大管徑輸水管路的水錘災(zāi)害形成原因和防治分析

王鳳龍

摘要：分析長距離大管徑管道輸水中水錘產(chǎn)生的原因及其危害，提出預(yù)防水錘產(chǎn)生的措施，為保障輸水管道正常運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：大管徑輸水；水錘災(zāi)害；原因；防治措施

1.滄州引大入港輸水工程概況

滄州引大入港輸水工程是從滄州大浪淀水庫引水，經(jīng)多級泵站加壓，向大港油田采油三廠、黃驊市、渤海新區(qū)供水的管道給水工程，管道全長170千米。

2.水錘的危害及產(chǎn)生原因

管道系統(tǒng)防護(hù)的重要內(nèi)容之一就是防止水錘的出現(xiàn)。在長距離輸水管道中，由于某些外界原因流速變化經(jīng)常出現(xiàn)。管道中流速變化使管道中水的壓力升高或降低，在壓力低于水的汽化壓力時，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔。在空腔處的水流彌合時將產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，管道中的水升壓，形成水錘。水錘有啟動水錘、關(guān)閉水錘、停泵水錘。一般啟動水錘不大，只是真空情況下，管中空氣不能排出而被壓縮時才會加劇水位壓力的變化：關(guān)閉水錘在正常操作時不會引起過大的水錘壓力：突然停電或事故停泵所產(chǎn)生的水錘往往較大，水錘壓力值可達(dá)到工作壓力的1.5～3.0倍。

2.1水錘產(chǎn)生的原因

水錘產(chǎn)生主要有以下幾個原因：閥門突然開啟或關(guān)閉：水泵機(jī)組突然停車或開啟：單管向高處輸水（供水地形高差超過20 m）；水泵總揚(yáng)程（或工作壓力）大：輸水管道中水流速度過大；輸水管道過長，且地形變化大。

2.2水錘的危害

水錘引起壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的幾倍，甚至幾十倍。這種大幅度的壓強(qiáng)波動，造成的危害有：引起管道強(qiáng)烈振動，管道接頭斷開，破壞閥門，嚴(yán)重的造成管道爆管，供水管網(wǎng)壓力降低，不能正常供水：引起水泵反轉(zhuǎn)，破壞泵房內(nèi)設(shè)備或管道，嚴(yán)重的造成泵房淹沒：造成人身傷亡等重大事故，影響生產(chǎn)和生活。

3.水錘的預(yù)防措施

一般采取技術(shù)工程措施加以防護(hù)，在水泵出口處設(shè)置水錘消除器、緩閉止回閥、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。

3.1開（關(guān)）閥水錘

開關(guān)水錘有直接水錘和間接水錘，延長開閥和關(guān)閥的時間，可避免產(chǎn)生直接水錘：離心泵、混流泵應(yīng)在閥門關(guān)至15%～30%時而不是全關(guān)時停泵，這樣可以降低水泵出口壓力，防止水泵振動及延長閥門使用壽命。對于軸流泵在泵出口一般不設(shè)閥門。

3.2啟泵水錘

排除管道空氣，使管道充滿水后再開啟水泵。凡是長距離輸水管道的隆起處各點(diǎn)應(yīng)設(shè)置自動排氣閥或設(shè)置充水設(shè)施：當(dāng)水泵必須在空管啟動時，可采用分階段開閥啟泵方式。先將水泵出口閥門打開15%～30%，管道上其余閥門全部開啟，然后啟動水泵。待管道充滿水后再將水泵出水口閥門全開或開到所需的角度。對設(shè)有止回閥的水泵來講，在止回閥前設(shè)自動排氣閥，在止回處設(shè)旁通閥。事故停泵后，應(yīng)待止回閥后管道充滿水再啟動水泵。啟泵時水泵出口閥門不要全開，否則會產(chǎn)生很大的水沖擊。據(jù)資料分析，國內(nèi)曾有幾個泵站的重大水錘事故多在這種情況下產(chǎn)生。

3.3停泵水錘

給水管中的水在斷電后最初瞬間，主要靠慣性以逐漸減慢的速度繼續(xù)向水池方向流動，然后流速降到零。管道中的水在重力水頭作用下，又開始向水泵倒流，速度由零逐漸增大。由于管道中水的流速變化，從而引起停泵水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

