李軍

新疆建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司（石河子分院）

農(nóng)村供水管網(wǎng)工程中水錘現(xiàn)象的探討研究

李軍

新疆建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司（石河子分院）

文章主要論述了農(nóng)村供水管網(wǎng)工程中水錘現(xiàn)象，探討了工程設(shè)計(jì)中水錘壓力的危害性和具體防護(hù)措施，對(duì)于工程建設(shè)具有重要意義。

管網(wǎng)工程 水錘現(xiàn)象 探討研究

水錘是在突然停電或者在閥門關(guān)閉太快時(shí),由于壓力水流的慣性,產(chǎn)生水流沖擊波,就象錘子敲打一樣,所以叫水錘。針對(duì)農(nóng)村供水管網(wǎng)壓力輸水工程特點(diǎn),水錘計(jì)算是一項(xiàng)重要的工作。由于長(zhǎng)距離輸水工程管線長(zhǎng),管道起伏大,要求輸水保證率高,因此工程的安全運(yùn)行問題越來越受到科研、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理人員的重視。

本文對(duì)農(nóng)村供水管網(wǎng)壓力輸水工程的水錘防護(hù)措施進(jìn)行了分析，優(yōu)化了長(zhǎng)距離有壓重力輸水工程防護(hù)水錘的蝶閥關(guān)閉過程，提出了空氣閥組概念。水錘分析表明,采用空氣閥組和兩階段關(guān)閉蝶閥聯(lián)合作用可有效地防護(hù)長(zhǎng)距離加壓輸水工程中水錘危害。

一、農(nóng)村供水管網(wǎng)中的水錘現(xiàn)象

水流沖擊波來回產(chǎn)生的力，有時(shí)會(huì)很大，從而破壞閥門和水泵?！八N效應(yīng)”是指在水管內(nèi)部，管內(nèi)壁光滑，水流動(dòng)自如。當(dāng)打開的閥門突然關(guān)閉，水流對(duì)閥門及管壁，主要是閥門會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力。由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是水利學(xué)當(dāng)中的“水錘效應(yīng)”，也就是正水錘。在農(nóng)村供水管道建設(shè)中都要考慮這一因素。相反，關(guān)閉的閥門在突然打開后，也會(huì)產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大。電動(dòng)水泵合電壓起動(dòng)時(shí)，在不到 1秒的時(shí)間內(nèi)，即可從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，管道內(nèi)的流量則從零增加到額定流量。由于流體具有動(dòng)量和一定程度的可壓縮性，所以，流量的急劇變化將在管道內(nèi)引起壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，以及出現(xiàn)“空化”現(xiàn)象。 壓力的沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一般，稱為“水錘效應(yīng)”。水錘效應(yīng)只和水本身的慣性有關(guān)系，和水泵沒有關(guān)系。

由于突然開啟和關(guān)閉閥門所產(chǎn)生的水錘壓力往往較大，一般可達(dá)正常壓力的 1.3～1.4倍或更大，對(duì)供水管道和閥門的破壞性極強(qiáng)，甚至出現(xiàn)水柱斷裂現(xiàn)象，造成的后果無法估量。因此，對(duì)于工程中長(zhǎng)距離、高落差、大口徑的輸水管線，水錘分析就成了工程安全防護(hù)設(shè)備選型的主要依據(jù)。

水錘發(fā)生的原因有以下幾點(diǎn)：

1.啟泵、停泵、用啟閉閥門或改變水泵轉(zhuǎn)速、葉片角度調(diào)節(jié)流量時(shí)；尤其在迅速操作、使水流速度發(fā)生急劇變化的情況。

2.事故停泵，即運(yùn)行中的水泵動(dòng)力突然中斷時(shí)停泵。較多見的是配電系統(tǒng)故障、誤操作、雷擊等情況下的突然停泵。

3.閥門突然開啟或關(guān)閉。

4.單管向高處輸水（供水地形高差超過20米）。

5.水泵總揚(yáng)程（或工作壓力）大。

6.輸水管道中水流速度過大。

7.輸水管道過長(zhǎng)，且地形變化大。

水錘破壞主要的表現(xiàn)形式有：

1.水錘壓力過高，引起水泵、閥門和管道破壞；或水錘壓力過低，管道因失 穩(wěn)而破壞。

2.水泵反轉(zhuǎn)速過高或與水泵機(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)組的劇烈振動(dòng)和聯(lián)結(jié)軸的斷裂。

3.水泵倒流量過大，引起管網(wǎng)壓力下降，水量減小，影響正常供水。

二、管網(wǎng)中水錘壓力的特性和危害

1.水錘特性 .

