硫酸廠管道水錘的產(chǎn)生與預(yù)防

張玉杰

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

1 水錘現(xiàn)象、種類與危害

1.1 水錘現(xiàn)象

水錘， 又稱水擊或水沖擊， 英文為water hammer，也稱hydraulic shock 或liquid slugging，常見于蒸汽管道攜帶水時(shí)，及管道中的水（或其他流體）在流速或流量發(fā)生驟然變化時(shí)，流體動(dòng)量迅速變化引起壓強(qiáng)的急劇交替上升與下降，流體對(duì)管道進(jìn)行劇烈沖擊，管道（甚至整個(gè)管系）振動(dòng)巨大，并伴隨著“咚咚”的聲音，就像用錘子敲擊管道一樣，故稱水錘。水錘造成的壓強(qiáng)升高可達(dá)到管道正常工作壓力的數(shù)倍，甚至十幾倍。水錘的發(fā)生影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞管道、儀表和設(shè)備。

水錘/ 水擊現(xiàn)象在水力、供輸水、化工、石化、電力、核電、冶金、礦山等行業(yè)中發(fā)生較為普遍。水錘現(xiàn)象屬于流體力學(xué)范疇。國外從十七世紀(jì)后期開始深入研究流體力學(xué)，經(jīng)過十八、十九世紀(jì)已取得了很多成果；十九世紀(jì)后期、二十世紀(jì)初一些國外學(xué)者對(duì)水錘/ 水擊進(jìn)行深入研究，如德國Ludwig Prandtl、英國Geoffrey Ingram Taylor，意大利Luigi Menabrea、Lorenzo Allievi，前蘇聯(lián)H. E. Joukowshi、M. A. Moctkob，美國Streeter V. L.、Wylie E. B. 等。自二十世紀(jì)六七十年代一些國內(nèi)學(xué)者開始對(duì)水錘進(jìn)行研究，如劉竹溪、劉光臨、王學(xué)芳、葉宏開、金錐、姜乃昌等；一些專家對(duì)水錘/ 水擊現(xiàn)象進(jìn)行了分析，有的學(xué)者對(duì)水錘進(jìn)行了計(jì)算機(jī)軟件模擬，如美國Bentley Hammer、Surge 及英國Flowmaster、Pipenet等[1-3]。

1.2 水錘的種類與危害

導(dǎo)致管道中發(fā)生水錘/ 水擊的原因主要有關(guān)閉閥門、開啟閥門、停泵、起泵、流量調(diào)節(jié)等，另外蒸汽管道疏水不暢、汽水管道配置不合理也會(huì)造成水擊。

蒸汽帶水水錘的產(chǎn)生一般是由于疏水不暢、汽水管道配置不合理等原因造成蒸汽管道內(nèi)有積水產(chǎn)生，高速流動(dòng)的蒸汽帶動(dòng)水快速流動(dòng)，對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行沖擊，在彎頭處沖擊最大，形成管道系統(tǒng)的劇烈振動(dòng)，并伴隨敲擊聲。

關(guān)閥水錘的產(chǎn)生一般是由于管系內(nèi)帶有一定壓力流動(dòng)的流體流速突然變小，流體的慣性使流體局部壓強(qiáng)突然升高；突然升高的壓強(qiáng)首先出現(xiàn)在緊貼阻斷流體的部位，然后迅速向上游傳播，并在一定條件下反射回來，產(chǎn)生往復(fù)波動(dòng)引起管系的振動(dòng)，并伴隨著響聲。壓強(qiáng)的升高值與流體種類、流體密度、管道材質(zhì)、管道內(nèi)流體流速等因素有關(guān)，有時(shí)壓強(qiáng)升高值是工作壓力的幾倍，甚至十幾倍。

開閥水錘、起泵水錘、停泵水錘、流量調(diào)節(jié)水錘主要是由于流體在流速或流量突然改變時(shí)對(duì)管道進(jìn)行的沖擊。一般管徑越大、管道越長、流體密度越大、流體流速越大、流體抬升高度越大、泵出口止回閥關(guān)閉速度越快，水錘現(xiàn)象越明顯，對(duì)管道的沖擊越大。

2 水錘理論與發(fā)生過程[4-6]

水錘現(xiàn)象的發(fā)生是流體力學(xué)/ 水力學(xué)問題，屬于流體力學(xué)的非恒定流（非穩(wěn)定流）或瞬變流范疇。用歐拉法描述流體運(yùn)動(dòng)，將各運(yùn)動(dòng)要素都表示為空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，流場(chǎng)中各空間點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)要素既隨空間坐標(biāo)變化而變化，又隨時(shí)間變化而變化的為非恒定流。

