雷鵬

【摘要】水錘是輸水管路中由于系統(tǒng)水流的突變而形成的，水錘會(huì)引起一系列的壓力交替變化，嚴(yán)重的影響到了水泵和管網(wǎng)的安全。論文通過(guò)對(duì)水錘現(xiàn)象的分析，利用水錘基本方程分析了水錘的危害，最后為預(yù)防水錘提供一些建議。

【關(guān)鍵詞】給水管；水錘；危害；預(yù)防

1、引言

供水管網(wǎng)管道平均壓力在0.5-2MPa之間，由于水泵系統(tǒng)負(fù)荷有時(shí)發(fā)生變化（如因事故突然丟棄負(fù)荷，或在較短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)機(jī)組或增加負(fù)荷），會(huì)導(dǎo)致水泵的突然停止或加速，當(dāng)水泵流量發(fā)生變化的時(shí)，管路中的流量Q和流速V均會(huì)發(fā)生劇烈的變化，由于水屬于牛頓流體，其具有一定的慣性，而管道是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，當(dāng)流速突然發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)使得管路中的壓力也發(fā)生變化，此時(shí)容易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，使得管路中的壓力超過(guò)2 MPa，供水管網(wǎng)容易出現(xiàn)爆管或者管道借口破裂的現(xiàn)象。

水錘是破壞水泵和管道的重要因素之一，對(duì)泵的零配件和管道周圍會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊波，導(dǎo)致管道明漏和暗漏的流量增加，浪費(fèi)水資源，危害到飲水安全。分析水-管網(wǎng)系統(tǒng)中水錘的形成機(jī)制、危害與防治做事，對(duì)于保證飲水安全有著十分重要的意義。

2、水錘現(xiàn)象的形成機(jī)制解析

2.1 水錘現(xiàn)象與特性

在供水管網(wǎng)輸水過(guò)程中，由于停電或者檢修等原因，有時(shí)候會(huì)突然關(guān)閉水泵，由于水流具有一定的慣性，進(jìn)入管網(wǎng)的水流速度會(huì)有一定的突變，水流的突變會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壓力瞬間增加，而這種變化是交替波動(dòng)的，這種現(xiàn)象稱為水錘，其變化量計(jì)算公式為：

△H=（a/g）△V

其中，△H—壓力水頭增量；a—水錘的傳播速度；g—重力加速度；△V— 速度的變化量。通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水錘的壓力大約在3.5MPa左右，因此如果在年久失修的管路中，很容易導(dǎo)致事故的發(fā)生，導(dǎo)致水管破裂、尾氣管氣蝕發(fā)生，水泵運(yùn)行產(chǎn)生劇烈振動(dòng)、管網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性急劇下降。

我們可以把水錘的特性歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：（1）水錘實(shí)際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力，即當(dāng)突然啟閉閥門(mén)時(shí)，由于啟閉時(shí)間短、流量變化快，因而水擊壓力往往較大，而且整個(gè)變化過(guò)程是較快的。（2）由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水擊壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。（3）水擊波傳播過(guò)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。

導(dǎo)致水錘產(chǎn)生的主要由于由以下幾個(gè)：（1）閥門(mén)瞬間啟閉；（2）水泵機(jī)組突然停止或者開(kāi)啟；（3）單獨(dú)的管道向高地輸水（高差大于20m）；（4）水泵揚(yáng)塵H較大；（5）輸配上管路流速過(guò)大；（6）閥門(mén)沒(méi)有設(shè)置排氣閥。

2.2 水錘基本方程

水錘現(xiàn)象的物理本質(zhì)是屬于牛頓二定律的范圍。因此可依據(jù)水流的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程導(dǎo)出水錘的基本方程：

方程（5）和（6）稱為水錘基本方程。F、f稱為任意波函數(shù)。其量綱與水頭H量綱相同，故可視為壓力波。F是以速度c沿x軸負(fù)方向，向上游傳播的水擊波，稱為逆流波，它是所有逆流波的總和；同理，以速度c度c沿x軸正方向，向下游傳播的水擊波，稱為順流波，它是所有順流波的總和。這兩個(gè)波的性質(zhì)是 t 和x的組合不變，函數(shù)值不變。

因?yàn)椴ê瘮?shù)f=0，所以方程（5）和（6）聯(lián)立消去F，可得直接水擊的計(jì)算公式（7）：

從上式可看出：（1）關(guān)閉閥門(mén)，流速減小，水錘壓力為正，發(fā)生正水錘；（2）開(kāi)啟閥門(mén)，流速增大，水錘壓力為負(fù)，發(fā)生負(fù)水錘；（3）水錘壓力僅與流速變化和水擊波速有關(guān)，而與開(kāi)度的變化速度、變化規(guī)律以及管道長(zhǎng)度無(wú)關(guān)；（4）直接水錘產(chǎn)生的壓力是巨大的，在水電站中絕對(duì)不允許出現(xiàn)直接水錘。若管中初始流速 V0 =5m/s， 波速 c=1000m/s，g 取10，在丟棄全負(fù)荷時(shí)若發(fā)生直接水錘，ΔH將達(dá)500m，因此自來(lái)水廠中直接水錘是應(yīng)當(dāng)絕對(duì)避免的。

2.3 管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓取值

管道所承受的荷載種類非常的多，包括內(nèi)部荷載和外部荷載，管道內(nèi)部的設(shè)計(jì)水壓是最復(fù)雜的，國(guó)內(nèi)外研究管道壓力時(shí)，都要對(duì)管道的長(zhǎng)期壓力、瞬時(shí)壓力（水錘）、極限壓力等分別進(jìn)行研究。