(1)水錘壓力實(shí)際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)突然啟閉閥門時(shí)，由于啟閉時(shí)間短、流量變化快，因而水錘壓力往往較大，而且整個(gè)變化過程是較快的。

(2)由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水錘壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。注：水錘波在管中傳播一個(gè)來回的時(shí)間 tr=2L／a，之為相兩個(gè)相為一個(gè)周期2tr=T=2L／a。

(3)水錘波同其它彈性波一樣，在波的傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處(即邊界處)均要發(fā)生波的反射。其反射特性(指反射波的數(shù)值及方向)決定于邊界處的物理特性。

2.水錘的危害

水錘引起的壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的幾倍，甚至幾十倍。這種大幅度的壓強(qiáng)波動(dòng)，造成的危害有：

(1)壓強(qiáng)升高過大，引起管道強(qiáng)烈振動(dòng)，管道接頭斷開，破壞閥門，嚴(yán)重的造成管道爆管；

(2)引起水泵反轉(zhuǎn)，破壞泵房?jī)?nèi)設(shè)備或管道，嚴(yán)重的造成泵房淹沒；

(3)造成人身傷亡等重大事故，影響生產(chǎn)和生活。

三、水錘壓力的預(yù)防措施

利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算水錘壓力，可以提供管路內(nèi)水壓力分布狀況，即最大水錘壓力上升值、最低壓力線，校核設(shè)計(jì)方案的合理性，提出供水系統(tǒng)壓力管路安全防護(hù)的最優(yōu)關(guān)閉行程和安全運(yùn)行的保護(hù)措施。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算水錘壓力不但能縮短供水工程設(shè)計(jì)周期，降低試驗(yàn)費(fèi)用，而且可為供水工程安全運(yùn)行和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供技術(shù)依據(jù)。一般情況下，取快關(guān)時(shí)間等于或接近于正轉(zhuǎn)正流水泵工況達(dá)到流量為零的時(shí)間，慢關(guān)時(shí)間約為快關(guān)時(shí)間的1.4～1.7倍。

預(yù)防水錘壓力有以下幾種措施：

1.離心泵、混流泵應(yīng)在閥門關(guān)至15％～30％時(shí)而不是全關(guān)時(shí)停泵，這樣可以 降低水泵出口壓力，防止水泵振動(dòng)及延長(zhǎng)閥門使用壽命。對(duì)于軸流泵在泵出口一 般不應(yīng)設(shè)閥門。排除管道空氣，使管道充滿水后再開啟水泵。

2.進(jìn)排氣閥、安全閥的使用。

凡是長(zhǎng)距離輸水管道的隆起處各點(diǎn)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排氣閥或設(shè)置充水設(shè)施。

一般采取技術(shù)工程措施加以防護(hù)，在水泵出口處設(shè)置水錘消除器、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。進(jìn)排氣閥門或者超壓泄壓閥門的選用及數(shù)量，按照相關(guān)規(guī)范要求選取即可實(shí)現(xiàn)。

排氣閥的設(shè)置：管道初次輸水時(shí)，管道內(nèi)存有空氣，管道運(yùn)行時(shí)，實(shí)際上是水汽兩相流。因此在長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視排氣閥的設(shè)置，其數(shù)量應(yīng)根據(jù)沿線地形、地質(zhì)情況，合理確定管道的縱向布置，一般認(rèn)為每隔一定距離布置成一個(gè)高點(diǎn)，在駝峰處布設(shè)排氣閥，防止管道的氣蝕和振動(dòng)，以影響管道輸水及安全。

3.緩閉蝶閥防護(hù)在系統(tǒng)中的使用

在管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中，必須配置一定數(shù)量的進(jìn)排氣閥門或者超壓泄壓閥門聯(lián)合防護(hù)才有可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的安全。緩閉止回閥、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。

4.通過水錘計(jì)算，停泵水錘的大小主要與泵房的幾何揚(yáng)程有關(guān)，幾何揚(yáng)程愈高，停泵水錘值也愈大。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選用合理的水泵揚(yáng)程。

5.管道工作壓力的選擇

農(nóng)村供水輸水管道各段工作壓力不同，管道進(jìn)口（泵站出口）壓力最大，管道出口壓力最小，并受地形起伏的影響。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)工程具體情況計(jì)算出管道沿線的工作壓力，包括水錘壓力和檢修情況，以選擇管材壓力值。設(shè)計(jì)中盡量縮短管路長(zhǎng)度，限制管道內(nèi)流速在2.5～3米／秒。

6.嚴(yán)格系統(tǒng)運(yùn)行操作規(guī)程

為保證運(yùn)行安全，灌水時(shí)一定要按輪灌順序進(jìn)行工作，以防系統(tǒng)內(nèi)壓力不均而影響灌水均勻甚至破壞系統(tǒng)，且應(yīng)盡量延長(zhǎng)關(guān)閉閥門的時(shí)間。只要嚴(yán)格按照操作規(guī)程工作，不會(huì)產(chǎn)生水錘壓力破壞。

7.安裝泄壓保護(hù)閥，該設(shè)備安裝在管道的任何位置，和水錘消除器工作原理一樣，只是設(shè)定的動(dòng)作壓力是高壓，當(dāng)管路中壓力高于設(shè)定保護(hù)值時(shí)，排水口會(huì)自動(dòng)打開泄壓。為了滿足城鄉(xiāng)人民的正常生產(chǎn)和生活用水需求，減少供水管網(wǎng)及設(shè)施的維修費(fèi)用，降低供水管網(wǎng)壓力低造成的社會(huì)影響，預(yù)防供水事故的發(fā)生，認(rèn)識(shí)及消除不安全隱患，是非常有必要的。

綜上所述，管道的水錘壓力計(jì)算在微灌設(shè)計(jì)中占有重要的位置，尤其是與管道的保護(hù)設(shè)施的具體安裝位置密切相關(guān)。因而分析水錘現(xiàn)象對(duì)管網(wǎng)工程具有很好的實(shí)際工程意義。

[1]李遠(yuǎn)華.節(jié)水灌溉理論與技術(shù)[M].武漢水利電力大學(xué)出版社，1998.