這種非恒定流/ 瞬變流是流體從一種穩(wěn)定流動(dòng)過渡到另一種穩(wěn)定流動(dòng)的狀態(tài)。管道輸送能力（如流量等）的變化在管道內(nèi)部引起瞬間變動(dòng)，產(chǎn)生瞬變壓力和壓力波的傳播。習(xí)慣上將這種瞬變流動(dòng)稱為水擊過程，瞬變壓力稱為水擊壓力。在管道瞬變流動(dòng)過程中，瞬變壓力的大小與許多因素有關(guān)，如水擊波在管道中的傳播規(guī)律、流體流量的變化量、流體流量變化的持續(xù)時(shí)間、管道長度、穩(wěn)態(tài)時(shí)的水力坡降，以及管道系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、保護(hù)措施等。

由于非恒定流的變量比恒定流要多，非恒定流的求解要復(fù)雜的多，一般采用解析法/ 分析法、數(shù)值計(jì)算法及圖解法。

2.1 水錘理論假設(shè)

對(duì)于非恒定/ 瞬變流動(dòng)的流體，需要考慮流體的可壓縮性，并考慮管道彈性，即水錘發(fā)生時(shí)造成的壓強(qiáng)升高引起管道的局部膨脹，才容易解釋水錘現(xiàn)象本身及其物理過程。

與管道剛性水擊理論相比，管道彈性水擊理論考慮管道的彈性和管道內(nèi)流體的壓縮性，把流體作為一種彈性介質(zhì)進(jìn)行處理。這種既考慮管道的彈性，又考慮管道內(nèi)流體彈性的理論，是管道瞬變流動(dòng)分析的理論基礎(chǔ)。

為簡(jiǎn)化分析，做出以下假設(shè)：

1) 假設(shè)管道A 處能提供足夠的容量，故可認(rèn)為水錘發(fā)生后產(chǎn)生的水擊波被截止在A 處；

2) 假設(shè)B 處的閥門瞬時(shí)關(guān)閉，即閥門關(guān)閉時(shí)間為零；

3) 假設(shè)管道中的流體由無數(shù)流體微段組成，流體微段彼此之間相互緊貼，但相互之間沒有聯(lián)系。

2.2 水錘發(fā)生過程

流體自管道A 處流向B 處，先忽略流體黏性的影響，設(shè)定管道長為L，管道直徑不變；管道內(nèi)流體速度、壓力、相對(duì)位置等信息見圖1。基于以上假設(shè)與設(shè)定，水錘的發(fā)生可以分解為以下4 個(gè)階段。

圖1 水錘現(xiàn)象簡(jiǎn)化模型

2.2.1 停止流動(dòng)、壓強(qiáng)升高的升壓波過程

管道B 處閥門突然關(guān)閉時(shí)，緊貼閥門的流體微段立即停止流動(dòng)，之后緊臨該流體微段的另一流體微段也停止流動(dòng)。以此類推，管道AB 中的所有流體微段逐漸停止流動(dòng)。當(dāng)流體突然停止流動(dòng)時(shí)，流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能，使停止流動(dòng)的流體壓強(qiáng)升高，這種壓強(qiáng)升高使流體被一定程度的壓縮，同時(shí)管道也產(chǎn)生一定程度的膨脹。流體的停止流動(dòng)和由此造成的壓強(qiáng)升高以波的形式沿管道由B 處向上游的A 處傳播，該波稱為壓強(qiáng)升高波或升壓波。

因假設(shè)液體和管壁均勻，故管道中壓強(qiáng)波的傳播速度為常數(shù)，設(shè)為c。該管道長度為L，則經(jīng)過一段時(shí)間t=L/c 后，升壓波傳播至管道A 處，AB段流體全部處于升壓狀態(tài)，整段流體液柱也停止流動(dòng)。與管道內(nèi)初始?jí)簭?qiáng)P0相比，升高的壓強(qiáng)ΔP稱為水擊壓強(qiáng)。經(jīng)過時(shí)間t=L/c 后，AB 段管道中的流體流速v=0，壓強(qiáng)P= P0+ΔP。