長(zhǎng)期壓力應(yīng)該根據(jù)工程設(shè)計(jì)的水流速度、水量、水壓等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)水利模型和實(shí)際的測(cè)試水壓對(duì)水力進(jìn)行計(jì)算和分析，繪制出管路的水壓線。

管路的瞬時(shí)壓力是進(jìn)行非穩(wěn)定流水利過(guò)度過(guò)程的分析計(jì)算，計(jì)算時(shí)，水壓為正常水壓的0.5倍左右。

極限壓力是管道能夠承受水壓的最大壓力，高于這個(gè)壓力管路必然會(huì)出現(xiàn)爆管的情況，極限壓力就管材、管徑的不同而不同。

2.4 水錘的危害

水錘現(xiàn)象對(duì)水廠二級(jí)泵站壓力輸水管的危害最大，當(dāng)閥門(mén)瞬時(shí)啟閉或者水泵突然啟閉的時(shí)，壓力供水管網(wǎng)的起端會(huì)形成負(fù)壓力，當(dāng)水錘波返回時(shí)，壓力管道中起始端的壓力從負(fù)壓狀態(tài)開(kāi)始回升；而輸配水管網(wǎng)中的高壓點(diǎn)可能會(huì)變?yōu)樨?fù)壓電，也是管路產(chǎn)生破壞機(jī)制中最為嚴(yán)重的部位；由于水泵停止后，其沒(méi)有動(dòng)力，如果水泵的出口不關(guān)閉，管道中的流量會(huì)很快倒流，使得水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)，如果嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水泵軸套松動(dòng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，大部分的水錘事情都是由于水泵停泵后引起的。水錘現(xiàn)象由于隨機(jī)性的發(fā)生，其具有瞬時(shí)性，短暫性，會(huì)對(duì)工程造成嚴(yán)重的損害，嚴(yán)重時(shí)，水泵機(jī)組會(huì)振壞，管道破裂，輕則會(huì)導(dǎo)致水泵機(jī)組震動(dòng)，產(chǎn)生巨大噪聲。

2.5 水錘的防護(hù)技術(shù)

為了減少水錘發(fā)生或水錘導(dǎo)致對(duì)管網(wǎng)的破壞，論文提出一下的措施：

2.5.1防護(hù)設(shè)施

設(shè)置雙向調(diào)節(jié)塔：雙向調(diào)節(jié)塔通過(guò)設(shè)置在管道水柱應(yīng)力較弱的駝峰點(diǎn)，設(shè)置的溢流口標(biāo)高應(yīng)該高于設(shè)計(jì)的水位，溢流管道的出口采取相應(yīng)防止水流沖刷導(dǎo)致的破壞的措施。

設(shè)置單向調(diào)節(jié)塔：?jiǎn)蜗蛘{(diào)節(jié)塔可以在輸配水管路出現(xiàn)異常壓力的時(shí)候，將其快速的消除（負(fù)壓時(shí)，可以消除負(fù)壓；出現(xiàn)水錘時(shí)，可以減少水由于水錘產(chǎn)生過(guò)高的壓力而對(duì)管路的破壞）。通常應(yīng)在調(diào)節(jié)塔上設(shè)置止回閥，即只能允許塔中的水注入管道，而不允許管道中的水涌入水塔中。

2.5.2 防護(hù)設(shè)備

（1） 設(shè)置調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)閥的形式非常多，要根據(jù)不同的情況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。通過(guò)調(diào)節(jié)閥的啟閉來(lái)控制管道的壓力、流速，通過(guò)這種方法來(lái)干涉水錘的形成，達(dá)到水錘消除的效果。

（2）設(shè)置兩階段關(guān)閉液壓可控閥：兩階段關(guān)閉液壓可控閥在二級(jí)水泵啟閉時(shí)能夠自行的啟閉，如在事故發(fā)生時(shí)，其能夠自動(dòng)的關(guān)閉至某一角度，其余的角度則以相當(dāng)慢的速度關(guān)閉。這樣即使在發(fā)生事故時(shí)，也能有效的預(yù)防水錘的形成。

（3）設(shè)置空氣罐：空氣罐是內(nèi)部有一定的壓力空氣的罐子，空氣管能夠在管路上發(fā)生水錘時(shí)，使得內(nèi)部的氣囊壓縮，為管道起到了緩沖的作用，管路壓力下降時(shí)，氣囊中的空氣會(huì)快速的向管道中膨脹，有消除水錘的危害。

（4）設(shè)置水錘泄放閥：水錘泄放閥是水力式自動(dòng)控制閥，如果管道中的壓力超過(guò)了設(shè)計(jì)值時(shí)，水錘泄放閥會(huì)快速的開(kāi)啟，當(dāng)管道中的壓力變?yōu)檎Ｋ綍r(shí)，該閥又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，因此不會(huì)產(chǎn)生二次水錘效應(yīng)。

（5）設(shè)置空氣閥：空氣閥可以消除較長(zhǎng)的輸水管斷流彌合水錘危害。

3、結(jié)論與展望

進(jìn)行水泵站的水錘形成分析、危害及防護(hù)措施的研究，認(rèn)為要防止水錘的形成歸根結(jié)底還是要管理好水泵的運(yùn)行。在實(shí)踐過(guò)程中，水錘是必不可免得，此時(shí)我們應(yīng)該做好保護(hù)措施，防止水錘對(duì)管道的危害。

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