噴泉離心泵水錘技術風險與控制

田春梅天津大德環境工程有限公司

噴泉離心泵水錘技術風險與控制

田春梅
天津大德環境工程有限公司

摘要：本文主要對噴泉離心泵水錘現象進行理論上的簡析,從不同角度對水錘進行分類,論述水錘發生原理。在此基礎上，結合實際案例更加直觀的展示了水錘現象產生的原因及發生過程，并通過一些實例分析提出風險應對策略，從而盡量減少水錘現象發生并降低危害性。

關鍵詞：水錘現象；風險；應對策略

有壓管道非恒定流問題，也就是水擊問題，而壓力管道系統的水錘現象就是這種典型現象。水擊現象中交替升降的壓強升高，可以達到管道恒定流的壓強的幾十倍甚至是數百倍。水擊的危害非常大，還有可能導致管道內出現負壓，使其劇烈振動，引起強大噪音，使閥門遭到破壞，管件的接口處破裂，從而使管壁爆裂或者產生嚴重變形的現象，最終導致爆炸事故的發生。

一、水錘原理簡析

所謂水錘即水擊現象，就是水或者是其他液體在壓力管道輸送過程中，由于一些突發的意外事件引起管道內水體流速發生改變，從而引起動量交換，致使水體的動量發生急劇變化，急劇沖擊管壁、水泵以及閥門等附件，在水體慣性和可壓縮性、管壁彈性以及系統阻力作用下，管道內水的壓力和密度不斷交替變化，直至穩定的這一過渡過程的狀態。

1.水錘現象

在泵系統中，由于輸送距離較長、揚程高、閘閥的開啟及關閉、泵的啟動及停機等原因，使管道中的水流流速突然發生變化，導致壓力急劇升高或降低，并以波的形式沿著管道不停地來回傳播和反射，這個水力過程又稱為過渡過程，這一狀態就是水錘現象。因為水流突然發生急劇變化，所以對泵的部件和管壁產生很大的沖擊力，必然會損壞附件，使管道發生破裂，以致引起事故的發生，從而導致泵站不能繼續安全的運行。

在水錘現象發生時交替升降的壓強的作用下，我們要考慮到液體的壓縮性以及管壁的彈性。其物理原因主要是液體本身所具備的兩種屬性，即慣性和壓縮性。液體的慣性就是液體本身有著自身的運動速度，保持著穩定的運動狀態，而流動速度一旦驟變，就會使液體受到壓縮或發生膨脹現象，從而導致壓強也發生巨大變化；同理，如果液體的兩側突然受到外力的影響而發生巨變，那么液體流動的速度也會隨之發生急劇變化。就一般情況來看，輸水管道系統中過渡過程發生意外變化的原因有以下幾種：泵的啟動與停止、機組轉速發生變化或運行的不穩定、動力方面發生問題；泵或管道系統中有空氣進入，泵內發生回流，液壓伺服閥的開啟與關閉、線路的分流和集流等等。而由動力故障所引起的水錘現象最為嚴重。

2.水錘的種類

根據不同的劃分角度，水錘可以分為不同的種類：

（1）從關閥歷時和水錘相位的關系來看，可以分為直接水錘和間接水錘。水泵站中所發生的水錘現象通常屬于間接水錘，其過程相對而言比較繁瑣。

（2）按照水錘特性來分，分為剛性水錘理論和彈性水錘理論。剛性水錘理論計算比較容易，計算結果偏大；而彈性水錘理論計算雖然繁瑣但是結果更貼近實際情況。

為了減少意外事件的發生，相關研究專家要能夠牢固的掌握泵站水錘水力學機理及其技術，在此基礎上認真鉆研泵站水錘的計算方法并學以致用，及時有效地將研究成果應用于實際工程中。

3.水錘現象發生的原理

壓力管道中水錘現象形成原理可以描述如下：受某些外因的影響，管道內的液體的流量或者流速突然發生變化，因為液體本身流動有一定的慣性，所以管道內壓強會發生急劇上升或下降，液體的壓縮性和管壁的彈性又使波動在管道中急劇往返波動。水錘現象在管道內發生時，壓力會升高，水錘以波的形式在管道內迅速傳遞，使管道發生強烈振動并形成噪音。

