管道工程設(shè)計(jì)中的水錘分析及應(yīng)對(duì)策略

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1.水錘的危害

水錘的危害主要有以下幾種形式：（1）由于水錘的產(chǎn)生，使得管道中壓力急劇增大至超過(guò)正常壓力的幾倍甚至十幾倍（正水錘），其危害很大，會(huì)引起水泵、閥門和管道破壞；或水錘壓力過(guò)低時(shí)（負(fù)水錘），應(yīng)力交替變化，會(huì)引起管道和設(shè)備振動(dòng)，管道因失穩(wěn)而破壞。發(fā)生負(fù)水錘時(shí)，管中產(chǎn)生不利的真空，造成水柱斷流，和再次結(jié)合形成的彌合水錘，對(duì)管道破壞更為嚴(yán)重。（2）水泵及閥門的啟閉、運(yùn)行工況改變及其事故緊急停機(jī)等動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程造成的輸水管道內(nèi)壓力急劇變化和水錘作用等，常常導(dǎo)致泵房和機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。（3）水泵反轉(zhuǎn)速度過(guò)高或與水泵機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速相重合，以及突然停止反轉(zhuǎn)過(guò)程或電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)，從而引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永久變形，水泵機(jī)組的劇烈震動(dòng)和聯(lián)結(jié)軸的斷裂。（4）水泵倒流量過(guò)大，引起管網(wǎng)壓力下降，水量減小，影響正常供水。

2.影響水錘的因素

2.1管道流速

管道流速越低對(duì)于防止水錘發(fā)生越有利。管道流速越低，水流慣性越小，速度的微分變化率就越低，從而降低水錘升壓和降壓。流量相同時(shí)，管徑越大，流速越低，但投資費(fèi)用越高。在短距離輸水管道系統(tǒng)中，可以選用較大的管徑來(lái)獲得較低的流速以達(dá)到控制瞬變壓力。而長(zhǎng)距離輸水管道系統(tǒng)，管徑應(yīng)從投資成本及運(yùn)營(yíng)成本綜合考慮，一般需要設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備。

2.2管道平、縱布置

通常管道的縱向布置需要與現(xiàn)狀地面高程相匹配。在管道系統(tǒng)中較高的節(jié)點(diǎn)是容易產(chǎn)生負(fù)壓甚至由于壓力降低使管道內(nèi)的水汽化形成水柱分離，當(dāng)水柱再次彌合時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的水壓沖擊，造成嚴(yán)重危害。所以對(duì)于管道系統(tǒng)，最理想的情況是通過(guò)改變管道平、縱（可以加大局部管道埋深，降低管道高程，可以有效降低節(jié)點(diǎn)高程）布置，可以避免管道內(nèi)空氣的積累或形成負(fù)壓。

2.3管道材料

當(dāng)流量快速降低時(shí)，壓力傳遞速度對(duì)于瞬變作用非常重要；較軟的管道材料壓力傳遞速度比較硬的管道小。所以使用能夠抵抗水力沖擊的軟管，對(duì)于消除水錘非常有效。這也是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和球墨鑄鐵管被廣泛用于長(zhǎng)距離輸水管道工程中的原因。

2.4管道固定方式

架空管道比埋地管道更容易受到水錘破壞，這是因?yàn)槁竦毓艿赖墓艿阑A(chǔ)及覆土為其提供了額外的力量以阻止管道的變形和管道的結(jié)構(gòu)性毀壞。而架空管道則必須加固，才能抵抗本身存在的和水力瞬變產(chǎn)生的應(yīng)力。

2.5事故停電及誤操作

停泵水錘多數(shù)是由于事故停電及誤操作造成的，由于管路系統(tǒng)水流速度突然急劇變化，產(chǎn)生較大的水錘壓力波動(dòng)，有時(shí)可達(dá)到工作壓力的數(shù)倍，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成重大破壞性事故。

2.6水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反映轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的慣性大小，它是剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的度量，如同剛體做平動(dòng)時(shí)質(zhì)量是其慣性的度量一樣[2]。剛體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量與它們到轉(zhuǎn)軸距離平方的乘積之總和，稱為剛體對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。而剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角向加速度的乘積等于作用在剛體上的所有外力對(duì)轉(zhuǎn)軸之矩的代數(shù)和。由此可知，在轉(zhuǎn)矩一定的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大的剛體所獲得的角向加速度越小，即越不容易使剛體轉(zhuǎn)動(dòng)或改變它的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)；而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小的剛體所獲得的角向加速度越大，即越容易使剛體轉(zhuǎn)動(dòng)或改變它的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。因此，增大水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以使水泵斷電后轉(zhuǎn)速下降的速率減小，這在停泵水錘防護(hù)中是具有積極意義的。

3.工程上常用的防護(hù)措施

上述對(duì)影響水錘發(fā)生的諸多因素進(jìn)行了翔實(shí)的分析，知道可以通過(guò)設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)計(jì)流速的合理控制、管道平縱走線的合理布置、管材的合理選擇以及對(duì)系統(tǒng)的正確操作過(guò)程降低甚至避免產(chǎn)生水錘危害。下面再介紹些工程上常用的防護(hù)水錘設(shè)備及操作方法。

