祁少云

（廣船國際技術中心）

0 前言

船舶建造是一個復雜的工程，船舶上存在著大量的管路，船舶管路中各使用終端存在用水量不確定、用水時間不確定的情況，船舶管路使用過程中，就會出現(xiàn)水錘效應。如果流速設計不當，容易對管道、供水設備、閥件造成嚴重損害。水錘效應是指管道內(nèi)壁光滑，液體正常流動，當突然打開或關閉閥門和換向時，管道內(nèi)流體在極短的時間內(nèi)由于流量發(fā)生突變，引起的壓強急劇升高或降低的交替變化對管道、閥件及泵等產(chǎn)生的強烈沖擊，產(chǎn)生猶如錘子敲擊管道、泵、閥件等產(chǎn)生噪聲的現(xiàn)象。突然打開閥門時管內(nèi)流體在慣性作用下壓力變?yōu)樨搲簽樨撍N；突然關閉閥門時管內(nèi)流體在慣性作用下壓力變?yōu)檎龎簽檎N。由于水錘的產(chǎn)生使管道壓力急劇增大有可能達到正常壓力的幾倍至幾十倍，有可能導致管路爆裂、閥件的閥盤和泵的葉輪補擊穿，反之壓強過低又會導致管道癟塌、閥件的閥盤變形和泵的葉輪被折彎。

1 水錘的產(chǎn)生原因及傳播

如圖1 管路A 端法蘭接閥件，B 端法蘭接水池。現(xiàn)以管路長度為L,閥件關閉前管路中液體流速為V0，閥門關閉前管路的壓力為p0，閥件關閉后液體在管路里傳播的時間為t 為例來闡述。當閥門突閉時，緊接閥門的管路法蘭A 處的液體流速降低為零，管路中的液體由于慣性作用仍以V0 向A 處流動，首先靠近閥件A 處lx 一段長度液體受到壓縮，在該段長度內(nèi)流速為零，壓力升高至p0+△p，由于管路lx 上游即B 方向未受閥門關閉影響，仍以速度v0 流向下游，使靠近lx 的另一段液體受到壓縮，直至爭端管路逐步被壓縮。壓力變化△p 成為水錘壓強，其前鋒的傳播速度c 稱為水錘波速。

（1）閥門K 突閉時，原以v0 作定常流動的液體，首先在緊鄰閥門的A 處停止流動，壓力突然由原來的p0 升高了△p，液體受到壓縮。閥門左側液體相繼停止流動，其壓力升高值△p 也就以速度c由A 處向B 傳播。直至 t=L/c 時刻,△p 傳到管道入口處B。此時，管路全部液體停止流動而處于被壓縮狀態(tài)，全管壓力升高了△p。

（2）t=L ／c 時刻，由于 B 處右側高于左側，致使液體由管口處反向流入水池，從而使 B 處液體的壓縮狀態(tài)解除，壓力恢復到原來的 p0。 B 處右側液體相繼流向水池而解除壓縮狀態(tài)。直至 t=2L／c 時刻，全管路壓力恢復到原來的壓力p0。

（3）t=2L／c 時刻，由于慣性，液體仍以速度c 由B 向水池傳播，從而壓力恢復到p? 后繼續(xù)下降△p，B 處右側的液體處于低壓膨脹狀態(tài)。至 t=3L/c時刻，全管路處于膨脹低壓狀態(tài)。

（4）t=3L/c 時刻，由于B 處左側液體壓力高于右側，致使液體以速度c 由水池處反向流入管道，B 處液體由膨脹低壓狀態(tài)解除,壓力升高而恢復到pO。液體由水池沿著管道相繼解除膨脹低壓狀態(tài)，至t=4L/c 時刻，全管路壓力恢復到p0，A 處液體再次開始被壓縮，壓力又升高并開始同1.1 向上游傳播。

