長距離多起伏輸水管道水錘防護

莊文建

摘要：隨著社會的發展，城市化進程在逐步加快，人們的生活水平也越來越高，為了滿足社會生活與生產的需要，長距離大型輸水工程越來越受到人們的關注。在長距離輸水管線中，多起伏輸水管道水錘防護是其中的關鍵，并且多起伏輸水管道水錘防護對于輸水工程建設有重要的意義。本文重點對長距離多起伏輸水管道水錘防護作了分析，并且結合輸水系統的實際情況與發展特點，提出了一些科學、合理的水錘防護措施，促進輸水工程建設的快速發展。

關鍵詞：長距離；多起伏輸水管道；水錘防護

社會城市化進程的加快，促進了輸水工程建設的發展，在輸水工程建設中，需要重點關注的就是多起伏輸水管道水錘防護問題。長距離大型輸水工程的建設要求是比較高的，在實際操作中會遇到工程爆管問題，為工程建設帶來了安全問題。在輸水過程中，長距離有壓輸水管道中比較容易發生水柱分離與斷流彌合水錘現象，對輸水管道所造成的損害比較嚴重。因此，對于長距離多起伏輸水管道水錘防護的研究具有重要意義。

1 水錘現象概述

1.1 水錘的基本概念及分類

水錘現象主要指的是由于壓力管路中流速的劇烈變化引起動量轉換，此時就會在管道中形成一系列急驟地壓力交替升降的水力撞擊現象。水錘是一種受流速、加速度、動力壓強等因素影響的水力瞬變過程。水錘現象的產生穩定性不強，并且隨著空間位置和時間的變化而變化，沒有恒定流動狀態。現在，我國將水錘現象統括稱為“泵站管路系統水力過渡過程”，由此可見水錘狀態的特點，在從某一穩定狀態過渡到另一個穩定狀態的過程中，會出現很多不穩定的現象。

水錘的種類有很多，不同的劃分角度，有不同的分類。第一，根據關閥所用的時間與水錘相的關系，可以分為直接水錘與間接水錘。第二，影響水錘形成的外部條件是不相同的，根據這個劃分標準，可以將水錘分為啟動水錘、關閥水錘和停泵水錘三種。第三，水力是水錘現象中的一個關鍵因素，根據水力的特性，將水錘分為剛性水錘和彈性水錘。水錘現象的產生會造成水錘波動的現象不同，有水柱連續的水錘現象和伴有水柱分離的水錘現象兩種。

1.2 水錘的危害

水錘現象的產生對輸水工程有很大的影響，水錘持續的時間比較短，但是卻會造成很嚴重的事故，給工程帶來巨大的損失，同時也降低了工程的安全性。而且，在水力過渡過程中，很容易造成管路水柱分離和斷流空腔再彌合水錘現象的出現，不僅對輸水管道造成嚴重的損壞，對于工程也會有很大的損失。在輸水的過程中，許多操作上的失誤都會產生水錘現象，對整個輸水工程都造成嚴重的破壞。由于我國輸水工程建設地形的特殊性，水錘事故現象的發生是比較常見的，而且尤其是對于高差起伏較大的西北、西南地區。水錘事故對于工程的影響，事故情況輕點會造成水管爆裂，影響輸水工作的正常進行，嚴重的水錘事故會導致泵站被淹毀。而且水錘事故不僅會對輸水工程造成影響，在一定程度上還會損壞鐵路路基與設備，也會對人的生命安全造成很大的威脅。

停泵水錘在火電廠循環系統中的影響十分嚴重，會對火電廠的最低、最高壓力、最大倒流量等參數在一定程度上造成影響。如果停泵水錘在火電循環系統中的應用存在不合理的現象，那么不僅會造成嚴重的浪費現象，同時也會對設備造成損壞。

2 長距離多起伏輸水管道水錘防護的意義

水一直是人們生活與生產中不可缺少的一部分，是人們賴以生存的重要資源。隨著社會城市化進程的加快，生產上對于水的需求量在逐漸增大，并且水資源對于工業生產與經濟的發展也發揮著很大的作用。

隨著我國人口的快速增長與社會的快速發展，水資源的供求出現了新的發展問題。在一方面，水的供求量不能滿足社會發展的需求，水資源嚴重短缺。另一方面，北方地區與沿海工業發達地區的水資源嚴重分配不均，同時也造成發展的不均衡，制約了社會的整體發展。而且，在經濟發展過程中，人們一昧追求經濟效益而忽視了環境的可持續發展，環境的惡化對水資源也造成了嚴重的污染。水資源對于社會的發展有很重要的影響，國家也大力發展長距離輸水工程的建設，可是工程建設技術的發展并不成熟，在輸水過程中總是會出現水錘事故，不僅對工程造成嚴重的破壞，而且存在著很大的安全隱患，更不利于我國經濟的發展。