3.1空氣閥

長(zhǎng)距離輸水管道在開(kāi)始通水、停止通水、流量調(diào)節(jié)及事故停泵的不同工況下，需要將管內(nèi)空氣排出或者將管外空氣補(bǔ)充至管內(nèi)，保證管道系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。針對(duì)空氣閥的不同作用，空氣閥主要分為以下幾類：（1）空氣（真空）閥空氣（真空）閥是在低壓下運(yùn)行，大量進(jìn)氣或者排氣的閥門。主要作用是空管道通水時(shí)及時(shí)排除管內(nèi)空氣，以免產(chǎn)生氣阻而引發(fā)啟泵水錘；管道發(fā)生水錘事故產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，能夠及時(shí)補(bǔ)充空氣，避免負(fù)壓過(guò)大產(chǎn)生水柱分離。這種閥門的特點(diǎn)是進(jìn)排氣孔大，一般與閥門公稱直徑相同或者略小，但當(dāng)系統(tǒng)有壓運(yùn)行時(shí)，保持關(guān)閉狀態(tài)。（2）排氣閥排氣閥是在管道系統(tǒng)有壓運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)排放管道沿線某些較高位置聚集的小團(tuán)空氣的流體力學(xué)設(shè)備。排氣不暢會(huì)造成通水困難、水阻增大、流量達(dá)不到設(shè)計(jì)值甚至造成運(yùn)行期間爆管。因此排除管道系統(tǒng)有壓運(yùn)行中產(chǎn)生的微量氣體至關(guān)重要，排氣閥就是為解決這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生。與空氣（真空）閥門相比，該類型閥門進(jìn)排氣口很小，因其通氣孔很小，所以盡管在進(jìn)氣的時(shí)候也起到作用，但一般不考慮它的進(jìn)氣效果。（3）組合式空氣閥組合式空氣閥既能夠完成低壓進(jìn)排氣的功能，又可以在有壓工況時(shí)將少量的析出氣體排出，兼具空氣（真空）閥門和排氣閥兩種功能。

3.2增大水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

通過(guò)3.1.6對(duì)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分析可知，水泵機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，其轉(zhuǎn)子的角向加速度就越小，即機(jī)組轉(zhuǎn)速降低的速率越慢，轉(zhuǎn)速下降速率就越小，使機(jī)組的正常水泵工況歷時(shí)延長(zhǎng)。機(jī)組事故停泵后，水泵繼續(xù)在慣性作用下以緩慢降低的速率繼續(xù)向管路系統(tǒng)中供水，減小了管路中發(fā)生水柱分離的危險(xiǎn)性，避免了水壓和水流速度的急劇降低，能夠有效地降低停泵水錘的危害。3.3安全泄壓閥安全泄壓閥一般設(shè)置在水泵附近，是否需要設(shè)置超壓泄壓閥以及在何處設(shè)置超壓泄壓閥，需經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬分析計(jì)算。超壓泄壓閥的公稱直徑宜為主管道直徑的1/5～1/4，或經(jīng)水力計(jì)算確定。超壓泄壓閥的主要作用是當(dāng)管道中發(fā)生水力瞬變流時(shí)，當(dāng)某點(diǎn)的壓力過(guò)高時(shí)，在此點(diǎn)的超壓泄壓閥自動(dòng)打開(kāi)，泄流掉一定流量，維持管道在此點(diǎn)的壓力，保持管道在此點(diǎn)的壓力，當(dāng)壓力降到安全值后，泄壓閥再自動(dòng)關(guān)閉。

3.4空氣罐

空氣罐是一種內(nèi)部充有壓縮空氣的金屬水罐，其頂部為空氣，下部為水，一般安裝于水泵出口附近的壓力管道上。當(dāng)突然停機(jī)管內(nèi)壓力降低時(shí)，罐內(nèi)的壓縮空氣膨脹向管內(nèi)注水，減小管內(nèi)壓力減小值；當(dāng)管道中壓力升高時(shí)，空氣罐中氣體被壓縮，從而減小管道中壓力的升高值。

3.5合理選擇閥門形式及閥門關(guān)閉時(shí)間

閥門的形式不同，在不同開(kāi)度情況下的損失系數(shù)也不相同。在相同的關(guān)閥條件下，全閉點(diǎn)附近特性變化較均勻的閥門（如蝶閥、針閥等），其壓力上升較小。普通止回閥在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生很高的升壓，應(yīng)盡可能的少采用或者不采用。閥門慢慢的開(kāi)啟和關(guān)閉，可減小流速的變化率，從而可以減小水錘壓力的升高和降低；閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉歷時(shí)必要情況下必須通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行水力分析后確定，這種類型的設(shè)備有普通緩閉止回閥、兩階段關(guān)閉蝶閥、多功能水泵控制閥等。

4.工程實(shí)例

以柳州市古嘗河原水輸水工程為例，著重分析長(zhǎng)距離重力流輸水管道關(guān)閥水錘的保護(hù)措施。工程總設(shè)計(jì)規(guī)模為42.6萬(wàn)m3/d；管道設(shè)計(jì)工作壓力為1.0MPa；管道線路總長(zhǎng)度為50.650km。以末端閥門在10s內(nèi)勻速關(guān)閉（速閉），末端閥門在250s內(nèi)分兩階段關(guān)閉（前100s相對(duì)快速關(guān)閉80%；后150s內(nèi)緩慢關(guān)閉另外的20%）為例，分析不同的閥門關(guān)閉時(shí)間對(duì)水錘的影響。

5.結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)影響水錘發(fā)生諸多因素的深入分析，可以獲知，在工程設(shè)計(jì)中工程師可以通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)流速的合理控制、管道平縱走線的優(yōu)化布置、管材的合理選擇等優(yōu)化設(shè)計(jì)從源頭來(lái)降低甚至避免發(fā)生水錘危害。并且總結(jié)了一些常用的防護(hù)水錘設(shè)備及操作方法，可以為工程師作為設(shè)計(jì)參考。

作者：張文勝 孫巍 單位：中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司