管道水錘破壞的消除措施

[摘要]介紹了給水管道的水錘形成的各種原因及分類，針對(duì)水錘的形成原因提出了不同的水錘防護(hù)措施，并分析其工作原理，保證供水管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有很好的借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]給水管道；管道施工；水錘事故；預(yù)防措施

1.引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，要求我們城市供水系統(tǒng)的正常運(yùn)作也要得到相應(yīng)的保證。在城市管道事故中管道水錘現(xiàn)象是比較常見但是危害又相對(duì)較大的管道破壞形式。因此，對(duì)水錘破壞進(jìn)行相關(guān)的分析并提出一些有效的防治措施具有很大的實(shí)際意義。

2．水錘

2.1水錘的定義。水錘是有壓管道中的非恒定流現(xiàn)象。當(dāng)閥門或水泵突然的打開，使水的流速突然發(fā)生變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，這種變化以一定的速度向上游或下游傳播，并且在邊界上發(fā)生反射，這種水力現(xiàn)象稱為水錘。交替升降的壓強(qiáng)稱為水錘壓強(qiáng)。

2.2水錘產(chǎn)生的原因和分類。水錘產(chǎn)生的主要物理原因是液體具有慣性和可壓縮性，水錘現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)可歸納為由于管道內(nèi)水體流速的改變，導(dǎo)致水體的動(dòng)量發(fā)生改變而引起作用力變化的結(jié)果。一般說來，輸水管道系統(tǒng)中的過渡過程的起因大體有：啟泵和停泵，機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或運(yùn)行不穩(wěn)定、動(dòng)力故障；空氣進(jìn)入水泵或管道系統(tǒng)，泵內(nèi)發(fā)生回流，閥門啟閉，線路分流、激流等。其中以事故停機(jī)引起的水錘破壞尤為的嚴(yán)重。從不同的角度劃分，水錘主要分為以下幾種：（1）依照理論分析可以分為剛性水錘和彈性水錘；（2）按關(guān)閥歷時(shí)和水錘相位的關(guān)系可以分為直接水錘和簡介水錘；（3）按外部成因可以分為啟動(dòng)水錘、關(guān)閥水錘和停泵水錘；（4）按水錘發(fā)生的不同輸水道可以分為封閉管道的水錘、明渠中的水錘和明滿交替的水錘；（5）按水錘波動(dòng)的現(xiàn)象分為水柱連續(xù)的水錘和水柱分離的水錘現(xiàn)象。

2.3水錘的危害。水錘有極大的破壞性。由于水錘產(chǎn)生的瞬時(shí)壓強(qiáng)可達(dá)管道中正常工作壓強(qiáng)的幾十倍甚至于數(shù)百倍，這種大幅度的壓強(qiáng)波動(dòng)，可導(dǎo)致管道系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)產(chǎn)生噪聲，可能破壞管道、水泵、閥門，并引起水泵反轉(zhuǎn)，管網(wǎng)壓力降低等。

3.水錘的消除措施

針對(duì)上述水錘形成的機(jī)理分析，筆者通過結(jié)合工程實(shí)踐提出幾種管道施工過程中經(jīng)常用到的防護(hù)措施。

3.1空氣罐防護(hù)?？諝夤奘且粌?nèi)部充有一定量壓縮氣體的金屬水罐裝置，一般情況下載在水泵出口附近的管道上安裝。在因事故停泵后，管道中的壓力降低，罐內(nèi)空氣迅速膨脹，在空氣壓力作用下下層水體迅速補(bǔ)充給主管道，防止水柱分離；倒瀉水流會(huì)使得水泵進(jìn)入水輪機(jī)工況后，泵出口的逆止閥迅速關(guān)閉，管中壓力上升，出水管中的高壓使水流入空氣罐中，使罐內(nèi)空氣壓縮，從而減小管道中的壓力上升。為防止管道中產(chǎn)生過低的壓力，入流量和出流量相等時(shí)差壓孔口水頭損失比值應(yīng)控制在2：5：1左右。

3.2進(jìn)排氣閥。長距離輸水管道在開始輸水、停止輸水和流量調(diào)節(jié)及事故停泵的不同工況下，需將管內(nèi)空氣排出或?qū)⒐芡饪諝庋a(bǔ)進(jìn)管內(nèi)，使壓力管道系統(tǒng)不受氣體、水錘負(fù)壓等危害而安全運(yùn)行的主要防護(hù)措施之一。可以把它的作用歸納為三方面：一是是管道發(fā)生水錘事故產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，能及時(shí)的補(bǔ)充空氣，不致負(fù)壓過大而水柱分離；二是管道在運(yùn)行情況下，能隨時(shí)排出水中逸出的氣體，避免氣體的聚集、擴(kuò)散而使輸水量下降、管道漏水或引發(fā)氣爆型水錘；三是空管道充水時(shí)及時(shí)排除管內(nèi)空氣，以免產(chǎn)生氣阻而引發(fā)啟泵水錘。

