紹興民用建筑水擊破壞研究

1 引言

1.1 研究背景

2013年區(qū)啟升[1]等人就先導(dǎo)式水擊泄壓閥在華南管網(wǎng)遇到的問題進(jìn)行了分析，并對先導(dǎo)式水擊泄壓閥進(jìn)行了介紹，隨后還列舉了一些華南管網(wǎng)中先導(dǎo)式水擊泄壓閥出現(xiàn)的失效情況，還對閥門提出了改進(jìn)建議。所以這引起了人們對水擊泄壓閥的關(guān)注，所以對于水機破壞的研究顯得重要起來。

1.2 研究的目的及意義

本課題以解決紹興當(dāng)?shù)厮畵羝茐膯栴}為基本目的，既可以說是一個環(huán)保類的課題，因為研究的成果可減少水擊破壞帶來的噪音對紹興環(huán)境的影響。對于紹興民用建筑的水擊破壞的研究的意義有三:減少水擊破壞帶來的噪音;提高水擊預(yù)防閥的技術(shù);采取水擊預(yù)防的措施，合理布置供水管道系統(tǒng)。

2 水機破壞的研究現(xiàn)狀

蘭景玲等人對長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)進(jìn)行了研究，并對在實際工程中，根據(jù)輸水系統(tǒng)的實際特點，設(shè)計合理、有效、經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施進(jìn)行了探索。

3 水擊的概念

水擊又稱水錘:水(或其他液體)輸送過程中，由于閥門突然開啟或關(guān)閉、水泵突然停車、驟然啟閉導(dǎo)葉等原因，使流速發(fā)生突然變化，同時壓強產(chǎn)生大幅度波動的現(xiàn)象。水錘效應(yīng)是一種形象的說法。它是指給水泵在起動和停車時，水流沖擊管道，產(chǎn)生的一種嚴(yán)重水擊。由于在水管內(nèi)部，管內(nèi)壁是光滑的，水流動自如。當(dāng)打開的閥門突然關(guān)閉或給水泵停車，水流對閥門及管壁，主要是閥門或泵會產(chǎn)生一個壓力。由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，水力迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是水利學(xué)當(dāng)中的“水錘效應(yīng)”，也就是正水錘。相反，關(guān)閉的閥門在突然打開或給水泵啟動后，也會產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，但沒有前者大。

4 產(chǎn)生水擊破壞的原因研究

有壓管道中，液體流速發(fā)生急劇變化所引起的壓強大幅度波動的現(xiàn)象。管道系統(tǒng)中閘門急劇啟閉，輸水管水泵突然停機，水輪機啟閉導(dǎo)水葉，室內(nèi)衛(wèi)生用具關(guān)閉水龍頭，都會產(chǎn)生水擊。

水擊可導(dǎo)致管道系統(tǒng)的強烈震動，間接水擊的計算需要知道流速隨時間變化的關(guān)系，產(chǎn)生噪聲和氣穴。掌握水擊壓強的變化規(guī)律對輸水管道的設(shè)計，對消減水擊的破壞作用，有很大的實際意義。水擊的基本問題是最大壓強的計算，最大壓強一般出現(xiàn)在發(fā)射波斷面(如閥門處)。

水擊事故的現(xiàn)象及產(chǎn)生原因:(1)鍋爐局部汽化引起的水擊事故，在爐外可聽到撞擊聲，嚴(yán)重時產(chǎn)生水擊的爐管劇烈抖動;(2)蒸汽竄入供水管產(chǎn)生水擊時，可聽到熱水引出管內(nèi)有汽水撞擊聲，有時熱水引出管有振動現(xiàn)象。蒸汽竄入供水管多在以下二種情況下發(fā)生:①熱水引出管結(jié)構(gòu)或布置位置不當(dāng);②鍋爐運行中水位控制不當(dāng)，水位過低;(3)由于停電或突然停泵發(fā)生水擊事故時，系統(tǒng)回水管的壓力大幅度上升，而水泵出口處壓力大幅度下降;(4)運輸管道過長，導(dǎo)致壓力波的傳播時間過長，形成水擊現(xiàn)象。

5 預(yù)防(消除)水擊破壞的措施研究

5.1 泄壓保護(hù)

(1)氣壓罐:氣壓罐會根據(jù)管路中的壓力變化而自動調(diào)整壓力。壓力過低時自動向管道中補水進(jìn)行增壓;壓力過高時自動吸收管路中的過高壓力進(jìn)行泄壓。(2)水錘消除器:水錘消除器主要防止管道泵的停泵水錘，當(dāng)管路中壓力高于設(shè)定(高壓)值時，會自動排水進(jìn)行泄壓，以此來平衡局部管道的壓力。(3)泄壓保護(hù)閥:泄壓保護(hù)閥工作原理和水錘消除器相同，當(dāng)管路中壓力高于設(shè)定值時，會自動排水進(jìn)行泄壓。

