王仁江

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110036）

0.引言

根據(jù)工程實(shí)際地形情況，一般情況下，長(zhǎng)距離輸水管線輸水方式可選擇重力流和泵送流兩種。通常在工程條件允許的情況下優(yōu)先選擇重力流輸水方式。但當(dāng)管線上的閥門(mén)關(guān)閉操作不當(dāng)或出現(xiàn)水錘造成爆管事故。泵送流輸水方式是通過(guò)泵站加壓的方式輸水，此類管線運(yùn)行涉及水泵加壓，事故停泵時(shí)導(dǎo)致水錘波疊加引發(fā)重大爆管事故。因此，大口徑重力流、泵送流混合的長(zhǎng)距離輸水管線更為復(fù)雜，一旦產(chǎn)生水錘現(xiàn)象引發(fā)爆管事故，將導(dǎo)致全線停運(yùn)中斷供水，且搶修工作困難，搶修周期長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)重大損失。為預(yù)防爆管事故的發(fā)生，需有針對(duì)性地做好防護(hù)措施，因此管道薄弱段分析研究至關(guān)重要。

文章以某大口徑重力泵送流混合長(zhǎng)距離輸水做為供水企業(yè)應(yīng)保證安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的水源服務(wù)于用水戶。在城市化發(fā)展的過(guò)程中，城市人口數(shù)量激增，對(duì)城市供水系統(tǒng)施加不小的壓力。在此過(guò)程中，爆管現(xiàn)象逐漸增多，無(wú)法滿足城市居民對(duì)水資源的使用需求，也造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)問(wèn)題。因此，當(dāng)下有必要深入分析城市管道工程的水錘現(xiàn)象，掌握水錘現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，在此基礎(chǔ)上選擇預(yù)防與控制方法。

1.水錘現(xiàn)象出現(xiàn)原因分析

水錘現(xiàn)象主要誘因?yàn)樗髟诠艿纼?nèi)流速出現(xiàn)巨大變化所致，水流擁有可壓縮性與慣性，如果水流在運(yùn)動(dòng)中流速出現(xiàn)較大變化，對(duì)水體總量形成影響，導(dǎo)致水體總量在短時(shí)間內(nèi)急劇變化，變化部分產(chǎn)生的動(dòng)能沖擊輸水管內(nèi)壁，致使輸水管路形狀發(fā)生變化。水錘擁有較強(qiáng)的破壞力，就目前輸水管材質(zhì)對(duì)外力的承受能力，難以抵消水錘產(chǎn)生的力，破壞輸水管結(jié)構(gòu)，為工程埋下較大的隱患。對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程，需要考慮水錘現(xiàn)場(chǎng)，提前選擇防御方法，消除水錘壓力，保護(hù)輸水管，其為輸水工程穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要保障。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)距離輸水工程出現(xiàn)水錘現(xiàn)象的概率較大，施工單位有必要加強(qiáng)對(duì)水錘預(yù)防工作的重視程度，需要改變傳統(tǒng)觀念，基于工程數(shù)據(jù)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，確保輸水管工程安全、可靠運(yùn)行。分析過(guò)往工程案例，發(fā)現(xiàn)泵站系統(tǒng)容易出現(xiàn)水錘問(wèn)題，其主要由負(fù)壓引起，對(duì)輸水工程會(huì)形成較大的安全威脅。對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程，應(yīng)該鎖定容易出現(xiàn)水錘的部位，在重點(diǎn)部位防御的方式下，消除水錘威脅，為輸水工程運(yùn)行提供良好的條件[1]。

輸水管內(nèi)部有一定量的空氣，空氣會(huì)占用管道內(nèi)一部分空間，在管道壓力發(fā)生大幅度變化時(shí)，空氣受到外部力作用快速膨脹，空氣柱會(huì)推動(dòng)水流動(dòng)，由此出現(xiàn)氣推水和水推氣的情況，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，破壞管壁。為確保輸水工程安全運(yùn)行，必須選擇科學(xué)的手段消除水錘隱患。施工單位可以在第一次試水時(shí)，關(guān)注管內(nèi)是否存在氣體，規(guī)范試水行為，將管內(nèi)的空氣排出去。充水必須在管內(nèi)氣體排盡后進(jìn)行，施工單位需要加強(qiáng)此方面工作的控制力度[2]。