2.2.2 流體倒流、壓強(qiáng)恢復(fù)的降壓波過程

由于假設(shè)管道A 處能提供足夠的容量，即壓強(qiáng)波不會(huì)引起A 處上游壓強(qiáng)明顯的波動(dòng)，故當(dāng)升壓波傳播至A 點(diǎn)時(shí)被截止。不難看出，在A 點(diǎn)兩側(cè)由于壓差ΔP 的作用將有流體向A 處上游（左側(cè)）倒流，使壓強(qiáng)恢復(fù)到初始?jí)簭?qiáng)P0，之后由于壓差ΔP 的作用，緊鄰A 處右側(cè)的流體微段也向左側(cè)做減壓流動(dòng)。以此類推，管道AB 中的流體微段逐段向左流動(dòng)、壓強(qiáng)下降至P0，形成了一個(gè)降壓波。該降壓波的傳播速度為c。經(jīng)過時(shí)間t=L/c 后，降壓波傳播至閥門B 處。

在此過程中，管道AB 內(nèi)的流體自A 處向B 處逐段向左側(cè)倒流，各點(diǎn)速度為原始速度，即v=v0，其壓強(qiáng)由P0+ΔP 降為P0。

2.2.3 停止流動(dòng)、壓強(qiáng)降低的降壓波過程

當(dāng)壓強(qiáng)恢復(fù)的降壓波傳播至閥門B 處后，緊貼閥門的B 處流體微段也有向左側(cè)倒流而離開閥門的趨勢(shì)。由于閥門已關(guān)閉，閥門下游沒有流體可以補(bǔ)充，故管道B 處流體靜止，流體壓強(qiáng)降低，密度減小。在理想情況下，壓強(qiáng)降低值等于過程2.2.1 中的壓強(qiáng)升高值ΔP。同樣，該壓強(qiáng)下降與停止流動(dòng)一起逐段自管道B 處傳播至管道A 處，形成降壓波。同樣，降壓波的傳播速度為c，經(jīng)過時(shí)間t=L/c 后，降壓波傳播至管道A 處。此時(shí)，管道AB 內(nèi)流體全部靜止，即v=0，壓強(qiáng)為P0-ΔP。

2.2.4 恢復(fù)流動(dòng)、壓強(qiáng)恢復(fù)的升壓波過程

降壓波傳播至管道A 處時(shí)，A 點(diǎn)左側(cè)壓強(qiáng)比右側(cè)高ΔP，在壓差ΔP 的作用下，A 處左側(cè)的流體向右側(cè)流動(dòng)，流速仍為原始速度v0，A 處右側(cè)的壓強(qiáng)也恢復(fù)到原壓強(qiáng)P0。同樣，該過程自緊貼管道A處右側(cè)的流體微段開始，依次傳播至管道B 處左側(cè)的流體微段；經(jīng)過時(shí)間t=L/c 后，整個(gè)管道AB 內(nèi)壓強(qiáng)全部恢復(fù)至P0，速度也為恢復(fù)為初始值v0。

2.2.5 整個(gè)水錘周期過程

如果壓強(qiáng)恢復(fù)的升壓波傳播至管道B 處閥門時(shí)，閥門仍然關(guān)閉，則又造成2.2.1 所描述的升壓波，之后重復(fù)依次出現(xiàn)2.2.2 至2.2.4 的過程。理想狀態(tài)下，流體沒有黏性，沒有阻力損失，管道沒有變形，壓強(qiáng)波在傳播過程中能量沒有消耗，水錘現(xiàn)象將依次以2.2.1 至2.2.4 四個(gè)波動(dòng)過程往復(fù)、交替的在管道AB 中重復(fù)下去。

實(shí)際上，由于流體的黏性及阻力、管道的變形、管道的振動(dòng)、水錘激發(fā)的噪聲等因素引起能量損失，因此水錘現(xiàn)象引起的壓強(qiáng)波的能量在傳播過程中逐漸損失，最終完全消失。

管道B 處壓強(qiáng)的變化規(guī)律見圖2，其中紅色曲線為理想狀態(tài)下壓強(qiáng)變化規(guī)律，藍(lán)色曲線為實(shí)際狀態(tài)的壓強(qiáng)變化規(guī)律。

圖2 發(fā)生水錘時(shí)管道內(nèi)壓強(qiáng)變化

2.2.6 直接水擊與間接水擊

從閥門突然關(guān)閉開始，到水擊波第一次返回閥門需要時(shí)間2L/c，這個(gè)時(shí)間也是閥門第一次壓強(qiáng)恢復(fù)的時(shí)間。令t0=2L/c 稱為水擊波的波相，每經(jīng)過t0時(shí)間，水擊壓力變化一次，稱為 “倒相”。每經(jīng)過時(shí)間T=2t0=4L/c，水擊現(xiàn)象重復(fù)一次，將T 稱為水擊波的周期。

