長距離重力輸水管道關閥水錘防護措施總結

陳小龍 李 強 楊 強 王 玨 邢紅鎮 陳世洋

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410007）

1 背景

隨著我國經濟和工業的快速發展，人們對水的需求與日俱增，為解決日趨尖銳的用水供需矛盾，長距離管道輸水工程受到人們越來越多的重視。但是由于輸水管道中非穩態下水流變化的不確定性，長距離輸水管道工程存在很大的安全隱患，其中水錘是最常見也是危害最大的隱患。因此，為了保證在長距離輸水系統工程中安全運行，避免系統中發生劇烈的瞬變流現象而導致嚴重水錘事故，采取經濟合理、安全可靠的水錘防護措施變得非常重要，實際工程也急需這方面的技術。

2 長距離重力輸水管道系統的特點

在長距離輸水工程中，在條件允許的情況下，經常利用天然地形高差依靠重力輸水。重力流輸水從水力學角度上一般分為兩大類：無壓流明渠輸水和承壓流管道輸水。無壓流明渠輸水在流態上和天然江河、明溝一般，水流由高向低流，由于水流沒有壓力，水流坡度與地形坡度相等。重力承壓流管道輸水在流態上與天然河流、明溝不一樣，與水泵加壓的管道輸水也不同。重力承壓流管道輸水（以下簡稱重力輸水） 是一種非常理想的輸水方式，具有節能、省電、投資節約、運行成本低和管理維護簡單等優點，此外它還具有以下特點：

（1） 重力輸水受地形的約束較大，只有當地形滿足一定的高差，且地貌情況也比較好的情況才考慮采用重力輸水；

（2） 重力輸水管道一般在輸水管道末端或低點承受較高靜壓，容易發生水錘爆管事故；

（3） 重力輸水流量和水壓的調節幅度較小，水位高差是輸水的動力來源，當取水口位置、廠址標高、輸水管道管長及管徑確定之后，水位高差也確定了。

3 長距離輸水管道水錘防護要求及目標

《城鎮供水長距離輸水（渠） 工程技術規程》 CECS 193-2005 第6.1 條對長距離輸水管道水錘防護有以下幾點要求[1]：

（1） 對小口徑（DN600 以下） 簡單輸水管道的水錘分析和防護設計，可參考同類工程或根據一般理論和經驗等進行；對復雜和高壓輸水管道應經過非穩定流分析計算，進行水錘防護設計。

（2） 中等管徑（DN600～DN1200） 輸水管道的水錘分析和防護設計，應經專門的分析計算后，確定水錘防護措施。

（3） 大管徑（DN1200 以上） 輸水管道的水錘分析和防護設計，除專門分析計算外，還應進行適當的驗證計算，確定水錘防護措施。在具備條件時，大口徑輸水管道的水錘防護計算可結合數字模擬技術進行。

（4） 水錘防護措施應保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5 倍最大工作壓力。對加壓輸水管道，事故停泵后的水泵反轉速度不應大于其額定轉速的1.2 倍，超過額定轉速的時間不應超過2min。

4 長距離重力輸水管道關閥水錘防護措施

長距離重力輸水管道關閥水錘常見的防護措施有延長關閥時間、兩階段關閥、空氣閥[2]、超壓泄壓閥和調壓水池：

（1） 延長關閥時間

關閥時間過短是產生關閥水錘的直接原因，在實際工程，延長關閥時間是最直接也是最簡單經濟的水錘防護措施。理論上講，若關閥時間足夠長，關閥水錘將被完全消除。雖然延長關閥時間是簡單經濟的水錘消減措施，但關閥時間過長不利于管道正常維護管理，因此將水錘消減至工程需求，應盡可能的縮短關閥時間，且每種閥門都有其極限關閥時間，關閥時間無法做到無限長。

（2） 兩階段關閥

在研究勻速關閥對關閥水錘的消減影響時發現，在勻速關閥的前期（閥門關至80%前），管道沿線壓力變化較小；勻速關閥的后期（閥門關至80%后），管道沿線壓力急劇變化，尤其是在關閥的最后階段，壓力變化更為劇烈。由此可見，關閥后期是導致關閥水錘的關鍵因素，因此，為了消減關閥水錘，在不增加整個關閥時間的前提下，采取兩階段關閥，即以較快的速度將閥門關至80%左右，然后在以緩慢的速度將閥門完全關閉。在實際重力輸水管道工程中，采用兩階段關閥是非常有效的水錘消減措施。