3.3單向調(diào)壓塔防護(hù)。單向調(diào)壓塔是一種用于防止產(chǎn)生水柱分離的經(jīng)濟(jì)可靠的防護(hù)措施，常設(shè)于容易產(chǎn)生負(fù)壓的部位。這種調(diào)壓塔由一個(gè)水塔與輔助支管、閥件等組成。水塔通過逆止閥與泵站主管道相連接，逆止閥的啟閉由出水管道的壓力控制。水泵起動(dòng)時(shí)，逆止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，并補(bǔ)水管立即向水塔充水：當(dāng)水位達(dá)到正常水位后，補(bǔ)水管出口的浮球閥關(guān)閉，自動(dòng)保持塔里面的水位。非正常的停泵后，當(dāng)出水管道壓力下降到調(diào)壓塔正常水位以下時(shí)，逆止閥將會(huì)迅速打開，通過輔助支管向主管道進(jìn)行補(bǔ)水，防止管道因壓力降低而產(chǎn)生水柱分離的現(xiàn)象，也很大程度降低了調(diào)壓塔的高度。但是在實(shí)際應(yīng)用工程中如果應(yīng)用單向調(diào)壓塔防護(hù)時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：（1）調(diào)壓塔對(duì)于出水管道的保護(hù)范圍是有限的，一般是相當(dāng)于塔內(nèi)最高水位以下的管道部分。如果在此高程以上的管道還可能產(chǎn)生水柱分離，則應(yīng)根據(jù)管道的縱斷面及最低壓力線情況裝設(shè)兩個(gè)或多個(gè)調(diào)壓塔。（2）補(bǔ)水后，調(diào)壓塔應(yīng)能迅速充水，準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。因此，補(bǔ)水管應(yīng)設(shè)計(jì)有足夠的直徑，水塔頂端的球閥應(yīng)動(dòng)作可靠。

3.4其他防護(hù)介紹。在常用的水錘防護(hù)措施中還有防爆膜、止回閥加旁通管、水錘消除器等幾種，接下來將分別作簡單的介紹。

1）防爆膜。防暴膜是在需要保護(hù)的管道上用一支管連接，并在其端部用一塑性金屬膜片密封，當(dāng)管中升壓超過預(yù)定值時(shí)，膜片爆破，泄掉一部分高壓水，以保證主管道的安全，起到水錘防護(hù)的效果。一般用于小流量、高揚(yáng)程的泵站，作為其他防護(hù)措施的后備保護(hù)。2）慣性飛輪。在水泵機(jī)組主軸上增設(shè)慣性飛輪是為了加大水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以延長水泵機(jī)組的正轉(zhuǎn)時(shí)間，有效避免管路中流速和水壓的急劇降低、改善水錘壓力猛烈波動(dòng)狀況，從而在一定程度上消弱了負(fù)壓，防止了水柱分離現(xiàn)象的出現(xiàn)。3）止回閥加旁通管。對(duì)管線縱斷面有凸部系統(tǒng)，水柱分離通常在某一凸部附近形成，且氣穴會(huì)在一定范圍內(nèi)逐漸向高處波及，形成氣穴流，當(dāng)管路水流發(fā)生倒流后，氣穴體積將迅速減小直至潰滅，產(chǎn)生很高的水柱彌合水錘，如能在水柱分離段的末端布置一逆止閥和旁通管，則可減小水柱彌合的升壓和減小下游其他部位的水力波動(dòng)。4）水錘消除器。水錘消除器實(shí)際上是具有一定泄水能力、并適合于泵站停泵水錘壓力變化過程的安全閥。

4.新型水錘防護(hù)設(shè)備

以往防止水錘的辦法是在壓力管道上設(shè)置調(diào)壓水箱、空氣室、爆破膜片、水錘消除器、機(jī)組裝設(shè)飛輪等。這些辦法都可以在不同程度上防止水錘，但是它們普遍存在著占用廠房面積大，土建工程投資大的問題，而且運(yùn)行不方便，目前可應(yīng)用一些新型水錘防護(hù)設(shè)備。

4.1液控緩閉蝶閥。該閥在斷電時(shí)可按預(yù)定的時(shí)間和角度，分快、慢二階段關(guān)閉，能有效地降低管網(wǎng)中壓力波動(dòng)，消除流體在管網(wǎng)中的水錘危害，控制水泵反轉(zhuǎn)，從而保證水泵和管網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

4.2緩閉止回閥。目的該類閥門有重錘式和蓄能式兩種，可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。緩閉止回閥克服了普通止回閥的缺點(diǎn)，具有如下特點(diǎn)：（1）泵啟動(dòng)后閥門能及時(shí)迅速打開。（2）正常運(yùn)行時(shí)，要求閥瓣有盡可能大的開啟角，并能穩(wěn)定在全開位置。（3）停泵時(shí)閥門有優(yōu)良的關(guān)閉特性，在突然停泵時(shí)既能阻止水倒流，保護(hù)水泵不致發(fā)生反轉(zhuǎn)，達(dá)到保護(hù)水泵的目的；又能使其在關(guān)閉的最后階段實(shí)現(xiàn)緩閉，減少突然關(guān)閉造成管路中的水錘，達(dá)到保護(hù)管路的。

5.結(jié)論

文章通過分析水錘形成原因，有針對(duì)性地提出了切實(shí)可行的水錘防護(hù)措施，如提出空氣罐防護(hù)等，同時(shí)結(jié)合水錘防護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)，給出了未來水錘防護(hù)設(shè)備，以為同類工程提供參考借鑒。

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