船舶壓力注水管道水錘及防護措施研究

雷威，程舟濟，潘永軍，彭貝

（武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064）

在船舶壓力注水管道中，由于海水流動速度的突然變化導致管道中產生急劇的壓力交替變化的水力撞擊現象，稱為水錘。就本質而言，水錘就是管道瞬變流動中的一種壓力波，它的產生是由于管道某處的流速發生了急劇改變，從而導致該處的壓力產生突然躍升或下跌，這個壓力的瞬變波就是水錘。在船舶壓力注水管道注水過程中，壓力管道中的閥門快速關閉時，由于水錘現象，管道內的海水壓力會迅速變化，可能上升至正常工作時壓力的幾倍甚至是幾十倍。

由于船舶壓力注水系統管道長、水力條件復雜、閥門啟閉頻繁，水錘在船舶壓力注水管道中產生的振動不僅會對管道產生危害，當管道內產生周期性的壓力波動時，將有可能引發系統的共振，對系統和設備的穩定構成了嚴重的威脅。曹云等研究了管道中因球閥關閉引起的直接水錘，使用流體力學計算軟件進行了管道水錘三維建模和模擬。方成躍等研究了波速變化對管道內水錘壓力波幅值與周期的影響。易平研究了各種工況下的關閥時間與水擊壓力的關系。

本文采用Flowmaster軟件對船舶壓力注水管道系統進行建模，對水錘的產生過程進行模擬，討論關閥時間對水錘的影響，并提出壓力注水管道水錘的兩種防護措施。

1 管道水錘的基本理論

水錘波速作為管道內壓力波的重要參數，對壓力波的影響主要體現在壓力波幅值與傳播周期兩個方面。彈性水錘波速理論公式的計算公式如下：

式中，a為水錘波速；K為流體的體積彈性模量；ρ為流體密度；D為管徑；E為管壁材料的彈性模量；e為管壁厚度；c1為管道支撐相關系數。

根據Joukowsky水錘的經典計算公式，可以得到管道內部的壓力變化:

式中，ΔP為管內壓力變化；ΔV為管內流體速度變化；ρ為管內流體的密度；a為水錘的波速。

據牛頓第二定律和質量守恒定律，可得到的水錘基本方程：

運動方程：

連續方程：

式中，V為管線中流體速度；x為距離；t時間；H為測壓管的水力坡度線高度；D為管線直徑；α為管線軸線與水平面的夾角；f為摩阻系數；g為重力加速度；a為波速。

2 管道水錘現象仿真分析

Flowmaster是一維工程流體管道系統分析軟件，其具有豐富的元件庫，可方便快捷地搭建系統仿真模型，擅長對流體管路系統進行整體分析。該軟件基于特征線法，把流體管道作為研究對象，對整個系統進行分析。Flowmaster在進行仿真計算時，將系統模型看作由一系列流體元件組成，元件之間通過節點相互連接，各個元件通過連續性方程和動量方程來描述。因此，整個系統的仿真被簡化成為求解線性方程組的問題。

以某船舶壓力注水系統為例，系統原理圖如圖1所示，該系統將壓力海水注入至水艙內，由于在水艙注水完成后，球閥需要快速關閉，因而產生水錘現象。

圖1 某船舶壓力注水系統示意圖

使用Flowmster對該系統進行建模，模型如圖2所示。系統中彎管、接頭等均用離散損失元件Discrete Loss代替。海水壓力為30bar；管道3、管道4長度均為50m，管道直徑為0.1m，波速為1000m/s；閥門直徑為0.1m；水艙為敞口水艙，表面壓力為1bar。

圖2 壓力注水系統模型

閥門控制信號如圖3中灰線所示，閥門在0～2s時開度為1，0.5內關閉（2.5s時完全關閉）。圖3是節點3處的水錘壓力隨時間變化曲線，正常工作時，節點3處的壓力為15.53bar；閥門關閉后，節點3處的壓力峰值達到81.77bar，為正常狀態下的5.3倍，并且壓力出現周期性波動。由于閥門的突然關閉導致壓力注水管道出現了明顯的水錘現象，而且壓力峰值遠高于正常工作狀態。

圖3 水錘壓力隨時間變化曲線

3 管道水錘防護措施

在壓力注水管道系統中，影響水錘產生的因素有管路參數（管長、橫截面積）、管道連接方式、部件參數（如閥門參數）、操作方式（如閥門關閉方式）等。因此，根據當前系統的特點，本文采取以下防護措施：改變關閥方案、安裝抑制水錘裝置等措施。

3.1 關閥方案對水錘現象的影響

水錘是由于閥門的突然啟閉，使管道內的流速發生突然變化，從而引起對管道的壓力沖擊。因此可以通過適當延長關閥時間，改變關閥方式降低水錘峰值壓力。根據上述的措施，制定如表1所示的不同的關閥方案，并對4種關閥方案進行研究。閥門開度與時間關系如圖4所示，不同關閥方案下水錘壓力如圖5所示。