（3） 空氣閥

空氣閥一般具有進、排氣功能，在發生關閥水錘時，在輸水管道的膝部點經常產生較大負壓，當負壓達到水氣化極限值（-10m） 時，水開始氣化，氣體聚集在膝部點，產生空腔，進而發生斷流彌合水錘。在工程中，為減少管道系統的空腔，一般在管道系統的膝部點或平緩處每隔一段距離設置空氣閥，目的在于及時排除管道內的氣體，同時也快速吸氣減少負壓的形成。通過研究發現，在管道高點設置空氣閥后，管道負壓水錘會有明顯的改善，此外空氣閥對消減彌合水錘引起的正壓水錘也有顯著效果。在長距離重力輸水管道系統中，合理的設置空氣閥，并配合兩階段科學關閥，一般能將關閥水錘消減至滿足水錘防護設計要求。

（4） 超壓泄壓閥

超壓泄壓閥也叫持壓泄壓閥，泄壓保護裝置的工作主要依靠對泄壓閥滑塞內腔的壓力控制，正常輸送流體時，滑塞在內腔設定的壓力下緊緊的與主閥座貼合，使泄壓閥處于正常關閉的狀態；當管線發生水錘時，管道內流體壓力驟然上升，超過其滑塞內腔所設定的安全控制壓力時，在壓差的作用下泄壓閥打開，開始泄壓并報警；當管線壓力恢復正常工作壓力時，滑塞與閥座緊緊貼合，泄壓閥恢復關閉狀態，停止泄放，管線恢復正常輸送。

超壓泄壓閥對管線正壓水錘和負壓水錘消減效果十分明顯，且超壓泄壓閥直徑越大，水錘消減效果越好，但泄壓閥直徑越大，泄流量也越大，水資源浪費越嚴重，根據《城鎮供水長距離輸水（渠） 工程技術規程》 CECS 193-2005 第

5.3.2 條：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。

在實際長距離重力輸水管道工程中，超壓泄壓閥應用較少，這是因為超壓泄壓閥在水錘防護中對泄壓閥的靈敏度有較高要求，發生水錘時，若泄壓閥泄壓動作滯后，則對斷流彌合水錘幾乎沒有消減作用。

（5） 調壓水池

在長距離輸水管道系統中，系統最大靜壓一般較高，有的甚至達到幾百米，若不采取合理的水錘防護措施，當發生正壓水錘時，管道承受的瞬時壓力可能達到最大靜壓的幾倍，大大增加管道爆管的風險。調壓水池，也叫穩壓水池，最直接的作用是消減管道系統靜壓，此外在管道系統中適當的位置設置調壓水池，可以將長距離輸水管道劃分為相對獨立的極端較短的輸水管道，從而增加了管道運行的安全性。但是不是所有的長距離重力輸水管道系統中都能設置調壓水池，它具有一定的局限性，設置調壓水池的場地標高低于且接近正常工作水頭線，此外建設調壓水池成本較高，所以設置調壓水池應經過技術經濟比較后再確定是否設置。

5 長距離重力輸水管道系統關閥水錘消減措施總結

通過上述分析其消減措施技術特點，并結合工程實際運行情況，可按以下幾點思路進行關閥水錘防護設計：

（1） 首先考慮延長關閥時間，若在工程所能接受的最長關閥時間下仍不能滿足水錘防滑要求，可采取兩階段關閥。通過水錘數值模擬得出最優的關閥方案，即確定最佳關閥時間和最佳關閥方式。

（2） 按最優的關閥方式進行關閥，無論水錘消減效果是否符合防護要求，均按相關規范要求，在管線沿線的局部高點、膝部點及平緩處每隔一段距離設置空氣閥。一方面可以進一步消除管線負壓及斷流彌合水錘隱患，另一方面減少人為或其它因素導致的末端閥門不正常關閉所帶來的水錘危害。

（3） 一般情況下，在采用最優關閥方案+空氣閥聯合防護措施后，基本能滿足水錘防護要求，若仍不能滿足要求，可考慮在管道系統適當位置設置超壓泄壓閥、調壓水池等其它水錘消減設備。長距離重力輸水管道系統水錘防護設計應在保證滿足水錘防護要求的前提下，綜合考慮工程造價及系統維護等方面，并經技術經濟比較后確定。

6 結語

通過對長距離重力輸水管道系統中關閥水錘特點分析，并結合實際工程運行經驗，在滿足水錘防護設計要求的前提下，總結出長距離輸水管道系統中關閥水錘常見而又有效的消減措施。