關于長距離輸水工程水錘防護的相關問題研究

楊麗英

(黑龍江建筑職業技術學院，哈爾濱 150025)

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關于長距離輸水工程水錘防護的相關問題研究

楊麗英

(黑龍江建筑職業技術學院，哈爾濱 150025)

摘要：長距離輸水管道工程，因其地勢高差起伏較大，揚程較高，易發生水柱分離并造成水錘危害的問題。因此，長距離輸水管道工程的設計重點之一就是水錘防護的研究和安全防護。本文對水錘防護的相關問題進行探討和分析。

關鍵詞：長距離輸水工程；水錘保護；水錘危害

0引言

隨著經濟建設的發展，水資源短缺問題日益明顯。為了解決生活和工業用水的水源問題，近年來高揚程、大流量、長距離、地形復雜的輸水管線工程日益增多。為了保護此類工程的安全性，如何優化工程設計，保障長距離輸水管線系統的安全運行，免遭水錘破壞，成為工程設計中非常重要的問題。

1水錘的形成及分類

1.1水錘

水錘是指在壓力管道中由于液體流速的急劇變化(水泵驟停、閥門突然關閉等原因所致)，造成管道中液體壓力顯著、反復、迅速地變化，由于液體的壓縮性和管道的彈性引起的輸水系統中的壓力波動。

1.2水錘的分類

從不同的角度劃分，水錘可分為以下幾種 ：

(1)按關閥歷時和水錘相的關系，分為直接水錘和間接水錘。對于管長為L，水錘波速為a的管道系統，閥門關閉時間Tc﹤水錘相Tr(Tr=2L/a)為直接水錘 ；閥門關閉時間Tc﹥水錘相Tr(Tr=2L/a)為間接水錘。在水泵站中所發生的水錘通常是間接水錘，其過程比較復雜。

(2)按外部成因，可分為啟動水錘、關閥水錘和停泵水錘三種。啟動水錘常在管道首次或檢修放空等空管或非滿管情況下啟動充水，而閥門開啟過快、管路排氣不暢時發生；關閥水錘是關閉閥門過程中發生的水錘現象；停泵水錘是由于水泵機組突然斷電而造成開閥停車時，泵站及管路系統中所發生的水錘現象。

(3)按水錘波動的現象，分為水柱連續的水錘現象和伴有水柱分離的水錘現象。管路內壓力下降到液體的汽化壓力，局部液體汽化，在管內產生蒸汽穴，受管道的幾何形狀和速度梯度的影響，氣穴可能會變得很大，以致充滿管道整個截面，這一現象稱為液體分離或水柱分離。

2影響水錘的主要因素

2.1管道流速

管道流速越低，水流慣性越小，速度的微分變化率就越低，從而降低水錘升壓和降壓，對于防止水錘發生越有利。流量相同時，管徑越大，流速越低，但投資費用越高。長距離輸水管道系統，管徑應從投資成本及運營成本兩方面綜合考慮，一般需要設置水錘防護設備。

2.2管道平、縱布置

通常管道的縱向布置需要與現狀地面高程相匹配。在管道系統中較高的節點是容易產生負壓甚至由于壓力降低使管道內的水汽化形成水柱分離，當水柱再次彌合時會產生很大的水壓沖擊，造成嚴重危害。所以對于管道系統，最理想的情況是通過改變管道平、縱布置，可以避免管道內空氣的積累或形成負壓。

2.3管道固定方式

架空管道比埋地管道更容易受到水錘破壞，這是因為埋地管道的管道基礎及覆土為其提供了額外的力量以阻止管道的變形和管道的結構性毀壞。而架空管道則必須加固，才能抵抗本身存在的和水力瞬變產生的應力。

3工程上常用的防護措施

3.1空氣閥

長距離輸水管道在開始通水、停止通水、流量調節及事故停泵的不同工況下，需要將管內空氣排出或者將管外空氣補充至管內，保證管道系統壓力穩定。就空氣閥的不同作用來看，空氣閥主要分為以下幾類：

(1)空氣閥是在低壓下運行，大量進氣或者排氣的閥門。這種閥門的特點是進排氣孔大，一般與閥門公稱直徑相同或者略小，但當系統有壓運行時，保持關閉狀態。

(2)排氣閥是在管道系統有壓運行時，自動排放管道沿線某些較高位置聚集的小團空氣的流體力學設備。排氣不暢會造成通水困難、水阻增大、流量達不到設計值甚至造成運行期間爆管。因此，排除管道系統有壓運行中產生的微量氣體至關重要，排氣閥就是要解決這個問題的。

(3)組合式空氣閥既能夠完成低壓進排氣的功能，又可以在有壓工況時將少量的析出氣體排出，兼具空氣閥門和排氣閥兩種功能。

3.2增大水泵機組轉動慣量

水泵機組轉子的轉動慣量越大，其轉子的角向加速度就越小，即機組轉速降低的速率越慢，轉速下降速率就越小，使機組的正常水泵工況歷時延長。機組事故停泵后，水泵繼續在慣性作用下以緩慢降低的速率繼續向管路系統中供水，減小了管路中發生水柱分離的危險性，避免了水壓和水流速度的急劇降低，能夠有效地降低停泵水錘的危害。

3.3安全泄壓閥

安全泄壓閥一般設置在水泵附近，是否需要設置超壓泄壓閥以及在何處設置超壓泄壓閥，需經計算機模擬分析計算后才能做出決定。超壓泄壓閥的公稱直徑宜為主管道直徑的1/5～1/4，或經水力計算確定。超壓泄壓閥的主要作用是當管道中發生水力瞬變流，某點的壓力過高時，在此點的超壓泄壓閥自動打開，泄流掉一定流量，維持管道在此點的壓力，保持管道在此點的壓力；當壓力降到安全值后，泄壓閥再自動關閉。

4結論

通過上述對影響水錘發生諸多因素的深入分析，可以獲知，在工程設計中可以通過對設計流速的合理控制、管道平縱走線的優化布置、管材的合理選擇等優化設計，從源頭來降低甚至避免發生水錘危害。并且介紹了一些常用的防護水錘設備及操作方法，可以作為設計時的參考。

參考文獻：

[1]金錐，姜乃昌，汪興華，等．停泵水錘及其防護(第2版)[M]．北京:中國建筑工業出版社，2004．

[2]楊玉思，徐艷艷，羨巨智．長距離高揚程多起伏輸水管道水錘防護的研究[J]．給水排水，2009，35(4):108-111．

[3]E B懷利，V L斯特里特．瞬變流[M]．清華大學流體傳動與控制教研組，譯．北京:水力電力出版社，1983．

(編輯趙欣宇)

Study of Related Issues of Water Hammer Protection of Long Distance Water Delivery Project

YANG Liying

(Heilongjiang College of Construction, Harbin 150025, China)

Abstract：Because of the ups and downs of the terrain height, and high lift of long distance pipeline for water delivery project, water column separation and the harm of water hammer occurred. Therefore, one of the key points of the design of long distance water pipeline project is the research and safety protection of water hammer protection. In this paper, the related issues of water hammer protection are discussed and analyzed.

Keywords：long distance water delivery project; water hammer protection; water hammer damage

中圖分類號：G712

文獻標識碼：B文章編碼：1672-0601(2016)04-0095-02

作者簡介：楊麗英(1972-)，女。本科，副教授。主要研究方向：給排水。

基金項目：本論文為黑龍江省教育廳高職高專院校科學技術研究項目，項目編號：12535046。

收稿日期：2015-12-18