圖4 不同關閥方案對比

表1 關閥方案對比

從圖5中可以看到，四種關閥方案的水錘峰值壓力分別為81.77bar、38.07bar、24.36bar、53.49bar。對比關閥方案1和關閥方案2可以看到，同樣是線性關閉閥門，閥門關閉時間延長，管道內的水錘壓力將會減小；對比關閥方案2與關閥方案3可以看到，當總的關閥時間不變，采用兩階段雙速關閉閥門時（第一階段快關，第二階段慢關，即凹曲線），管道內的水錘壓力有明顯降低。對比方案2與方案4，當總的關閥時間不變，采用兩階段雙速關閉閥門時（第一階段慢關，第二階段快關，即凸曲線），管道內的水錘壓力卻上升。

圖5 不同關閥方案的水錘壓力

因此，在球閥閥門關閉時間可調的情況下，適當地延長球閥的關閉時間是一種有效降低管道水錘壓力的方法。采用兩階段雙速關閥的方案時，在相同的關閥總時間下，凹曲線能夠進一步降低管道水錘壓力。

為了研究兩階段雙速關閥方案中，凹曲線斜率對水錘壓力的影響，制定如表2所示的不同的關閥方案，閥門開度與時間關系如圖6所示，不同凹曲線關閥方案下水錘壓力如圖7所示。

圖7 不同凹曲線關閥方案下水錘壓力

表2 關閥方案對比

圖6 不同凹曲線關閥方案對比

從圖7中可以看到，閥門完全關閉時水錘壓力峰值分別為31.18bar、24.36bar、17.30bar、8.96bar，隨著凹曲線第一階段關閥速度的增加，對水錘波動的峰值壓力越來越小。但是，隨著凹曲線第一階段關閥速度的增加，在關閥第一階段結束時出現了新的壓力峰值-13.19bar、-11.96bar、-26.48bar、-41.04bar，并且隨著第一階段關閥速度的增加，該峰值逐漸增大，凹曲線4的第一階段結束時的壓力峰值甚至超過了關閥結束時的水錘壓力峰值。因此，兩階段雙速關閥曲線第一階段的關閥速度不是越大越好，還應注意第一階段結束時的壓力值變化，使其不超過關閥結束時的水錘壓力峰值。

通過多次仿真對比，提出一種雙速關閥曲線該曲線如圖8所示，第一階段關閉閥門的3/4，第二階段關閉閥門的1/4，此時，對水錘的抑制效果最好，并且由于第一階段關閥產生的壓力峰值未超過關閥結束時的水錘壓力峰值。

圖8 一種關閥曲線及水錘壓力

圖9 為所提出的關閥方案的末端管道受力圖。從圖中可以看到，管路受到5Hz、15Hz的沖擊力，若系統某處的固有頻率為5Hz、15Hz，將有可能導致共振，對系統造成危害。因此，改變不同的關閥方式能夠有效降低管道水錘壓力的峰值，但是，周期性波動現象仍然存在，依舊會造成管道系統的周期性振動。

圖9 末端管道受力圖

3.2 安裝抑制裝置對水錘現象的影響

在管道中增加水錘抑制裝置能對水錘的幅值及波動進行有效的抑制，考慮到船舶系統的安裝空間及使用條件，為保護系統末端設備，采取了以下水錘防護措施：在球閥后安裝放氣閥；在球閥后安裝穩壓罐。模型如圖10所示。

圖10 安裝兩種水錘抑制裝置模型

從圖11中可以看到，安裝兩種抑制裝置后，管道水錘壓力峰值得到明顯抑制，而且壓力波變化非常平穩。放氣閥對管道水錘波動效果的抑制優于穩壓罐，安裝穩壓罐的管道系統在閥門關閉后，由于海水流速的突然變化，出現短時的負壓，而且在恢復穩定的過程中有幅值較小的波動。

圖11 安裝抑制裝置后管道水錘壓力

4 結語

本文使用Flowmaster軟件對某船舶壓力注水管道系統進行建模，對管道的水錘現象進行了數值模擬，研究了關閥方式以及安裝水錘抑制裝置對水錘現象的影響。得到結論如下：

（1）壓力注水管道中，延長閥門關閉時間，管道內水錘壓力將會減小。相同的關閥總時間，采用凹曲線兩階段雙速關閉的方案，能夠進一步減小管道內水錘壓力。

（2）凹曲線第一階段的關閥速度不是越大越好，還應注意第一階段結束時的壓力值變化，使其不超過關閥結束時的水錘壓力峰值。

（3）改變不同的關閥方式能夠有效降低管道水錘壓力的峰值，但是水錘壓力仍然進行周期性波動，依舊會造成管道系統的周期性振動。

（4）在注水管道中安裝穩壓罐及放氣閥不僅能夠有效抑制管道內水錘壓力峰值，而且能夠抑制水錘壓力的周期性波動，放氣閥對水錘壓力波動的抑制效果優于穩壓罐。