王 娜（寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，寧夏銀川750004）

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泵站壓力管道的水錘研究

王 娜
（寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，寧夏銀川750004）

泵站停泵水錘是最具危害的一種現(xiàn)象，會(huì)使管道爆裂進(jìn)而導(dǎo)致工廠停工等。因此，在泵站的設(shè)計(jì)中對(duì)于水錘的設(shè)計(jì)一直都較為重視。本文以某泵站工程為案例，首先論述了管材的選擇過程；然后進(jìn)行了水錘計(jì)算分析，從關(guān)閥模式選擇、空氣罐優(yōu)化、空氣閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)等來說明水錘的防護(hù)設(shè)計(jì)；最后總結(jié)了泵站壓力管道水錘防護(hù)的幾種措施。本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于提高泵站壓力管道的防護(hù)具有重要的參考價(jià)值。

泵站；水錘分析；管材；管徑；防護(hù)措施

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.028

1 前言

所謂水錘，又稱水擊，指的是壓力管道中水流由于流速的變化而引起的劇烈的壓力交替升降的現(xiàn)象。如水泵突然停電時(shí)造成開閥停車，管道中便會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。尤其是在閥門關(guān)閉太快、長(zhǎng)距離輸水管道、管道流速較大、水泵總揚(yáng)程較大、供水地形高差超過20m時(shí)極易出現(xiàn)停泵水錘。

水錘的危害十分嚴(yán)重，如江西九江自來水公司第三水廠的水源泵站供水系統(tǒng)，自1999年建成以來，由于其受臨近長(zhǎng)江水位變幅較大和地形的限制，其管道存在兩個(gè)較大的凸起（水泵出口垂直提升20m穿越井筒形泵房的第一凸起和跨越長(zhǎng)江防洪大堤的第二凸起），而多次發(fā)生由于水錘導(dǎo)致管道破裂的事故。又如內(nèi)蒙古達(dá)拉特電廠，自1996年運(yùn)營(yíng)以來，1號(hào)、2號(hào)輸水管道先后發(fā)生16次大小不同的水錘事故，對(duì)于企業(yè)的正常發(fā)電運(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重影響。再如武漢市陽邏電廠循環(huán)水系統(tǒng)，由于操作人員對(duì)系統(tǒng)的瞬變水力特性認(rèn)識(shí)不足，1994年在停機(jī)和調(diào)整負(fù)荷時(shí)，出現(xiàn)了三次水錘事故，造成冷凝器、泵出口閥等設(shè)備破壞及泵房被淹事故。從上述三個(gè)案例可知，水錘的危害十分嚴(yán)重，其主要原因在于水流變化時(shí)，水壓可能會(huì)上升到正常工作壓力的數(shù)十至百倍，因而其具有非常大的破壞力，可能會(huì)造成泵房淹沒、管道破裂等情況。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)于水錘已進(jìn)行了大量的研究，如吳迪等基于彈性力學(xué)，推導(dǎo)了內(nèi)置軟管時(shí)的管道水錘波速公式，認(rèn)為內(nèi)置軟管道對(duì)于管道中的水錘波速影響較大。周龍才詳細(xì)介紹了一種水錘計(jì)算分析軟件的原理，以大亞灣引水工程為例說明對(duì)于長(zhǎng)距離管道而言，水錘防護(hù)的要點(diǎn)在于負(fù)壓防護(hù)。周龍才以武漢電廠取水泵站為背景，分析了鋼管和玻璃鋼夾砂鋼管之間存在的局部管材突變對(duì)水錘防護(hù)的影響。張旭針對(duì)核電廠中的長(zhǎng)距離管道水錘防護(hù)進(jìn)行了研究，從技術(shù)和投資的角度綜合來看，其認(rèn)為采用玻璃鋼管對(duì)于防護(hù)水錘效果較好。樊亮亮以長(zhǎng)沙市岳麓污水處理廠污水管理工程為具體案例，介紹了水錘防護(hù)的相關(guān)工程措施，包括設(shè)置安全泄壓閥、真空破壞閥、延時(shí)閥、流量控制閥等閥門。楊志峰以杭州蕭山管道工程為例，詳細(xì)說明了該工程防水錘措施的選擇過程，包括設(shè)置防水錘空氣閥和蓄能液壓緩閉蝶閥。李曦淳以天津?yàn)I海新區(qū)中央大道海河管道工程為相關(guān)背景，采用Hammer計(jì)算軟件模擬了管道瞬變流情形，介紹了水錘保護(hù)相關(guān)工程措施的選擇過程。胡建永說明了空氣閥在泵站閥防范水錘中的作用。