5.2 流速控制

(1)控制水流流速:應(yīng)對管道內(nèi)水流流速進(jìn)項相應(yīng)的控制。當(dāng)DN≤40mm時，流速應(yīng)當(dāng)控制在0.6-1.0m/s之間，當(dāng)DN＞40mm時，流速應(yīng)當(dāng)控制在1.0-1.2m/s之間。(2)水力控制閥:水力控制閥利用管道泵出口與供水管網(wǎng)的壓力差實現(xiàn)自動啟閉，通過活塞缸或膜片室來減緩閥板關(guān)閉速度，從而減少水錘發(fā)生的可能性。(3)快閉式止回閥:快閉式止回閥在快閉閥板前采用導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，停泵時，閥板同時關(guān)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。

5.3 空氣閥

空氣閥是一種用于防止管道泵停泵水錘過程中產(chǎn)生負(fù)壓的特殊閥門，當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)壓力過低時吸入空氣，而當(dāng)管道中壓力過高時排出空氣?？諝忾y不允許液體泄入大氣，在排除空氣時具有自動關(guān)閉的功能。

5.4 鎮(zhèn)墩防護(hù)

使用大體積素混凝土構(gòu)件作為鎮(zhèn)墩，其主要作用是依靠自身重力保持管道的穩(wěn)定性，這也是一種成本低，效果好的防護(hù)措施，得到的應(yīng)用也最為廣泛。

5.5 逆止閥與旁通管聯(lián)合防護(hù)法

采用逆止閥與旁通管聯(lián)合防護(hù)的方法，要將旁通管管徑控制停泵后的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速確定下來，也可以將逆止閥、旁通管與蝶閥進(jìn)行配套應(yīng)用，即使將逆止閥關(guān)閉，由于設(shè)置有旁通管，所以倒流并未被完全切斷，倒流穩(wěn)定后，再用蝶閥把出水管道勻速關(guān)閉，此時倒流流量只有水泵額定流量的五分之一到三分之一，所以不會導(dǎo)致水管路出現(xiàn)大的壓力波動。[2]

此外，還有一些其他的防護(hù)和消除措施，這里不一一列出。

6 存在的問題及研究趨勢

現(xiàn)在紹興的民用建筑還是多以水擊預(yù)防閥來消除實際破壞，但是近些年市面上的水擊預(yù)防閥大多造價昂貴。所以對于水擊預(yù)防閥的造價、性能等方面還有諸多問題需要有待研究?，F(xiàn)在也有很多學(xué)者從優(yōu)化管道系統(tǒng)方面研究，希望從這方面來減小水擊破壞。胡祥偉，胡明[3]等人對調(diào)壓室連接管尺寸對水擊壓力的影響的研究，這對水擊破壞的研究也提供了一些方向。

7 紹興水擊破壞的結(jié)論及建議

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在造成紹興民用建筑水擊現(xiàn)象主要在于一些高層建筑里，由于高差很大，導(dǎo)致水壓過大，造成的水機破壞。還有就是出現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)中，在蒸汽系統(tǒng)發(fā)生水擊時，系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生很多刺耳的噪音甚至是震動。綜上所述，對紹興民用建筑消除水擊破壞的建議有:(1)適當(dāng)加大紹興民用建筑的輸水管管徑，限制管道流速。一般在液壓系統(tǒng)中把速度控制在4.5m/s以內(nèi)，△P不超過5MPa就可以認(rèn)為是安全的;(2)可以適當(dāng)縮短管長，以減小壓力沖擊波的傳播時間;(3)根據(jù)紹興當(dāng)?shù)厍闆r正確設(shè)計閥口或設(shè)置制動裝置，使運動部件制動時速度變化比較均勻;(4)延長閥門關(guān)閉和運動部件制動換向的時間，可采用換向時間可調(diào)的換向閥;(5)在容易發(fā)生液壓沖擊的部位采用橡膠軟管或設(shè)置蓄能器，以吸收沖擊壓力;也可以在這些部位安裝水擊預(yù)防閥，以限制壓力升高。

[1]區(qū)啟升.先導(dǎo)式水擊泄壓閥在華南管網(wǎng)遇到的問題分析[J].化工管理，2013，2.

[2]劉競艷.農(nóng)村飲水安全工程中提水管道水錘水擊的分析與控制[J].吉林農(nóng)業(yè)，2013，4.

[3]胡祥偉，胡明.調(diào)壓室連接管尺寸對水位波動和水擊壓力的影響分析[J].水電能源科學(xué)，2013，4.