實(shí)際過程中，不可能在瞬間將閥門關(guān)閉，閥門總有一個(gè)關(guān)閉時(shí)間，令該時(shí)間為tk。按tk和t0的相對(duì)大小，將水擊分為 “直接水擊” 和 “間接水擊”。直接水擊是指閥門關(guān)閉時(shí)間小于水擊波的波相，即tkt0時(shí)，稱為間接水擊。在間接水擊的情況下，壓強(qiáng)恢復(fù)波返回到閥門處時(shí)閥門還未完全關(guān)閉，壓強(qiáng)升高將被大部分抵消，間接水擊的最大壓強(qiáng)升高值遠(yuǎn)小于直接水擊。

2.2.7 正水擊與負(fù)水擊

閥門快速關(guān)閉，管道中流體流量急劇減少，流體壓強(qiáng)顯著增大的瞬變過程稱為正水擊。閥門迅速開啟，管道中流體流量急劇增大，流體壓強(qiáng)顯著降低的瞬變過程稱為負(fù)水擊。

3 水錘相關(guān)計(jì)算公式

3.1 水錘發(fā)生的判定

閥門快速關(guān)閉是發(fā)生水錘的一個(gè)重要原因。當(dāng)滿足式（1）時(shí)管道系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生直接水錘/ 直接水擊現(xiàn)象：

式中：T——閥門的有效關(guān)閉時(shí)間，s；

L——管系的長度，m；

v0——水擊波的傳播速度，m/s。

3.2 發(fā)生水錘時(shí)的管系壓力升高

3.2.1 直接水錘

閥門快速關(guān)閉時(shí)管系中壓力升高值的計(jì)算公式稱為儒科夫斯基公式，見式（2）：

式中：ΔP——閥門快速關(guān)閉時(shí)管系中的壓力升高 值，MPa；

v0——水擊波的傳播速度，m/s；

v——管道中流體的實(shí)際流速，m/s；

ρ——管道中流體的密度，kg/m3。

3.2.2 間接水錘

當(dāng)閥門只有部分突然關(guān)閉時(shí)，或者閥門關(guān)閉時(shí)間小于水擊波周期的一半（t0）時(shí)，管系中壓力升高值見式（3）：

式中：ΔP——閥門快速關(guān)閉時(shí)管系中的壓力升高 值，MPa；

ρ——管道中流體的密度，kg/m3；

v0——水擊波的傳播速度，m/s；

L——管道長度，m；

tk——閥門關(guān)閉時(shí)間，s。

3.3 水擊波的傳播速度

3.3.1 彈性管壁

流體的管道為彈性管壁時(shí)，水擊波的傳播速度見式（4）：

式中：v0——水擊波的傳播速度，m/s；

K——管道中流體的體積模量，Pa；

ρ——管道中流體的密度，kg/m3；

D——管道內(nèi)直徑，m；

δ——管壁厚度，m；

E——管道材料的彈性模量，Pa。

3.3.2 無彈性管壁

流體的管道為無彈性管壁時(shí)，水擊波的傳播速度見式（5）：

式中：v0——水擊波的傳播速度，m/s；

K——管道中流體的體積模量，Pa；

ρ——管道中流體的密度，kg/m3。

3.4 水錘的摩擦阻力損失

對(duì)于瞬變流動(dòng)/ 非恒定流動(dòng)的水錘/ 水擊過程，由于流體流量隨時(shí)間和空間位置的變化而變化，所以不同時(shí)刻不同空間位置的流體雷諾數(shù)不同，流態(tài)也不同。由于這是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，目前世界上還沒有統(tǒng)一的計(jì)算瞬變流動(dòng)的摩擦阻力計(jì)算公式，工程上一般采用恒定流的摩擦阻力公式進(jìn)行近似計(jì)算。

