陵水抗旱提水泵站工程輸水管道水錘壓力計算

李清晏，巢敬國

（1.漣源市水利局，湖南 婁底 417100；2.湖南旺巢環境工程有限公司，湖南 岳陽 414414）

1 1 #泵站工程水錘壓力計算

1.1 輸水管道管徑復核計算

1#泵站設計裝機3臺，總裝機1 200 kW，初選水泵型號為SN500-M9-648型，單機最小流量1 164 m3/h(0.232 2 m3/s)，最高揚程63.00 m；額定流量1 939 m3/h(0.538 7 m3/s)，額定揚程55.00 m；最大流量2 327m3/h(0.646 4 m3/s)，最低揚程49.00 m。本站設計單機流量2 160 m3/h(0.60 m3/s)，設計揚程50.00 m(其中凈揚程HO=45.80 m)；泵站設計灌溉需水流量為1.20 m3/s，按需水高峰期1天24 h連續運行考慮，管徑選擇按經濟流速方法選取，計算如下：

式中 D——輸水管內徑（m）；

Q設——泵站設計流量，本工程取Q設=1.20m3/s；

V——管道經濟水流速度，一般取1.00～2.50 m/s。

1.2 輸水管道水錘壓力計算

1）水錘壓力上升值復核計算

式中 △H——壓力水錘上升值（m）；

L總——壓力輸水管總長度；本站輸水壓力主管(上水管)長度取L=316 m；

g——重力加速度（9.81 m/s）；

Ts——閥門關閉時間(一般閥門關閉時間3～10s，本站取T s=3 s至全關)；

Vo——管內經濟流速，Vo=Q/πR2=1.20/(π×0.452）=1.89 m/s，V值一般為1.0～2.5 m/s。

當壓力主管閥門關閉瞬間，管內將產生水錘壓力上升，此時壓力主管的末端流量輸出為零，則V1=0.0/(π×0.45×0.45)=0.0 m/s。

2）水錘波傳播速度（α）計算

3）水錘壓力上升值復核計算

由此可知：當假設Ts=3 s時。則Ts=3 s＞Tr=0.632 s將產生間接水錘。

4）最大水錘壓力升高值率

h′max=（H0＋△H）/H0=（45.8＋40.59）/45.8=1.886

另判別間接水錘屬相范圍的兩個特性常數值ρ和σ的計算如下：

根據ρ和σ兩個特性常數值查圖，水錘壓力發生屬末相水錘范圍：即Z末＞Z1，

并依據ρ=2.10和τ=4.75 s再查水錘壓力升高值h′max圖可得知：h′max=1.58。

5）輸水主管壁厚計算

本站初擬輸水壓力主管采用球墨鑄管（K9型/1.60 MPa），內徑D=900 mm，暫按內水壓力產生的環向應力來計算主管壁厚。

①按最大水錘壓力升高值89%考慮計算主管壁厚δ時：

②輸水主管從1#鎮墩處至出水池末端管壁厚計算：

同前述計算公式，若按水錘壓力上升值58%考慮計算主管壁厚δ，則可得知：

1.3 輸水主管管型材質選擇

輸水主管距離不遠，全長316 m，但地形起伏較大，管道要求公稱壓力大，管材既可選用安裝方便、強度大的DN900 mm無縫鋼管（或螺旋鋼管），也可采用K9型1.60 MPa球墨鑄鐵管，通過上述計算得知，輸水主管壁厚應大于8.0 mm以上，根據具體情況和技術要求，綜合考慮輸水主管選擇如下：

1）當輸水主管采用球墨鑄管時，可選用K9型1.60MPa球墨鑄鐵管，取標準管徑DN900×12.6mm，1.60MPa球墨鑄鐵管，單根管長6000mm，單根管重約1700kg。球墨鑄鐵管的優點是不生銹、耐腐蝕、剛性強。

2）當輸水主管采用鋼管時，根據《泵站設計規范》要求，鋼管壁厚e應大于D/130=6.92 mm，考慮管道的壓力等級以及大部分管道均為埋地管或涵洞內潮濕環境，可選用DN900 mm無縫鋼管(或螺旋鋼管)，取標準管徑DN900 mm×9.0 mm(或Φ920 mm×9.0 mm，202.20 kg/m)，單根管長9 000 mm以上。

這樣選用的輸水壓力管可滿足該泵站工程的經濟技術要求。

2 2 #泵站工程水錘壓力計算

2.1 輸水管道管徑復核計算

2#泵站設計裝機3臺，總裝機555 kW，初選水泵型號為SN300-M9-445型，單機最小流量474 m3/h（0.131 7 m3/s），最高揚程68.00 m；額定流量790 m3/h（0.22 m3/s），額定揚程61.00 m；最大流量972 m3/h（0.27 m3/s），最低揚程53.00 m。本站單機設計流量792 m3/h（0.22 m3/s），設計揚程60.00 m（其中凈揚程HO=52.50 m）；泵站設計灌溉需水流量為0.60 m3/s，按需水高峰期24 h/d連續運行考慮，管徑選擇按經濟流速方法選取，計算如下：

