泵運行關停水泵引起壓力波動；正常運行時，人為事故停泵，單泵或多泵。系統突然掉電。由于水泵的突然關停，水泵之后的管道內，會出現壓力下降。水錘波會快速向水流相同的方向傳遞。到達終點后(或終點閥門，或者水池，或者管網)水錘波會返回，返回的壓力波會使水泵后管道的壓力升高。壓力波遇到止回閥的阻擋后，會繼續返回，在管道中進行阻尼震蕩，慢慢平穩在靜水壓線上。如果，在開始的壓力下降中，壓力下降至負10米左右時，水會出現冷沸的現象。在實際當中，我們看似水斷流了，水柱被拉斷。當壓力波返回時，該管段處的水由氣迅速轉變成液態水，壓力會集聚升高，便是常說的水柱彌合現象。這樣的水錘在實際當中破壞性大，被稱為“非常水錘”。

3 水錘計算

3.1 關于空管充水排氣量的計算

首先，空管充水的流速應當得到控制， 否則會產生正向水錘，可能威脅管道的安全。其次，空管充水不能單單依靠空氣閥來 控制，而是水泵控制，管線隔離閥門等各種運行方式的綜合作用。在控制充水速度的同時，利用簡單的公式，可以通過計算出閥門的位置以及口徑。

3.2 正常排氣量的復核

正常有壓水流的狀態中，氣泡有的是游離狀，氣泡不明顯，不凝聚，隨水流流動；有的是形成較大，較明鮮的氣泡，且隨時凝聚或離散，隨水流流動；再有，便是一段水，一段氣的流動，這種工況存在時間短，屬較為極端的工況。氣泡的形態主要取決于管道內流速以及管道的粗糙系數。氣泡能夠移動的臨界流速為：

其中：Vc：臨界流速；θ：為管線坡度；g：重力加速度；D：為管線直徑。

如果水流的速度大于臨界流速，則在這一段管線內空氣泡不會滯留，會被水流帶走，因此在管線中間或兩個臨近的高點可以不全設空氣閥。反之，則應當在管線中間或兩個臨近的高點設置空氣閥。同時，水流速越接近臨界流速，氣泡可能越不離散，而越是明鮮。

3.3 爆管進氣量復核

進氣量復核：

其中： Qburst——爆管所需補充流量；S——管線坡度；D——管徑；C——Hazen-Welliams 參數；

3.4 泄水進氣量復核

其中：Qdrainage：泄水進氣量；Cd：泄水流量系數；g：重力加速度；#8710;h：高點與泄放點高差；D：管道直徑；

4 水錘防護

以上四種計算綜合的復核，加之全部水力學計算，可以得到相關的空氣閥選型以及位置的結論。此外，如上所述，經驗的分析也十分的重要。比如：理論計算上可能會出現多種不同形式的閥門，應實踐要求需要統籌考慮，減少閥門的品種，減少工程中可能出現的繁亂。實際應用當中，閥門作為主要的解決方法，是較為經濟和可靠的。工程中常用以下幾種閥門來解決和預防水錘問題。緩閉式止回閥，主要機理是，將一部分的水分流過去，以減少水流的速度變化率。理想狀況下，如果沒有止回閥，返回的水壓力則不會受到阻擋，水的壓力升高也不會大。但是實際工況中，水泵往往不能接受這樣的沖擊。因此，人們除了選擇止回閥以外，也應用一些如空氣罐、調壓塔等措施，作為彈性體來減緩水錘的效能。在水泵之后選擇水泵控制閥，該種閥門一般與水泵進行較為簡單的開啟和關閉的過程控制，由PLC或專用水泵控制閥專供的控制盒完成。在水泵開啟時，閥門緩開起到背壓啟動的目的，使得水泵啟動安全。甚至可以調節閥門開啟的設定壓力，如規定閥門在3bar時打開等。在水泵關閉時，可以實現主動關閉，即閥門先行關閉，至完全關閉或者關閉至97%等設定點時，水泵開始關閉，減小流速的變化率，阻止水錘的發生。所以水泵控制閥可以解決由于關泵不當而產生的水錘。壓力波動預止閥，是一種在正常工作情下保持常閉，而在事故工況時打開的事故型閥門。主要原理是，讓返回的水錘波順暢地沒有阻擋地排放，以至消除水錘。該種閥門的最主要特點是在管道內首次出現壓力下降時便會打開。這與在高壓出現時打開的安全閥不同，能夠保證及時泄壓。因為在水錘高峰值到來時的速度太快，時間太短，安全閥沒有足夠的時間打開。水錘解決方案一定是綜合的方案。正如上述的水泵控制閥，能夠解決正常水泵關停時產生的壓力波動，不能防止因事故停電而的產生的水錘。壓力波動預止閥則僅能在一定工況下保護水泵房以及附近的管線不受水錘的破壞，但不能防止遠在長途的全部管線。防水錘型空氣閥則是近些年來越來越多代替單向進水罐，空氣罐以及調壓塔等設施的簡單工具。原理是，當水柱分離時，保證大量氣體的進入，防止管道內出現負壓至使管線被壓壞。而在水柱彌合時，則防止管內空氣的迅速排放，形成一個可以壓縮的空氣囊，由于機械波在空氣中的傳波很慢(340m/s)，空氣囊的存在又使得水流速度變化率下降，所以會有效地減緩水錘。當然在正常工況下，防水錘型空氣閥起到正常空氣閥的作用。在空管充中和在管道排空的工況中，起到低壓進排氣的作用。在管道有壓的工況下，可以進行高壓微量排氣。

5 結論

可見，輸水管線水錘的防護，應根據工程具體情況，分析產生水錘的原因，水錘形式，制定水錘防護方案。

參考文獻

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