采取以下措施，可防止停泵水錘的發(fā)生。

（1）降低輸水流速。降低輸水管道的流速，增加管道直徑、壁厚，可在一定程度上降低水錘壓力。（2）改換電動機(jī)慣性。選用轉(zhuǎn)動慣量較大的電動機(jī)或加裝有足夠慣性的飛輪，可在一定程度上降低水錘值。（3）合理管線布置。輸水管線布置時，減少管路布置的陡峭度，盡量布置平緩管路，盡量避免出現(xiàn)峰點(diǎn)或坡度劇變，在管路中各峰點(diǎn)安裝可靠的排氣閥，避免產(chǎn)生彌合水錘。（4）選用合理水泵揚(yáng)程。通過水錘計(jì)算，停泵水錘的大小主要與泵房的幾何揚(yáng)程有關(guān)。幾何揚(yáng)程愈高，停泵水錘值也愈大。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選用合理的水泵揚(yáng)程。（5）縮減輸水管理長度。管線愈長，停泵水錘值愈大。由1個泵站變2個泵站，用吸水井把2個泵站銜接起來。（6）取消止回閥。停泵水錘產(chǎn)生主要是出水管道止回閥關(guān)閉過快引起。因此，取消止回閥可以消除停泵的危害，并且可以減少水頭損失，節(jié)約能耗。目前，經(jīng)過一些大城市的試驗(yàn)，認(rèn)為1級泵房可以取消，二級泵房不易取消：取消止回閥時應(yīng)進(jìn)行停泵水錘壓力計(jì)算。（7）緩閉止回閥。在大口徑的水泵出水管上安裝緩閉止回閥、微閉蝶閥，可有效消除停泵水錘。但因閥門動作時有一定的水量倒流，吸水井須有溢流管。緩閉止回閥有重錘式和蓄能式2種，這種閥門可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對閥門關(guān)閉時間進(jìn)行調(diào)整。需要注意的是，當(dāng)管路中存在峰點(diǎn)而發(fā)生彌合水錘時，緩閉止回閥的作用就十分有限。（8）安裝水錘消除器。緊靠止回閥并在其下游安裝水錘消除器。管道中的水錘壓力通過開啟水錘消除器泄掉，即利用管道本身的壓力為動力來實(shí)現(xiàn)低壓自動動作，即當(dāng)管道中的壓力低于設(shè)定保護(hù)值時，排水口會自動打開放水泄壓，以平衡局部管道的壓力，防止水錘對設(shè)備和管道的沖擊。通常用的水錘消除器有下開式停泵直接水錘消除器、自動復(fù)位水錘消除器、自動復(fù)位的下開式水錘消除器、氣囊式水錘消除器4種。某些水錘消除器無自動復(fù)位功能，容易因操作失誤導(dǎo)致發(fā)生水錘。（9）安裝泄壓保護(hù)閥。該設(shè)備可安裝在管道的任何位置，其和水錘消除器工作原理一樣，只是設(shè)定的動作壓力是高壓，當(dāng)管路中壓力高于設(shè)定保護(hù)值時，排水口會自動打開泄壓。（10）采用水力控制閥。一種采用液壓裝置控制開關(guān)的閥門，一般安裝于水泵出口，該閥利用機(jī)泵出口與管網(wǎng)的壓力差實(shí)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沖擊，從而有效消除水錘。（n）設(shè)置雙向調(diào)壓塔。在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，雙向調(diào)壓塔的水面高度應(yīng)高于輸水管道終點(diǎn)接收水池的水面高度并考慮沿管道的水頭損失。調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補(bǔ)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。這種方式工作安全可靠，但其應(yīng)用受到泵站壓力和周邊地形的限制。（12）設(shè)置單向調(diào)壓塔。在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建單向調(diào)壓塔。單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防止水柱拉斷，避免彌合水錘。但其對停泵水錘以外的水錘如關(guān)閥水錘的降壓作用有限。此外，單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠，一旦該閥門失靈，可能會導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。（13）安裝氣壓罐。氣壓罐利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管路中的壓力變化，氣壓罐向管道補(bǔ)水或吸收管路中的過高壓力，其作用與雙向調(diào)壓塔類似。（14）采用PLC自動控制系統(tǒng)實(shí)行自動控制。因供水管網(wǎng)壓力隨著工況的變化而不斷變化，機(jī)泵工頻運(yùn)行時經(jīng)常出現(xiàn)低壓或超壓現(xiàn)象，容易產(chǎn)生水錘，導(dǎo)致對管道和設(shè)備的破壞。采用PLC自動控制系統(tǒng)，通過對管網(wǎng)壓力的檢測，反饋控制水泵的開、停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制流量，進(jìn)而使壓力維持一定水平，通過控制微機(jī)設(shè)定機(jī)泵供水壓力，保持恒壓供水，避免過大的壓力波動，使產(chǎn)生水錘的概率減小。

4.結(jié)論

在長距離輸水管道管理中，根據(jù)工程的規(guī)模、重要性、地形和地質(zhì)等條件做出綜合判斷，認(rèn)識消除不安全隱患，預(yù)防供水事故的發(fā)生，以達(dá)到更好使用效果，使管道正常發(fā)揮效益。