水擊在壓力管道工程設計中的防控認識實踐

李笑亞

（洛陽智達石化工程有限公司，河南洛陽 471000）

水擊現象是在管道技術組件內部液體流速突然變化條件下發生的現象，管道技術組件內部的液體，在流動速度變化條件下，會誘導產生從變化起始點位置逐漸向上游方向，以及下游方向傳播的水擊波。在水擊波沿著管道技術組件的空間分布方向傳遞過程中，通常會誘導管道技術組件的內部壓力參數發生增大變化，或者是縮小變化，而此種壓力變化現象，通常被稱作水擊壓力、水錘壓力，或者是涌壓。水擊現象的發生，對水電站工程或者是泵站工程項目中涉及的管道技術組件設計環節具備深遠影響，是開展管道技術組件水力計算分析工作過程中應當關注的重要內容。

1 管道技術組件水擊壓力參數的基本計算公式

管道組件系統的臨界時段參數TC，有時也被稱作相長參數，指的是瞬時水波在管道組件系統內傳遞到反射點位繼而重新傳遞到起始點位過程中所經歷的時間間隔，其計算公式見式（1）

式中，L表示瞬時水波在管道組件系統內部傳遞過程中，起始點位與反射點位之間的物理距離，m，a表示瞬時水波在管道組件內部傳遞過程中的速度，m/s。

從具體的描述語句角度展開闡釋分析，“臨界時段”相較“相長”，能更加充分地反映和揭示出流速變化時間參數對水擊壓力強度參數所造成的影響。在流速變化時間參數≤TC參數條件下，通常會誘導特定水擊事件發生過程中展示出最大壓力變化，在TC之內發生的流速變化誘導發生的水擊技術現象發展過程如圖1所示。

圖1 閥門技術組件關閉時間參數≤TC條件下的水擊現象發展過程圖

圖1中，V0表示管道技術組件內部承載的水流的初始流速，H0表示在忽略水頭損失前提下，在流速尚未發生明顯改變之前的穩定流水頭。在流速變化幅度大于TC條件下，實際引致發生的壓力波現象，會因為大量水分子之間發生的相互摩擦作用，而具體與處在低壓返回水擊波的尾流相互重疊而展示出一定程度的消減變化。

對于具體化的管道技術組件而言，其在臨界時段范圍之內會發生流速變化現象，而因流速變化而引致的壓力參數強度升高（也就是因水擊作用而引致發生的壓力參數升高HS），通常可以借由式（2）加以計算獲取.

式中，Vf表示在時刻t=TC條件下的流速參數，m/s，如果水流在小于TC的時間區間之內完全停止，比如水電站工程丟棄完全負荷條件下，Vf的實際設定值等于0，而g則表示重力常量，為9.8m/s2。

在管道線路技術組件的具體使用過程中，其可能遭遇的最大水擊壓力參數，指的是管道組件技術系統中承載的各類液體所能實現的最大流速，以及與管道技術組件的制作材料具備相關性的波速測算函數。

最大水擊壓力參數發生過程中涉及的技術情形如下：管道技術組件內部承載的水流以最大速度流動條件下，發生閥門技術組件迅速關閉現象、水泵設備停機現象，或者是其他能夠在臨界時段TC內使水流發生截停現象的情況。

在管道線路技術組件內部，水擊波速度參數a，通常需要依賴管道技術組件制作材料的類型特征、管道技術組件內壁結構部分的厚度參數、管道技術組件的直徑參數，以及管道技術組件實際傳輸的液體物質類型等因素共同決定，其具體計算公式見式（3）

式中，Ew表示管道技術組件內部承載的水所具備的體積彈性模量參數，kg/m2（在一般性溫度參數和壓力參數設定條件下，其實際數值為2.11×108kg/m2）；γ表示管道技術組件中承載的水的容重參數，kg/m3（在一般性溫度參數和壓力參數設定條件下，其實際數值為1 020.00kg/m3）；r表示管道技術組件的半徑參數，m；k表示抗力系數，且對于不同種類的管道技術組件而言，其設定的數值具備顯著差異。

綜合梳理分析式（1）～式（3），對于管道技術組件內部承載和傳輸的水而言，如果其在起始位置的流速較大，在終止位置的流速較小，且產生正壓，說明閥門技術組件處在關閉狀態；而如果其在起始位置的流速較小，在終止位置的流速較大，且產生負壓，說明閥門技術組件處在開啟狀態。基于現有的技術控制規程，水擊壓力參數取值的實際大小與波速a之間具備正比例關系；水擊壓力參數取值的實際大小與波速變化幅度的絕對值之間具備正比例關系，管道技術組件內部實際發生的水擊波現象的速度參數，通常會伴隨著管壁結構彈性變形發生幅度的增大而逐漸減小，在氣泡分散處于承載液體的管道組件技術體系內部條件下，其實際波速會發生程度顯著的降低變化。

2 管道組件技術系統設計工作開展過程中水擊現象的防范控制思路

對水擊現象展開的研究分析工作，應當在管道線路技術系統的設計階段開展。在管道線路技術系統的整體布置工作環節結束之后，通常就能夠直接且準確地確定。水擊技術分析活動環節開展過程中，需要依賴管道技術組件長度參數，管道技術組件直徑參數，管道技術組件內壁結構的厚度參數，管道技術組件生產制備過程中所運用的材料，管道技術組件運行過程中的輸水能力參數，以及水泵設備實際具備的型式特征和尺寸特征。

對水擊現象展開的研究分析工作，應當首先規范計算和繪制形成管道組件技術系統，在最終化的正常運行工況條件下的水力坡度線，也就是壓迫線。

在管道組件技術系統內部，管線組件中任意一個技術點位實際承擔的工作壓力，事實上是該技術點位管線組件高程參數和壓坡線高程參數之間的數學差值，而在上述計算處理環節結束之后，可以明確計算獲取管道技術組件內部承載的水的最大流速。如果這里所述的最大流速因某種技術因素的作用而發生瞬間被截斷現象，其通常會誘導水擊現象發生，而如果在實際開展的管線技術系統設計工作過程中未能充分考慮到對水擊現象的控制，或者是未能充分采取措施控制和降低氣泡現象的形成過程，則通常可以將對應技術條件下發生的水擊壓力，具體劃定為管線技術系統實際承受的最大水擊壓力。

利用上述環節中獲取的最大水擊壓力參數，針對管線技術系統開展校核處理，能支持管線技術系統在發生水擊現象過程中，獲取到穩定且充足的安全余度支持條件，而在安全余度發生幅度不足條件下，應當針對管線技術系統開展適當程度的調整干預，或者是針對管線技術系統補充安裝適當類型的補救技術裝置，或者是控制技術裝置，以確保能夠順利獲取到優質且良好的工作效果。

3 結語

綜合梳理現有研究成果可以知道，在現代壓力管道工程項目設計工作的具體開展過程中，水擊現象的發生對管道技術組件的使用性能具備深刻影響。在壓力管道工程設計過程中選擇適當措施對可能發生的水擊現象展開預防控制，對于確保壓力管道技術組件在具體使用過程中穩定發揮最佳技術功能，發揮著不容忽視的作用。