以上研究對(duì)于水錘的成因以及防護(hù)措施有重要的意義，但是以往的文獻(xiàn)并未研究不同管材如鑄鐵管、玻璃鋼管、鋼筋混凝土壓力管、聚氯乙烯管、橡膠管、石棉水泥管在不同管徑下的水錘計(jì)算。

為了優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，本文以某具體工程案例為分析背景，從管材的選擇、閥門的閉合、空氣罐的優(yōu)化、空氣閥的優(yōu)化等四個(gè)方面來論述泵站的水錘防護(hù)，以期為泵站管道的設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考。

2 不同管材下的水錘分析

對(duì)于泵站而言，在設(shè)計(jì)階段就要進(jìn)行事故停泵水錘計(jì)算。如可研階段采用簡(jiǎn)易圖解法，施工圖設(shè)計(jì)階段采用特征線法等數(shù)值計(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)算。

以某泵站工程為案例進(jìn)行分析，工程概況如下：采用一級(jí)泵站加壓輸水，渠底高程119m，設(shè)計(jì)水位127m，壓力管線管道全長(zhǎng)16km。

2.1 管材選擇

對(duì)于薄壁管而言，其水錘波計(jì)算公式為：

式中c為水錘波速，K為水的體積彈性系數(shù)，ρ為水的密度，D為管徑，δ為管壁厚度，E為管的彈性模量。

水錘的大小與水錘波速成正相關(guān)，因而可根據(jù)式（1）得到不同管材的水錘波速，具體結(jié)果見表1所示。

表1 不同管材下的水錘波速計(jì)算結(jié)果

從表1可知，水錘波在聚氯乙烯管和玻璃鋼管中均較低，在鋼管和鑄鐵管中較大。因此，在相同條件下，水錘波在聚氯乙烯管和玻璃鋼管產(chǎn)生的波速較小，因而其影響也相對(duì)小一些，在管材選擇方面優(yōu)先選擇這兩種。

此外，考慮到本工程的管線較長(zhǎng)，必須考慮負(fù)壓保護(hù)。對(duì)于負(fù)壓的保護(hù)，可以從壁厚考慮來保護(hù)負(fù)壓。但是聚氯乙烯管和鑄鐵管均為標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，其壁厚不能調(diào)整，而玻璃鋼管為一種可設(shè)計(jì)的管道。因而考慮到施工的方便及管道的正負(fù)壓影響，優(yōu)先采用玻璃鋼管。

2.2 水錘的計(jì)算分析

水錘計(jì)算相關(guān)參數(shù)：1）泵后緩閉式回閥參數(shù)：DN800蝶閥；2）水泵機(jī)組參數(shù)：采用OTS250-800A1 /2型水泵，Y4506-4630KW電機(jī)，設(shè)計(jì)流量為0.3m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為152m，額定轉(zhuǎn)速為1200rpm；3）特征水位：出水管高程為238m，蓄水池管高程為126.3m；4）管道特征：設(shè)計(jì)流量為0.5m3/s，管道總長(zhǎng)16km，極限水壓力2MPa。

管路模型與沿程水頭計(jì)算結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 管路模型

圖2 沿程水頭計(jì)算結(jié)果

2.2.1 關(guān)閥模式選擇

（1）簡(jiǎn)單止回閥工況。在這種工況下，閥門在瞬間關(guān)閉，水泵出現(xiàn)事故而停泵產(chǎn)生水錘。計(jì)算結(jié)果表明最大壓力在泵站出口處，如圖3所示最大壓力為2.5MPa，超過極限壓力2MPa，且其發(fā)生的時(shí)間在72s左右。上述分析表明本工程在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單止回閥后無法控制水錘現(xiàn)象，會(huì)引發(fā)較大的水錘壓力和水柱分離。

（2）在泵后設(shè)置緩閉式止回閥對(duì)前述泵站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。分別計(jì)算（考慮閉合速度）15-251s、15-199s、15-150s、10-201s、10-151s等五種情況下管壓。計(jì)算結(jié)果表明最大壓力值出現(xiàn)在：15-150s。即止回閥關(guān)閉的速度與沿程最大壓力值有直接關(guān)系。