2.長(zhǎng)距離輸水管道防水錘技術(shù)選擇的原則

有壓重力輸水的可利用水頭長(zhǎng)距離輸水管道防水錘需要關(guān)注的對(duì)象，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要關(guān)注水管起末端的水力高度差，確定輸水設(shè)計(jì)流量。在設(shè)計(jì)階段需要確定可利用水頭與輸水管管徑間的關(guān)系，兩者呈反比關(guān)系，前者大后者小，控制輸水管管徑值，也可以降低工程投資值。如果輸水管流速較大，在輸水工程運(yùn)行階段，水錘現(xiàn)象出現(xiàn)的概率較大。為防止管道出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，破壞管道，需要加強(qiáng)對(duì)管道材料與管道水流的控制力度，確保水流可以穩(wěn)定運(yùn)行。面對(duì)地形條件復(fù)雜、管材強(qiáng)度大等情況，需要進(jìn)行水錘計(jì)算，放緩輸水流速，提高管道運(yùn)行的安全性。在可利用水頭過(guò)大時(shí)、起端水位變幅較大時(shí)、低于設(shè)計(jì)流量運(yùn)行3 種情況，在水錘控制方面適合安裝消能裝置。對(duì)于第1和第3 種情況，一般將減壓裝置安裝在輸水管中下游處；對(duì)于第2 種情況，一般將減壓裝置安裝在輸水管中上游；前者在水錘控制方面，通過(guò)減壓閥保護(hù)輸水管，同時(shí)擁有減少漏失水量功能。重力給水系統(tǒng)應(yīng)用在水錘控制方面，按照管道的承壓能力、給水區(qū)總落差大小，作出是否需要分級(jí)減壓的決定[3]。

結(jié)合收集得到的數(shù)據(jù)，管道承壓能力與減壓級(jí)數(shù)呈反比關(guān)系。使用重力流管路系統(tǒng)進(jìn)行水錘控制，需要將重點(diǎn)集中在減壓措施，重點(diǎn)研究開(kāi)啟末端閥門(mén)時(shí)，為規(guī)避管道某些部位產(chǎn)生水柱中斷、降壓波等情況，需要選擇預(yù)防方法。為了消減關(guān)閥水錘，減壓措施的應(yīng)用尤為重要，可以使用緩閉蝶閥規(guī)避安全問(wèn)題。

3.長(zhǎng)距離輸水管道水錘防護(hù)對(duì)策

3.1 沿線管縱向設(shè)計(jì)的水錘防護(hù)

輸水管內(nèi)水錘的存在將對(duì)管道造成較大的威脅，使用水泵打壓輸水的管道均存在水錘，長(zhǎng)距離輸水運(yùn)輸工程水錘現(xiàn)象較為明顯，管道進(jìn)行輸水工作時(shí)，管內(nèi)水體流速可能發(fā)生較大變化，水錘由此出現(xiàn)并對(duì)水管壁釋放一定的能量，破壞水管壁的結(jié)構(gòu)。輸水管內(nèi)水流速度變化難以解決，在管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力變化，為了不影響管道正常輸水，必須選擇科學(xué)的方法進(jìn)行防御，降低水錘現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)對(duì)輸水管壁形成的沖擊作用，不會(huì)對(duì)輸水管壁結(jié)構(gòu)造成較大的沖擊。在輸水管內(nèi)氣與水混合起來(lái)運(yùn)行，氣與水相互作用產(chǎn)生水錘，會(huì)對(duì)輸水管內(nèi)壁造成不小的沖擊。因此，需要合理布置輸水管道，縱向布置輸水管道時(shí)，為了提高輸水管運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，常在各緩駝峰部位安置排氣閥。在工程施工初期會(huì)研究輸水管在不同工況下的運(yùn)行情況，確定水流在不同工況下的狀態(tài)，為排氣閥安裝奠定基礎(chǔ)[4]。