我國的陸地面積比較大，而且地形也比較復雜，尤其是沿線地形起伏點多，為長距離輸水工程的建設帶來了困難。近些年來，水泵機組轉動慣量減小，并不能滿足工作的需要，在輸水過程中，當發生停泵水錘時，往往會對整個泵系統造成影響，使得水壓猛降，從而導致管路中水柱分離現象的產生，更嚴重的引起斷流空腔再彌合水錘的產生。在輸水工程建設中，對于長距離輸水管道建設的要求是比較高的，一般這種管道系統比較復雜，而且壓力較高，所以，對于長距離多起伏輸水管道水錘防護工作的開展，需要結合各個方面進行，同時對輸水管道采取綜合防護。在目前長距離多起伏輸水管道的建設中，忽略了地形差的不同，從而在水錘防護工作中存在一些缺陷。對于長距離多起伏輸水管道水錘防護工作的研究具有很大的現實意義，所以，必須加強對其的重視。

3 長距離多起伏輸水管道的水錘防護措施

在長距離的輸水管道中，最易發生管路中水柱分離現象，從而對水錘造成嚴重的損壞。所以，在實際操作過程中，必須結合實際，制定科學合理的長距離多起伏輸水管道的水錘防護措施，保證輸水工作的正常進行。水錘防護大致分為四種類型，一是通過補水或緩沖的方式達到穩壓的效果，從而對系統內的水錘壓力可以進行合理的控制，避免由于真空而造成的壓強過高現象。第二個是對閥門種類與關閉閥門時間長短的控制，閥門的關閉與開啟過程都會對輸水干管中流速的變化率造成影響，利用閥門種類與關閉時長就可以對水錘壓力進行調節與控制。第三是當輸水管中的壓強增高時，容易對輸水管道造成破壞，此時就可以通過泄水的方式，實現降壓。第四是在較長的輸水管中增設止回閥，也可以達到降壓的效果。

3.1 調壓塔

調壓塔主要是通過補水的方式來達到穩壓的效果。調壓塔一般分為單向調壓塔、雙向調壓塔。雙向調壓塔還有簡單雙向調壓塔與箱式雙向調壓塔之分。

單向調壓塔由水箱、止回閥、注水管和單向調壓塔容器中充水的滿水管組成，可以有效防止管路內水柱分離現象的產生，并且對斷流彌合水錘也有一定的消減作用。單向調壓塔在輸水過程中是單向的，只允許塔中水流入主干管，而不允許其回流。單向調壓塔的安裝工作的進行，可以大大降低高度，而且對于水箱容積的要求也不高，在一定程度上可以節約安裝成本。在單向調壓塔的作用下，管道內處于負壓時，可以保持注水的連續性，防止水柱拉斷現象的產生。單向調壓塔的設置受位置、容積、注水流量、水位標高等因素的影響，在實際的設置過程中，一定要注意這些影響因素的合理性，保證將其對單向調壓塔功能的影響降到最低，使單向調壓塔最大程度的發揮其作用，加強對長距離多起伏輸水管道水錘的防護。在單向調壓塔設置的過程中，還要重點注意環境問題，北方的冬季是比較寒冷的，要加強水箱的防凍工作，可以通過將水箱排空來減少寒冷環境對設備的損壞，造成經濟損失，同時也影響工作的正常進行。

雙向調壓塔相較于單向調壓塔，具有注水與泄水緩沖式的水錘防護設備，對輸水管道水錘進行深層次的防護。當管道中的壓力降低時，此時雙向調壓塔就會發揮注水功能，通過向管道補水來增高管道中的壓力，防止由于真空等原因而造成的水柱分離現象。相對的，當管道內的壓力升高時，雙向調壓塔可以通過泄水的方式，從而降低管道內的壓力，起到緩沖水錘升壓的作用。雙向調壓塔的結構是相對比較簡單的，同時雙向調壓塔對于輸水管道水錘防護工作的進行也比較可靠。但是，雙向調壓塔的建設成本比較高，建設工程難度也比較大，在實際操作中沒有得到廣泛應用。雙向調壓塔受位置、斷面面積、高度、容量等因素的影響。在雙向調壓塔的建設過程中，要將其設置在可能產生負壓的管道附近，并且還需要有足夠的斷面面積來保持塔內水位波動的穩定，降低水位波動所帶來的影響。雙向調壓塔為了防止調壓過程中溢流現象的產生，需要有足夠的高度。為了在管內壓強較低時，給水系統補水工作的正常的進行，需要在調壓塔內有足夠的容量，可以很好的限制空氣所造成的影響。