圖4給出了上述5種模式下泵站出口水頭變化。結(jié)果表明：在停泵后130s內(nèi)，閉合速度對(duì)于泵站出口的壓力基本沒有影響，但是要比設(shè)簡(jiǎn)單止回閥下降很多。在130s之后，止回閥關(guān)閉的快慢對(duì)于泵站出口壓力產(chǎn)生顯著的影響。綜合上述計(jì)算結(jié)果，本工程應(yīng)采取0-15s內(nèi)閥門全開，15s后立即關(guān)閉81%左右，15-251s內(nèi)慢慢閉合。

圖3 泵站出口水頭變化（簡(jiǎn)單止回閥）

圖4 泵站出口水頭變化（緩閉式止回閥）

2.2.2 空氣罐優(yōu)化

空氣罐對(duì)于減緩水錘有重要的作用，但是其體積和直徑如何設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的問題。為此，分別取空氣罐體積為15、20、25、30m3時(shí)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：在空氣罐阻抗孔直徑一定的情況下，隨著體積的增大，水錘的上升壓越小。在空氣罐體積一定的情況下，隨著阻抗孔直徑的減小，減小了波動(dòng)的衰減。綜上所述，本工程采取阻抗孔直徑為40cm體積為20m3的空氣罐。

2.2.3 空氣閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

泵后設(shè)置空氣罐時(shí)，發(fā)生停泵水錘時(shí)采用緩閉式止回閥方式。在樁號(hào)5800處仍然出現(xiàn)負(fù)壓，因而需設(shè)置空氣閥以減小該處負(fù)壓。本文研究了設(shè)置3種不同的空氣閥后的壓力變化情況。結(jié)果表明：只在樁號(hào)6000附近有明顯區(qū)別，即空氣閥只對(duì)其附近有一定影響。因此，在確定空氣閥時(shí)，主要選擇依據(jù)為其對(duì)局部負(fù)壓的影響。對(duì)比了40mm/ 4mm、50mm/5mm、60mm/6mm三種空氣閥對(duì)局部負(fù)壓的影響，結(jié)果表明采用50mm/5mm這種空氣閥得到的負(fù)壓最小。因此，采用進(jìn)氣孔直徑為50mm，出氣孔直徑為5mm的空氣閥，分別設(shè)置在樁號(hào)6051.7、6231.7、15703.4、15952.3等處。

3 水錘防護(hù)措施

水錘的防護(hù)措施除了管材的選擇之外，還包括設(shè)置逆止閥、空氣室等設(shè)備，具體內(nèi)容詳見表2。

表2 水錘一般防護(hù)措施

4 結(jié)語

（1）在泵站啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)，一般都會(huì)產(chǎn)生水錘，對(duì)泵站管道造成了嚴(yán)重危害。為了防治水錘的危害，本文以某具體工程為背景，分別從管材的選擇、關(guān)閥模式選擇、空氣罐優(yōu)化、空氣閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)等四個(gè)方面來說明如何進(jìn)行水錘的設(shè)計(jì)。

（2）本工程中，在泵后僅僅設(shè)置止回閥是不夠的，此時(shí)停泵水錘會(huì)超過管道最大壓力，極有可能導(dǎo)致爆管。因此對(duì)于大揚(yáng)程泵站管道不應(yīng)只設(shè)置簡(jiǎn)單止回閥，而應(yīng)采用緩閉式止回閥。在閉合方式上，本工程應(yīng)采取0-15s內(nèi)閥門全開，15s后立即關(guān)閉81%左右，15-251s內(nèi)慢慢閉合到100%?？諝夤迌?yōu)化中發(fā)現(xiàn)隨著空氣罐體積的增大，水錘的危害逐漸減小?？諝忾y優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)空氣閥應(yīng)采用大孔進(jìn)小孔出的設(shè)置原則可以有效減少負(fù)壓的影響。

（3）本文最后總結(jié)了幾種防護(hù)水錘危害的措施：設(shè)置緩閉式逆止閥，設(shè)置空氣室，設(shè)置安全閥，設(shè)置合理的調(diào)節(jié)規(guī)律，縮短管道長(zhǎng)度等。

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1672-2469（2016）01-0085-04

2015-06-12

王 娜（1990年—），女，工程師。