式中 D——輸水管內徑（m）；

Q設——泵站設計流量，本工程取Q設=0.60 m3/s；

V——管道經濟水流速度，一般取1.00～2.50 m/s，本站為2.123 m/s。

2.2輸水管道水錘壓力計算

1）水錘壓力上升值復核計算

式中△H——壓力水錘上升值（m）；

L總——壓力輸水管總長度；本站輸水主管(上水管)長度L總=2 438 m。

g——重力加速度（9.81 m/s）；

Ts——閥門關閉時間(一般閥門關閉時間3～10 s，本站取Ts=5 s至全關)；

Vo——管內經濟流速，Vo=Q/πR2=0.60/(π×0.302）=2.123 m/s，V值一般為1.0～2.5 m/s。

當壓力主管閥門關閉瞬間，管內將產生水錘壓力上升，此時壓力主管的末端流量輸出為0，則V1=0.0/(π×0.30×0.30)=0.0 m/s。

2）水錘波傳播速度（α）計算

3）水錘壓力上升值復核計算

由此可知：當假設Ts=5 s時。則Ts=5 s＞Tr=4.876 s將產生間接水錘。

4）最大水錘壓力升高值率

h′max=（H0＋△H）/H0=（52.5＋211.05）/52.5=5.02

另判別間接水錘屬相范圍的兩個特性常數值ρ和σ的計算如下：

根據ρ和σ兩個特性常數值查圖，水錘壓力發生屬末相水錘范圍：即Z末＞Z1，

并依據ρ=2.06和τ=1.025 s再查h′max的水錘壓力升高值圖可得知：h′max=2.20。

5）壓力主管壁厚計算

本站初擬輸水主管采用球墨鑄管（K13型/2.50 MPa），內徑D=600 mm，暫按內水壓力產生的環向應力來計算主管壁厚。

①按最大水錘壓力升高值402%考慮計算主管壁厚δ時：

②壓力主管從1#鎮墩處至出水池末端管壁厚計算：

同前述計算公式，若按水錘壓力上升值220%考慮計算主管壁厚δ，則可得知：

2.3 輸水主管管型材質選擇

輸水管道距離較遠，全長2 438 m，地形起伏較大，管道要求公稱壓力大，同前所述：管材既可選擇安裝方便、強度大的DN600 mm無縫鋼管（或螺旋鋼管），也可采用球墨鑄管（K13型/2.50 MPa），通過上述計算得知，輸水壓力主管壁厚應大于13.0 mm以上，根據具體情況和技術要求，綜合考慮輸水壓力主管選擇如下：

1）當主管采用球墨鑄管時，選用K13型2.50 MPa球墨鑄鐵管，下段管道取標準管徑DN600×14.3 mm，2.50 MPa球墨鑄鐵管，單根管長6 000 mm，單根管重約1 300 kg,長度1 438 m；上段管道取標準管徑DN600×9.9 mm，1.60 MPa球墨鑄鐵管，單根管長6 000 mm，單根管重約882 kg，長度1 000 m；共計2 438 m。球墨鑄鐵管的優點是不生銹、耐腐蝕、剛性強。

2）當主管采用鋼管時，根據《泵站設計規范》要求，鋼管壁厚e應大于D/130=4.62 mm，考慮管道的壓力等級以及大部分管道均為埋地管或涵洞內潮濕環境，可選用DN600 mm無縫鋼管(或螺旋鋼管)，下段管道取標準管徑DN630×12.0 mm，單根管長9 000 mm以上，單位重182.90 kg/m，長度1 438 m；上段管道取標準管徑DN630×9.0 mm，單根管長9 000 mm以上，單位重137.83 kg/m，長度1 000 m；共計2 438 m。

3 結 論

2#泵站通過輸水管道水錘壓力升高值的計算可知：2#泵站輸水管道距離遠，全長2 438 m，又因管徑小，管內流速大，要求公稱壓力大，水錘壓力升高值高達4.02倍凈揚程，將會給泵站機組設備和輸水管道運行等帶來極大的安全隱患，為此，建議在輸水壓力管道的中部（適宜的高度處）增設緩沖逆止減壓閥，或在泵站匯聚水管處增設持壓/泄壓閥等，只有采取這樣的防范措施，才能消除輸水壓力管道中的水錘壓力升高值，以確保泵站機組設備的運行安全。