常用的恒定流沿程阻力損失計(jì)算公式有達(dá)西公式和列賓宗公式。達(dá)西公式采用固定的摩擦系數(shù)λ，由于摩擦系數(shù)λ 是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，瞬變流的雷諾數(shù)隨時(shí)間和空間在變化，故用達(dá)西公式計(jì)算的瞬變流摩擦阻力損失誤差較大。對(duì)于某一特定流動(dòng)區(qū)域，列賓宗公式中的系數(shù)f 和m 為或近似為常數(shù)，與流量無關(guān)或關(guān)系很小，因此選擇恰當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)區(qū)域，用列賓宗公式計(jì)算瞬變流的摩擦阻力是比較準(zhǔn)確的。達(dá)西公式和列賓宗公式見下文。

3.4.1 達(dá)西公式

達(dá)西公式如下：

式中：hf——流體摩擦阻力損失，m；

λ——摩擦阻力系數(shù)，量綱為1；

L——管道長度，m；

D——管道內(nèi)直徑，m；

v——流體流速，m/s；

g——重力加速度，g/m2；

Q——流體體積流量，m3/s。

3.4.2 列賓宗公式

列賓宗公式如下：

式中：hf——流體摩擦阻力損失，m；

β——系數(shù)，s2/m；

Q——流體體積流量，m3/s；

m——系數(shù)，量綱為1；

v——流體流速，m/s；

D——管道內(nèi)直徑，m；

L——管道長度，m；

f——系數(shù)，量綱為1；

A——系數(shù)，量綱為1；

π——圓周率，量綱為1；

g——重力加速度，9.81 g/m2。

列賓宗公式中的各系數(shù)見表1。

4 硫磺制酸廠的水錘現(xiàn)象

4.1 可能發(fā)生水錘的流體

典型硫磺制酸廠（含發(fā)電站、除鹽水站、循環(huán)水站、啟動(dòng)鍋爐房等系統(tǒng)）的流體主要有液體硫磺、濃硫酸、煙氣（含SO2、SO3）、中壓蒸汽、低壓蒸汽、透平/ 潤滑油、冷卻水、鍋爐給水、冷凝水、污水、堿液、各類藥劑水溶液、柴油/ 天然氣等。在進(jìn)行起泵、停泵、開閥、關(guān)閥、流量調(diào)節(jié)及汽水管道正常操作時(shí)，各類水、蒸汽、酸等管道容易發(fā)生水錘/ 水擊。

4.2 硫磺制酸廠水錘現(xiàn)象示例

4.2.1 關(guān)閥水錘打壞壓力表

某硫磺制酸廠除鹽水站的原水由全廠水處理系統(tǒng)的工業(yè)水箱，經(jīng)水泵通過綜合管網(wǎng)輸送至硫酸廠除鹽水站原水箱，輸送距離約1 000 m，管道材質(zhì)Q235B，管徑DN150 mm，進(jìn)入硫酸廠除鹽水站原水箱前分別有壓力表、手動(dòng)閘閥、氣動(dòng)蝶閥。原水供給示意見圖3。

表1 列賓宗公式中的各系數(shù)

圖3 除鹽水站原水供給示意

除鹽水站原水箱補(bǔ)水完成后，關(guān)閉原水箱進(jìn)水管道閥門時(shí)進(jìn)水管道發(fā)生劇烈振動(dòng)，并伴隨較大聲響。技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)壓力表損壞，壓力表指針脫落，分析認(rèn)為產(chǎn)生了水錘現(xiàn)象。

根據(jù)式（4）計(jì)算，20 ℃時(shí)，一個(gè)大氣壓下，剛性管道中水的聲速vs約為1 470 m/s。根據(jù)公式1計(jì)算，該管系產(chǎn)生關(guān)閥水錘的閥門關(guān)閉時(shí)間約為1.4 s。

原水箱進(jìn)水管道蝶閥的氣動(dòng)執(zhí)行器型號(hào)為AT115，廠家提供的關(guān)閥時(shí)間0.8 s，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)蝶閥關(guān)閉時(shí)間小于1 s。該閥門關(guān)閉時(shí)滿足公式1 發(fā)生水錘的情況。

根據(jù)式（2）計(jì)算，管道中水流速度為2 m/s時(shí)，閥門快速閉關(guān)時(shí)管系中的壓力升高ΔP約為2.9 MPa，即使不考慮供水壓力，也遠(yuǎn)超過壓力表的量程（1 MPa）。