輸水管鋪設(shè)環(huán)節(jié)，在水平段排氣問(wèn)題較為嚴(yán)重。在輸水工程施工環(huán)節(jié)需要關(guān)注管線布置工作，每隔一段間距布置一個(gè)高點(diǎn)并完成排氣閥的安裝任務(wù)。基于以往工作數(shù)據(jù)，對(duì)于處在水平段的輸水管而言，可以每隔600m ～1000m安置一個(gè)排氣閥，由此可以控制水管內(nèi)水體流速。研究水在輸水管內(nèi)的運(yùn)行情況，水在管路中的狀態(tài)難以評(píng)估判斷，在水錘預(yù)防方面，需要重點(diǎn)關(guān)注排氣閥，提高其在選擇與安裝方面的合理性。水管內(nèi)水流狀態(tài)比較復(fù)雜，不利于管路進(jìn)行排氣操作。在水管水流狀態(tài)較為復(fù)雜的情況下，很難準(zhǔn)確地敲定排氣閥安裝的位置與安設(shè)的數(shù)量。沿線管縱向設(shè)計(jì)必須考慮到影響水流速度的因素，為了加大輸水管在水錘防控方面的能力，排氣閥的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對(duì)此方面的關(guān)注度，引入信息技術(shù)，在動(dòng)態(tài)模擬、數(shù)據(jù)分析等操作下，提高輸水管運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性[5]。

3.2 分段減壓消能

長(zhǎng)距離輸水管較長(zhǎng)，每段水管承受的壓力存在差別，在水錘預(yù)防方面，需要明確每段水管在水錘方面的防護(hù)需求，在此基礎(chǔ)上選擇分段減壓的方式控制水錘。對(duì)長(zhǎng)距離輸水管進(jìn)行水錘控制工作，必須明確工程每段管道的長(zhǎng)度，按照一定長(zhǎng)度將管道劃分為多個(gè)部分，在每段截割的管道尾端安裝消能設(shè)備與閘閥，調(diào)節(jié)減壓設(shè)施，對(duì)各段管道進(jìn)行有效的控制，保證每段管道承受的壓差均在合理范圍內(nèi)，由此可以規(guī)避水錘現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)管道造成過(guò)大的傷害。比如，對(duì)南方某城市長(zhǎng)距離輸水管道進(jìn)行水錘預(yù)防的工作，在確定管道總長(zhǎng)度后將其分為3 個(gè)區(qū)段，保證各段管道工作壓力均在1MPa 以內(nèi)，不會(huì)對(duì)管壁造成實(shí)質(zhì)性的傷害，確保輸水管可靠、安全的運(yùn)行[6]。

3.3 停泵水錘防護(hù)

停泵時(shí)管路內(nèi)水體流速在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化，產(chǎn)生的水錘擁有較大的破壞力，會(huì)破壞水管壁，對(duì)輸水系統(tǒng)和水泵站造成較大的沖擊，還可能引發(fā)安全事故。在停泵時(shí)需要做好水錘的防護(hù)工作，需要從多方面進(jìn)行考量，立足實(shí)際情況，給出切實(shí)、可行的方法，降低停泵水錘、消除停泵水錘。減壓閥應(yīng)用在水錘防護(hù)中，可以消除水錘對(duì)水管壁的沖擊力，但是也存在一定的缺陷，使用減壓閥導(dǎo)致輸水管完全放空，不利于下次充水啟動(dòng)，存在較大的危險(xiǎn)性。恒壓閥與減壓閥應(yīng)用到輸水工程中的效果不同，讓管道內(nèi)水流保持持續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，下次運(yùn)行直接打開(kāi)水閥即可，在操作方面不會(huì)出現(xiàn)阻礙。在輸水工程中使用恒壓閥也存在一定缺陷，在應(yīng)用中容易出現(xiàn)管閥水錘的情況[7]。因此，使用恒壓閥時(shí)，常使用關(guān)閉下游出口閥的方式，規(guī)避關(guān)閥水錘情況。