此后，如上所述反復進行，直至因阻力作用而停止。水錘壓力△p 沿著管長來回傳播一次tr=2L/c成為水錘的一個相，兩個相為一個周期。

現(xiàn)在的商場、酒店等公共場所的洗手盆的水龍頭都為自動感應出水，水龍頭自動開啟時如仔細觀察會發(fā)現(xiàn)供水軟管會發(fā)生抖動，這是由于水龍頭突然開啟流量突增造成管道內(nèi)壓力突降，管道癟塌引起的抖動。當水龍頭突然關閉時，往往會聽見“咚”一聲，這是由于流量突降造成管道內(nèi)壓力突增，液體對閥件和管道的沖擊。當管路壓力過高時，水龍頭滴漏，管道會產(chǎn)生”嗡嗡”聲響，水龍頭滴漏時大時小，這是由于管道內(nèi)正壓、負壓交替變換，形成周期。根據(jù)這個周期可以找出產(chǎn)生水錘效應的長度，從而采取措施降低水錘的措施。以上現(xiàn)象在高層建筑的低層更明顯。

2 直接水錘和間接水錘

現(xiàn)實中啟閉閥門總需要一些時間，以ts 表示,tr表示水錘從閥門至產(chǎn)生水錘管道的末端的時間。按ts 與tr 的大小將水錘分為兩大類型。若ts≤t，則水池反射波達到管道末端之前，閥門已關閉完畢。管道末端的水錘壓力只受上游傳播的逆流波的影響，這種情況習慣上稱直接水錘。若ts＞tr，則在閥件開關變化終了之前，從水池反射回來的壓力波已影響管道末端的壓力變化，這種水錘現(xiàn)象稱為間接水錘。間接水錘就像是把一個直接水錘分成若干個小的直接水錘在關閥至閥完全關閉時間ts 沿管路發(fā)射向上游，工程上盡可能避免發(fā)生直接水錘。這就很好的解釋了為什么關閥過快會引起強烈的水錘沖擊,管路產(chǎn)生撞擊聲，而緩慢關閥門時水管路幾乎沒產(chǎn)生撞擊聲。

管路中存在空氣會加大水錘的沖擊力，水錘產(chǎn)生的更深層原因是由于液體的可壓縮性，用體積模量K0 來表示可壓縮性，數(shù)值越大可縮性越小，水的體積模量20.6x108pa，而空氣的等溫體積模量為1.01x105Pa 比液體小很多，簡單說就是空氣很容易壓縮，空氣的體積隨壓強變化很敏感。當水錘壓力波傳遞到時管路中存在的空氣段時（正常溶解在水中的空氣由于體積小，分布總勻，對水錘的壓力波的傳遞幾乎不產(chǎn)生影響），由于空氣的體積隨壓強的變化比較敏感，就會在原壓力波的基礎上繼續(xù)產(chǎn)生新的壓力波和原水錘壓力波進行疊加。這種疊加可能是正疊加或負疊加。正疊加對管路危害較大，因此管路中不能有空氣存在。

水池對壓力波的削減：水池對壓力的削弱作用與水池的大小有很大關系，由于目前無公式對此計算，因此無法在管路上精確設計一個水池來消除壓力波，僅在管路接近閥門處設置減速管路即設置一變大管段來削弱壓力波。

高層建筑由于供水管道往往很長，水錘傳播未到盡頭時閥件已經(jīng)關閉，水龍頭往往只需要承受直接水錘，且由于供水管道管徑遠遠大于水龍頭管徑，所以只有水龍頭處聽到錘擊聲，且只響一聲。船舶壓載管路由于管徑大、流量大，管道相對市政管道短，閥門關閉時有受到的為間接水錘，間接水錘沖出相對較小，所以閥門關閉時可見到閥門不停抖動。

水錘壓力波的傳播速度c

公式中：k0--水的體積模量 (k0=20.6X108Pa)

ρ-液體密度

根據(jù)上式可得c=1435m/s，這也是聲波在水中傳播的速度。考慮水的壓縮性和管壁的彈性，對于薄壁（>20）圓管中發(fā)生水錘時理論計算公式：

d---管壁內(nèi)徑

E---管壁材料的彈性模量

B—管壁的影響系數(shù)

表1 幾種管壁材料縱向彈性模量E 值及值

表1 幾種管壁材料縱向彈性模量E 值及值

管材種類 E(Pa) k0/E鋼管 19.6X1010 0.01鑄鐵管 9.8X1010 0.02紫銅 1.2X1010 0.01黃銅 9.8X1010 0.02鋁合金 7.06X1010 0.02硬質氯乙烯 19.62-39.24X1010 0.01