4.2.2 蒸汽管道帶水水擊打壞閥門閥板

某硫酸廠投產(chǎn)后某天，聽到發(fā)電站內(nèi)發(fā)出持續(xù)的較大聲響，操作人員趕緊去現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)某處蒸汽管道有極大振動(dòng)，并帶動(dòng)毗鄰管道振動(dòng)，同時(shí)持續(xù)發(fā)出巨大的錘擊聲。該管道較長，有四組疏水閥組，緊急開大所有疏水閥組旁路閥（即圖4 中閥4）以加強(qiáng)疏水。四組疏水閥組的三組，打開旁路閥僅有少量冷凝水流出，絕大多數(shù)是蒸汽。打開另一組疏水閥組旁路閥時(shí)，有大量冷凝水流出，之后管道振動(dòng)及錘擊聲逐漸變小，最后管道基本無振動(dòng)。檢查發(fā)現(xiàn)該組疏水閥組的疏水閥前手閥（圖4 中閥1）開度很小，水擊原因是該組疏水管道疏水不及時(shí)造成疏水管道中滿水，蒸汽管道帶水所致。

圖4 典型蒸汽管道輸水閥組

蒸汽管道水擊問題解決后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仔細(xì)檢查時(shí)，仍能聽到有斷續(xù)微小的金屬撞擊聲，經(jīng)過對(duì)多跟管道的多次檢查與排查后，推測(cè)可能為蒸汽管道上的手動(dòng)閘閥損壞。將該蒸汽管道停止進(jìn)汽并進(jìn)行隔離后，拆下該手動(dòng)閘閥，發(fā)現(xiàn)閥板已碎成幾片。分析認(rèn)為蒸汽帶水水擊將該閥門閥板打壞。

4.2.3 其他

硫酸廠中其他可能發(fā)生的水錘/ 水擊現(xiàn)象的情況還有不少，如循環(huán)酸泵出口閥門開大過快導(dǎo)致上塔酸管道振動(dòng)較大、凝結(jié)水泵出口閥流量調(diào)節(jié)水錘、汽輪發(fā)電機(jī)透平油調(diào)節(jié)水錘，以及地坑泵的開停、排污泵排污后停泵/ 關(guān)閥水錘等。其中大部分為間接水擊/ 水錘，對(duì)管道系統(tǒng)的危害程度相對(duì)較小。

5 水錘的預(yù)防與危害降低措施

管道的水錘/ 水擊危害極大，可能造成管道及附件、儀表甚至設(shè)備損壞事故，要對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行水錘綜合防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)，預(yù)防水錘的發(fā)生、降低水錘危害。水錘防治的機(jī)理主要有控制或減少流體流速的變化，避免產(chǎn)生直接水擊；在管道特征點(diǎn)設(shè)置降壓、泄流等水錘消除裝置；使用空氣墊降低水錘沖擊能量；縮短水錘波的傳播距離，盡快形成水錘波的反射和干涉；以及使用水錘波速低的管道材質(zhì)，降低流體流速等。

5.1 設(shè)計(jì)措施與注意

5.1.1 設(shè)計(jì)措施

重要的水泵（或其他流體）采用變頻電機(jī)，變頻電機(jī)不僅能節(jié)能降耗，在進(jìn)行開泵、停泵及流量調(diào)節(jié)時(shí)，可以將電機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速平滑緩慢改變，流量進(jìn)行緩慢改變，可以避免直接水擊/ 水錘的產(chǎn)生。采用變頻調(diào)節(jié)流量，也可以一定程度的替代出口閥門流量調(diào)節(jié)，避免或減少開閥、關(guān)閥與閥門開度調(diào)節(jié)的操作，避免開閥水錘、關(guān)閥水錘及流量調(diào)節(jié)水錘的產(chǎn)生。

根據(jù)管道系統(tǒng)配置、管道材質(zhì)、流體性質(zhì)，進(jìn)行閥門及附屬設(shè)施的選型。選擇流量特性曲線相對(duì)平緩的閥門，盡量使閥門開、關(guān)及流量調(diào)節(jié)時(shí)動(dòng)作平緩；對(duì)于氣動(dòng)/ 電動(dòng)開關(guān)閥，選擇開關(guān)時(shí)間大于t0的閥門執(zhí)行器；對(duì)于調(diào)節(jié)閥，盡量選擇流量特性曲線變化相對(duì)較緩的閥門；若閥門流量曲線變化較陡峭，DCS 設(shè)置PID 參數(shù)時(shí)，比例增益P 的數(shù)值盡量不要過大。

管道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防止流體速度劇烈變化產(chǎn)生水錘，應(yīng)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行水錘預(yù)防與減弱的綜合防護(hù)設(shè)計(jì)，采取有效的水錘防護(hù)措施，盡量避免產(chǎn)生水錘，減輕增壓、防止負(fù)壓：