在輸水工程中使用環(huán)比蝶閥防護(hù)的方法，在水錘預(yù)防方面可以獲得不錯(cuò)的效果。延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉的時(shí)間，在消減關(guān)閥水錘現(xiàn)象方面操作較為簡(jiǎn)單，可以減緩水體流速，控制水體流速不會(huì)在管內(nèi)形成較大沖力，讓管內(nèi)壓力一直處于平穩(wěn)的狀態(tài)，不會(huì)對(duì)輸水管運(yùn)行造成不良的影響。在閥門(mén)處理上需要從實(shí)際出發(fā)，使用雙速閥門(mén)、對(duì)閥門(mén)最后開(kāi)度提供一定緩沖、在閥門(mén)周邊設(shè)置通管。在部分情況下，需要考慮安裝液壓氣室或進(jìn)氣閥的方法，使用延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間與開(kāi)打時(shí)間的方法，對(duì)于大型閥門(mén)是一種簡(jiǎn)單的方法。長(zhǎng)管道在水錘預(yù)防方面存在較大難度，為了消除水管內(nèi)存在的水錘問(wèn)題，需要基于長(zhǎng)管道實(shí)際情況，進(jìn)行針對(duì)性研究，基于水管水錘防護(hù)需求，依托多樣化的研究手段，整理研究數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具備實(shí)用效果的閥類產(chǎn)品。

3.4 故障預(yù)防處理

管道堵脫管發(fā)生前，有其明顯的跡象，那就是管道的壓力比正常工作時(shí)壓力大很多。所以，操作員必須非常留意管道上壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力明顯過(guò)高時(shí)，就必須立即停止泵送，來(lái)回巡查管路接頭有無(wú)松動(dòng)，如有松動(dòng)必須馬上緊固。并拆開(kāi)管道，進(jìn)行試泵送，觀察壓力下降到正常位置時(shí)，再繼續(xù)泵送。在泵送過(guò)程中，堵管一般發(fā)生在管彎、上坡和管道末端等處。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，用木錘連續(xù)敲擊，使之松動(dòng)，如果仍未解決，則應(yīng)立即停止泵送作業(yè)，從管道末段開(kāi)始分段拆管，逐一排查堵管，并進(jìn)行清理或更換。清除堵塞后，擰緊接頭方可重新泵送；脫管一般發(fā)生在彎管、上坡和管道開(kāi)始等接頭處。當(dāng)發(fā)生脫管時(shí)，應(yīng)立即停止泵送，緊固或重接脫管接頭，并巡查管路一遍，對(duì)發(fā)生松脫的接頭進(jìn)行緊固。

4.結(jié)語(yǔ)

城市供水管網(wǎng)關(guān)系到民眾日常生活，一旦出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，將會(huì)對(duì)民眾造成很多困擾，為了規(guī)避此情況出現(xiàn)，需要做好水錘預(yù)防與控制工作。輸水管內(nèi)部氣與水相互作用并形成一定的沖力破壞輸水管。為了解決該問(wèn)題應(yīng)該將關(guān)注點(diǎn)投放在管道氣體排放方面。此外，管道內(nèi)水流不穩(wěn)定也會(huì)產(chǎn)生沖擊力，破壞輸水管。技術(shù)人員需要做好輸水管內(nèi)部氣體排放與水流速度控制的工作，觀察輸水工程運(yùn)行情況，明確水錘控制要求并給出科學(xué)的控制方法，按照方案落實(shí)控制任務(wù)，確保長(zhǎng)距離輸水工程穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，為民眾提供良好的供水服務(wù)。