三、設計實例分析

1.案例背景

2007年Kangwonland大型噴泉工程，應用大功率離心泵集中供水方式的結構形式，實現多種水形不同開啟狀態組合，Kang?wonland大型噴泉工程，應客戶要求根據國際標準和當地國家標準規定，在距噴泉30m湖岸處設置離心泵房，共使用5臺大功率離心泵（75KW以上）控制40余種水形，每臺離心泵供水管系中，配置不同規格型號液壓伺服閥以控制多種水形組合造型表演。就目前國內噴泉行業大型工程項目中，使用離心泵控制多種水形表演的基礎數據很少;在該項目中的水形調試過程中，要求平均每臺離心泵通過20-30個不同規格液壓伺服閥的控制，實現7-8種水形不同組合變化。發現某些供水系統的管路存在有嚴重的“水錘”現象。與預埋主管路連接的泵房墻體出現晃動，情況危急，后果不堪設想。這個問題引起我公司高度重視，并組織有關人員立即著手研究、解決這個問題。公司啟動應對風險措施體系。由技術總工及項目運營總監組成技術風險應對小組，經施工現場人員配合試驗，提供第一手數據，晝夜奮戰，剖析原因，找出癥結，解決問題，指導現場施工項目經理為首的技術團隊，在保證工期情況下，最終解決了大功率離心泵控制多種不同規格液壓伺服閥引起的水錘現象，其噴泉效果受到當地民眾的好評。

2.理論計算

一般簡單管路中由于閥門關閉所引起的水壓壓強計算舉例如下：設管路如下圖所示

當閥門逐漸關閉時間接水壓強度最大值計算---公式說明

式中：式中△H：直接水壓壓強增高值。

V：關閥后發生水壓時管中流速。

v0：關閥前管內流速。

C：水壓波速。

E：液體的彈性模量。

E0：管壁的彈性模量。假如液體為水，管子為一般鋼管E/E0≈0.01

D：管子內徑。

C0：液體中聲波的傳遞速度C0=1435m/s(100C,1～25大氣壓)

δ：管子壁厚

②當閥門逐漸關閉時間接水壓強度最大值計算：

水壓波傳播周期：Tw=2L/c

閥門逐漸關閉時的間接水壓壓強計算，即關閥時間Ts＞Tw=2L/c時的間接水壓壓強計算,用以延長關閉時間，若能使關閉閥門的時間Ts＞Tw=0.98s

如設閥門關閉時間Ts=3s＞Tw=0.98s

當閥門逐漸關閉時間接水壓強度最大值計算---公式說明

式中：△H：間接水壓壓強增高值。

L：管路長度。

g：重力加速度，g=9.81m/s2

Ts：閥門關閉的時間。

Tw：水壓波傳播周期。

③閥門突然全部關閉時直接水壓壓強最大值與閥門逐漸關閉時間接水壓強度最大值計算——對比

閥門突然全部關閉時直接水壓壓強最大值：△H=19.7kgf/cm2；閥門逐漸關閉時間接水壓強度最大值計算：如設閥門關閉時間Ts=3s＞Tw=0.98s情況下

△H=0.64kgf/cm2

一般說來，可以從延長關閉閥門的時間，可以避免直接水擊的發生。

3.應對策略

Kangwonland噴泉中由于諸多液壓伺服閥同時快速關閉在管路中引起巨大水壓現象消除方法：

該噴泉管路為復雜管路系統（同一管路系統中存在不同管徑管子的串聯、并聯、匯流、分叉等）在管路中存在多路水壓壓力波疊加的問題，閥門不是一個而是一組數量巨大的并以某種形式分布的液壓伺服閥，液壓伺服閥關閉的程序復雜多變，所以極難準確的計算出管路中一個確定的水壓壓強值。此外，泵的特性、管路的固定方式、管系的激振頻率、管路的高低變化等因素都會影響管中水壓強度的數值，大大增加了計算的復雜性。但不管怎樣上述第一部分所闡述的簡單管路中閥門關閉情況對水壓強度影響的比較仍可從理性上起到根本性的指導作用。

首選方式為在不影響噴泉表演視覺效果前提下進行合理的編程，使液壓伺服閥實現優化的關閉程序，延長各噴泉系統中液壓伺服閥組的全程關閉時間使管系中水壓陡增（水錘）現象盡量減少。其次在管路的適當位置配置調壓裝置，設置儀表等監控措施。使水壓陡增（水錘）現象進一步減緩，水壓裝置中的充氣壓力根據現場情況進行試驗調定。在管路的適當位置配置調壓裝置，設置儀表等監控措施。使水壓陡增（水錘）現象進一步減緩，水壓裝置中的充氣壓力根據現場情況進行試驗調定。

四、結論

壓力管道系統的水錘現象是難以避免的，水錘的危害性很大，為此在設計上考慮水錘作用的影響是很有必要的。另外，很多事故是由于現場水泵或閥門操作不當造成的，因此管理、操作人員要嚴格執行操作規程，力求將水錘發生的頻率和水錘所造成的損失降至最低。

參考文獻：

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