1) 對(duì)管道系統(tǒng)可能發(fā)生水錘的情況，如管道系統(tǒng)充水啟動(dòng)、加壓調(diào)流、停泵關(guān)閥等非穩(wěn)定/ 瞬變流過程，以及水錘防護(hù)后的控制效果進(jìn)行分析計(jì)算。

2) 進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，考慮水錘發(fā)生時(shí)的壓力增高，考慮水錘/ 水擊等動(dòng)載荷或臨時(shí)/ 偶然載荷，進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)考慮閥門關(guān)閉時(shí)的壓力升高載荷。

3) 可能產(chǎn)生水錘風(fēng)險(xiǎn)的泵房，應(yīng)進(jìn)行事故停泵水錘計(jì)算，必要時(shí)采取防護(hù)措施。

4) 在管道的特征點(diǎn)設(shè)置泄流、降壓設(shè)施，注意不同介質(zhì)、不同位置要選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)施。

5) 采用消除正壓、防止負(fù)壓綜合防治措施。常見的水錘消除定型裝置有水錘吸納器/ 消除器，常見的消除正壓水錘（減輕水錘升壓）措施有水泵出口設(shè)置多功能水泵控制閥、壓力預(yù)置泄壓閥、（微阻）緩閉止回閥、兩階段緩閉閥，管路上設(shè)雙向穩(wěn)壓塔和管線末端設(shè)溢流設(shè)施等；常見的消除負(fù)壓水錘（防止負(fù)壓）措施有管道上設(shè)置空氣閥、緩沖空氣罐、真空破壞閥、單向穩(wěn)壓塔、雙向穩(wěn)壓塔，管道末端設(shè)溢流裝置、調(diào)蓄水池等。

6) 對(duì)汽水管道進(jìn)行合理配置，避免配置不合理造成蒸汽管道易帶水、形成的積水難排出。

7) 蒸汽管道要考慮冷凝引起的水擊，蒸汽管道設(shè)置足夠可靠的疏水裝置，疏水裝置位置要設(shè)置合理。

8) 管道支吊架設(shè)置要合理、充足，且考慮水錘/ 水擊產(chǎn)生的沖擊力。

9) 重要設(shè)備及管道區(qū)域設(shè)監(jiān)控裝置，設(shè)備及閥門操作時(shí)、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備及管道系統(tǒng)情況，發(fā)生問題時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理。

10) 選擇合適的管道材質(zhì)，選擇恰當(dāng)?shù)牧黧w流速，流速不要過大。

5.1.2 注意事項(xiàng)

對(duì)于水錘預(yù)防與消除危害的專項(xiàng)防止，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)需要注意：

1) 采用瞬態(tài)水力過渡過程分析計(jì)算、管道系統(tǒng)水錘綜合防護(hù)設(shè)計(jì)、配置合適的預(yù)防和減弱水錘措施后，進(jìn)行開泵、停泵、開閥、關(guān)閥、流量調(diào)節(jié)等操作時(shí)，應(yīng)能避免產(chǎn)生直接水擊/ 水錘。

2) 間接水擊/ 水錘的瞬時(shí)最高壓力應(yīng)小于管道水壓試驗(yàn)壓力，負(fù)壓至少要控制在2 m 水柱之內(nèi)，最好消除負(fù)壓。

3) 注意管道系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱分離/斷裂彌合現(xiàn)象。

4) 注意離心泵出口閥門的工作壓力應(yīng)按離心泵關(guān)閥啟動(dòng)時(shí)/ 零流量時(shí)的泵壓頭選定。

5) 注意普通閥門（如調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥、各類型式的手閥）及水錘消除裝置的設(shè)置應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及廠家文件的要求，并根據(jù)自身性能特點(diǎn)、設(shè)置位置、流體特性、要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行選型。

6) 止回閥選型應(yīng)根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝位置、閥前水壓、閥門密封性能和關(guān)閉時(shí)引發(fā)的水錘、泵及電機(jī)的反轉(zhuǎn)要求等因素綜合確定，速閉止回閥和阻尼緩閉止回閥還應(yīng)考慮自身結(jié)構(gòu)與機(jī)理、自身阻力、管道口徑等因素。

7) 采用兩階段緩閉閥時(shí)，還要復(fù)核閥門第二階段關(guān)閉時(shí)不能引起泵的反轉(zhuǎn)（或不超過電機(jī)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求）。