表2 幾種管子的管壁影響系數(shù)B

船舶供水管路材質往往不同，這在特種船船舶中更雖明顯，鐵白銅管道由于管壁較鍍鋅管道光滑，水錘效應更加明顯。

4 管路水錘壓強

發(fā)生水錘時的壓強變化量?p，管路原壓強p0；水錘壓強為p0+?p，?p 隨時間而變化，工程上最感興趣的是最大水錘壓強Pmax=p0+?pmax。?p>0 的為正水錘（如閥門突然關閉）；?p＜0 時為負水錘（如閥門突然打開）。部分引用液體力學壓強計算公式如下：其中v1 表示水錘發(fā)生后管路內(nèi)液體平均流速。

管路直接水錘壓強增量公式1：

?pmax=ρc（v0-v1）；

管路直接水錘壓強公式2：

Pmax=p0+ρc（v0-v1）；

管路間接水錘壓強增量公式3：

管路間接水錘壓強公式4：

任務環(huán)：是任務實施的核心部分。威利斯把任務環(huán)分為任務、計劃和報告三部分。學生以小組形式試圖完成任務，在此過程中他們會遇到來自專業(yè)和語言方面的很多困難。解決方式是通過小組成員間的互助共同解決問題。如果這樣做仍然有困難，教師可以作為協(xié)助者，幫助他們完成任務。任務完成后學生可以以口語報告的形式匯報他們的任務解決過程和得出的結論。此時的汽車英語教師應該給予學生語言方面的指導，幫助他們改正語法詞匯方面的錯誤。但有時這樣做要花費大量的時間，過多同一主題的小組報告會使學生產(chǎn)生厭倦感。這時，教師就應該根據(jù)班級情況適時地組織一些其他的活動來幫助他們提高語言水平。

圖1 管路圖

圖2 同種管徑，閥前管路長度不同

圖3 同種管徑，閥前管道長度相同，彎管半徑不同

圖4 閥前管路長度相同，管徑部分不同

圖5 管徑相同，閥至總管長度不同

由于最大水錘對管路的沖擊力最大，破壞力最強，工程上只計算最大的水錘壓強，此時v1=0，以下是兩種情況下最大計算公式：

管路直接水錘壓強公式5：Pmax=p0+ρcv0；

4.1 水錘發(fā)生前管路壓力p0

分析：由式2、4 可知，當流速很小時，沖擊壓強取決于初始壓強。當管路發(fā)生水錘時調(diào)低p0，水錘的沖擊聲會明顯降低。這是目前船舶上常采用的一種方式，但這種方式會降低上建的管路水壓，存在廁所沖洗不干凈的情況。

4.2 水錘發(fā)生前管內(nèi)平均流速v0

分析：由于初期管路設計流速已經(jīng)確定，很難降低整個管路的流速，這時采用部分管路加大管徑，使發(fā)生水錘部分的水錘沖擊減弱。以船舶管路設計流速為3m/s 計算，得出?p=1.0x103x1435x3=4.3MPa，由此可見水錘的沖擊力之大。因此，在設計管路時流速不能超過3m/s，以便降低水錘的沖擊力。

4.3 水錘發(fā)生后管路內(nèi)平均流速v1

分析：水錘沖擊是一個連續(xù)的過程且無法消除，只能采用措施進行減弱。關閥速度減慢，使流速緩慢變化。當閥關一部分時管路的流速減慢，水錘減弱。當閥突然全關時v1=0 這時水沖擊力最大。

4.4 水錘發(fā)生時閥前的管路長度L

分析：由式3 及tr=2L/c 知在關閥速度一定時，tr 與 L 成正比。L 越大則 tr 越大。

4.5 開關閥的時間ts

分析：采用旋啟式閥件或減慢閥門關閉（開啟）的速度可使ts 變大，讓最大水錘分為若干個小水錘發(fā)射出去。目前船上發(fā)生的水錘現(xiàn)象大多是因為使用了小球閥而出現(xiàn)的，由于小球閥關閉的速度快，無緩沖。

4.6 降低水錘壓力波的傳播速度c

分析：降低水錘壓力波的傳播速度c 的有效措施可采用材料比較柔軟的管材，也可以在管路上安裝節(jié)流閥，節(jié)流孔板，撓性接頭等壓力緩沖附件，也可以在管路上安裝防水錘裝置。