相較于單向調壓塔和簡單雙向調壓塔，還有一種箱式雙向調壓塔，在箱式雙向調壓塔中有活塞，活塞對于管內壓力的調節起了很大的作用。在箱式雙向調壓塔的工作過程中，首先需要進行壓力的設計，當管道內產生水錘時，這時候管道內的壓力會大于最大正常運行設計壓力，此時在壓力的作用下，活塞就會運動，從而實現對壓力平衡的調節。而當管道壓力正常時，此時活塞就會封住閥座從而不使管內水外流。箱式雙向調壓塔對于活塞的應用是比較靈活的，而且在調節上比較直接，對于管道內壓力問題的出現，可以進行及時處理，而且在很大程度上也提高了輸水運行的穩定性與安全性。箱式雙向調壓塔對于問題的解決比較靈活快捷，對長距離多起伏輸水管道水錘防護工作的進行有很好的效果。為了使箱式雙向調壓塔有更好的輸水管道水錘防護效果，可以結合系統水錘防護計算進行選用，并且也可以在箱式調壓塔中附設特別注水箱，可以提高注水量，保證長距離輸水工作的高效進行。

3.2 注排氣閥

注排氣閥是一種較為特殊閥門，一般裝設在管線凸起部分，可以防止停泵水錘過程中產生負壓。注排氣閥有吸氣與排氣的功能，當管道內壓力較低時，可以通過吸入空氣來增大管道的壓力，同時當管道內壓力較高時，注排氣閥可以通過排出空氣來降低管道內的壓力，需要注意的是這種注排氣閥是不允許水瀉入大氣的。

注空氣閥是注排氣閥的一種，這種閥只允許空氣的進入，不能實現空氣的排出，對于吸入的空氣會在管道內形成空氣腔，可以對管內水錘升壓起到緩沖和消減的作用，從而實現對管內壓力的控制。但是這種注空氣閥的工作模式，也會帶來新的問題，對于這種注空氣閥只吸入空氣而沒有排氣功能，為后期多余空氣的排放工作帶來困難，在一定程度上增大了工作量，而且如果處理不當，也會造成水錘的損壞。

恒速緩沖排氣閥是對浮筒與浮筒桿的靈活結合，浮筒與浮筒桿的工作受管道內壓力大小的影響，并且浮筒桿對排氣閥大排氣口的啟閉有著控制作用，當管內的壓力大小變化時，大排氣口的開啟是隨著壓力的變化自動進行的，這種自動化的工作原理，為工作的進行帶來了極大的便利，同時對于管內壓力異常的問題可以及時得到解決，有效的保證了管道水錘的安全性，在一定程度上提高了輸水效率。

在目前的市場上，浮球式排氣閥的應用是比較廣泛的，工作原理與其它的注排氣閥相差不大，但是在性能方面有很大的提高，在輸水管道內壓力的調節方面有著重要的作用。但是，浮球式排氣閥也存在著很多的不足，首先浮球是相對于比較輕的，而且輸水管道的坡度并不大，當第一段的排氣結束后，浮球就會被水托起，很難就行第二次排氣，從而使排氣的進行并不連續。

3.3 超壓泄壓閥

當管道內水力瞬變時，此時就會造成管道內壓力的變化，當管內的壓力過高時，超壓泄就會打開，發揮其泄壓作用，降低管道內的壓力，當管道內壓力有效降低后并且恢復正常后，泄壓閥會自動關閉，對于長距離多起伏輸水管道水錘防護工作的進行起了很大的作用。

3.4 其他水錘防護措施

空氣罐是一種有著一定量壓縮空氣的金屬水罐裝置，這種裝置在輸水管道水錘防護工作中的功能是有限的，一般不適用于大管徑的管路，所以對空氣罐的應用并不廣泛。

在長距離的輸水管道中，還可以將長距離的輸水管道分為一小段一小段，并且在每一小段上增設止回閥。這種將長距離多起伏輸水管道分為一小段的管道，可以消減每段管道的壓力，從而降低對輸水管道壓力的影響，而且也在一定程度上對長距離多起伏輸水管道水錘起到很好的防護作用。但是，這種多個止回閥的增設，增加了工作量，而且提高了供水的成本。而且對個環節，對每個工作系統，增加了正常運行時水泵電耗。

4 總結

隨著社會的發展，人們生活水平的提高，對于水需求量的增大，促進了輸水工程建設的發展。在輸水工程建設中，最重要的就是長距離多起伏輸水管道水錘防護工作。在實際的輸水工作運行中，管道內的壓力是受很多因素影響的，必須結合實際情況，對這些因素進行合理的分析，并且制定科學、合理的解決方案，同時也可以在建設中加入計算機技術，實現技術的綜合發展與應用。長距離多起伏輸水管道水錘防護工作的有效進行，提高輸水工程建設的安全性，促進我國經濟的發展。

參考文獻：

[1]董茹，楊玉思，葛光環，等.長距離加壓輸水工程停泵水錘防護方案對比研究[J].給水排水，2016，42（3）：119121.

[2]李小周，朱滿林，解建倉，等.不同型式空氣閥的水錘防護效果研究[J].西安理工大學學報，2015，（3）：316321.