8) 多功能水泵控制閥的選型應(yīng)根據(jù)自身功能、管道特性、管道口徑等進(jìn)行綜合確定。

9) 采用真空破壞閥時(shí)，注意復(fù)核其過流面積。

10) 空氣閥種類較多，應(yīng)根據(jù)其自身性能特點(diǎn)，結(jié)合水力過渡過程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選型。

11) 超壓泄壓裝置要安裝在管系中壓力最大處，如泵出口、止回閥上方、關(guān)閉閥上游。

5.2 操作措施

系統(tǒng)試車、開車及試生產(chǎn)前期，要盡快摸清并熟悉系統(tǒng)、設(shè)備、管道及閥門的性能，熟悉正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備、閥門動(dòng)作時(shí)的聲音，平臺(tái)、設(shè)備、管道及閥門的振動(dòng)情況，閥門開度等。精細(xì)操作，加強(qiáng)巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)徹底進(jìn)行處理。

在進(jìn)行設(shè)備（泵）開停、閥門開關(guān)及開度調(diào)整時(shí)，盡量有人員在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，重點(diǎn)關(guān)注操作是否完成，設(shè)備、管道及閥門運(yùn)行是否正常，是否有異響、振動(dòng)等異常現(xiàn)象。

進(jìn)行閥門（特別是液體管道閥門）開度調(diào)節(jié)時(shí)，速度要不要太快，應(yīng)多次、逐漸調(diào)節(jié)，降低波動(dòng)、減少水擊，維持系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性。

未配置變頻電機(jī)的離心泵，啟動(dòng)時(shí)需關(guān)閉泵出口閥門，或僅將出口閥門維持較小開度。泵啟動(dòng)后，再逐步開大出口閥，避免產(chǎn)生開泵水錘。

汽水管道要重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于蒸汽管道，暖管階段要加大疏水；正常運(yùn)行期間，疏水閥前、后手閥需全開，可以適當(dāng)將疏水閥旁路手閥保持較小開度，避免因疏水閥堵塞或故障導(dǎo)致輸水不暢，發(fā)生蒸汽帶水水擊。

重要設(shè)備與系統(tǒng)處有視頻監(jiān)控的，要經(jīng)常進(jìn)行觀察，特別是設(shè)備或閥門有操作時(shí)、系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整時(shí)。

6 結(jié)論與建議

開泵、停泵、開閥、關(guān)閥和快速的流量調(diào)節(jié)等操作，容易造成管內(nèi)流體流速的急劇變化而產(chǎn)生水錘，汽水管道設(shè)計(jì)不合理、蒸汽管道帶水容易造成水擊，影響系統(tǒng)正常操作，甚至危及管道系統(tǒng)、儀表及設(shè)備安全。

建議加強(qiáng)設(shè)備及閥門、水錘消除裝置的設(shè)計(jì)選型，對(duì)管道系統(tǒng)及閥門、水錘消除裝置進(jìn)行合理配置；建議對(duì)各種可能產(chǎn)生水錘的瞬態(tài)水力過渡過程進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行水錘預(yù)防與消除的綜合防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)；建議采用避免產(chǎn)生水錘，減輕增壓、防止負(fù)壓的綜合水錘防治措施；建議按不同流體性質(zhì)不同系統(tǒng)配置，合理選型并設(shè)置泄壓、消除負(fù)壓的設(shè)施；建議優(yōu)化并細(xì)化操作規(guī)程，操作人員熟悉系統(tǒng)、設(shè)備、管道及閥門的性能，并按章精細(xì)操作；建議系統(tǒng)開車時(shí)、系統(tǒng)投入或切除使用時(shí)、系統(tǒng)負(fù)荷變動(dòng)時(shí)、設(shè)備啟停時(shí)、閥門開關(guān)和流量調(diào)節(jié)時(shí)要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢，重點(diǎn)檢查設(shè)備、管道及閥門是否有異常，若發(fā)生水錘等問題及時(shí)進(jìn)行處理，避免問題積累與加劇。各種操作盡量避免產(chǎn)生直接水擊/水錘，降低間接水擊/水錘的危害，確保系統(tǒng)生產(chǎn)安全，正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

雖然通過增大管徑降低流體流速、增加管道支吊架、進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算與設(shè)計(jì)也可以降低水錘的影響，但由于不經(jīng)濟(jì)、降低效果不明顯、難以徹底消除水錘，建議以上措施僅作為水錘預(yù)防與消除的輔助選擇方案。