水錘泵是把水錘壓力充分利用的案例，只需要水流落差在1.5 米以上，就可以通過管道和閥門利用水錘壓力將水提高至100 米左右；落差不能超過7 米，超過7 米時管道和閥門產(chǎn)生水錘瞬時壓強太大，容易對水錘泵產(chǎn)生損壞。

5 減弱管路水錘效應的幾種管路設計方案及措施

（1）圖2：由動量公式的沖擊力F=mv0=ρlsv0，由于ρ改變小，管路截面積一定，管路的長度對沖擊力起決定作用，因此A 型的防水錘效果會比B 型好。

（2）圖3：由管路可知管路A 為一倍彎，阻力系數(shù)ζ=2.0，管路B 為三倍彎，阻力系數(shù)ζ=0.5.A型管路的阻力大于管路,對流體的阻擋作用強于B 型。因此A 型的防水錘效果會比B 型好。

（3）圖4：A 型降低了部分管路流速，壓力波在擴大管段傳播時被削弱，管路產(chǎn)生了兩個壓力波。1、壓力波由閥傳至擴大管段及返回；2、壓力波由閥件至整條管路末端及返回。擴大管段能對壓力波的削弱，相當于把Pmax=p0+ρcv0，分為若干個壓力波，使得整個水錘被大大減弱。因此A 型防水錘效果好于B 型。

（5）在產(chǎn)生水錘效應閥件的增加節(jié)流孔板。

（6）水錘效應破壞性最大的地方為泵出口及操作閥件部位，在泵或水柜出口及需要操作的閥件附近增加水錘消除器，水錘消除器的原理是由氣囊或彈簧對液體流動起減速作用，從而減小水錘效應對管路、泵、閥件的破壞。

（7）采用水力控制閥，即采用液壓裝置控制閥門的開關，一般安裝于泵的出口，該閥利用機泵的出口與管網(wǎng)的壓力差來實現(xiàn)自動啟閉，閥門上一般裝有活塞缸或膜片室控制閥板啟閉速度，通過緩閉來減小停泵水錘的沖擊，從而有效消除水錘。

（8）采用快閉式止回閥，該閥結構是在快閉閥板前采用導流結構，停泵時，止回閥同時關閉，依靠快閉閥板支撐住回流水柱，使其沒有沖擊位移，從而避免產(chǎn)生停泵水錘對泵的沖擊，同時也要在止回閥下游安裝壓力泄放閥，在超過安全壓力時自動泄放，從而減小水錘對止回閥的破壞。

（9）在泵站附近或管路適當位置設置雙向調(diào)壓塔，調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補水或泄掉管路中的過高壓力，從而有效避免或降低水錘壓力，這種方式比較安全可靠，但其應用受到泵站壓力和周邊空間位置限制。

（10）安裝泄壓保護閥，泄壓保護閥可以安裝在管路的任何位置，和水錘消除器的工作原理相似，只是設定動作壓力是高壓，當管路壓力高于設定保護值時，泄壓閥自動打開泄壓。

（11）在管路各峰點設置可靠的排氣閥，及時將管路中氣體排出，從而減小管路中空氣對水錘的影響。

某3000 噸船消防系統(tǒng)，管路材質為鎳銅合金，船頭錨鏈沖洗閥開閉時，產(chǎn)生激烈的撞擊聲，船東對此意見很大，通過檢查發(fā)現(xiàn)消防泵開啟時只有錨鏈沖洗管路用水，且消防泵流量遠錨鏈沖洗管路用水量，結合水錘公式和實船情況，在消防總管靠近錨鏈沖洗管處增加節(jié)流孔板后，錨鏈沖洗閥開閉時，產(chǎn)生的撞擊明顯減小。

6 結束語

水錘效應的危害是極其嚴重的，但是水錘效應只和水本身的慣性有關，所以在管路中采取一系列的緩沖措施和安裝相應的水錘消除裝置，它的危害就可以控制在最小范圍內(nèi)，并且水錘效應正被人們認識和利用，其中水錘泵就是一種利用流水為動力，通過機械作用，產(chǎn)生水錘效應，將低水頭能轉換為高水頭能的高級提水裝置。