大管徑輸水管路的水錘災害形成原因和防治分析

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，提出預防水錘產(chǎn)生的措施，為保障輸水管道正常運行，減少經(jīng)濟損失。

關(guān)鍵詞：大管徑輸水；水錘災害；原因；防治措施

Abstract： the author analyzes long and large diameter pipeline the causes of water hammer and its harm， puts forward the preventive measures of water hammer produce so as to ensure the normal operation of water pipe， reduce economic loss.

Keywords： or big diameter water； Water hammer disasters； Reason； Prevention and control measures

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

水錘引起壓強升高，可達管道正常工作壓強的幾倍，甚至幾十倍。這種大幅度的壓強波動，造成的危害有：引起管道強烈振動，管道接頭斷開，破壞閥門，嚴重的造成管道爆管，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)設備或管道，嚴重的造成泵房淹沒；造成人身傷亡等重大事故，影響生產(chǎn)和生活。

3.水錘的預防措施

一般采取技術(shù)工程措施加以防護，在水泵出口處設置水錘消除器、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應設置自動排氣閥或設置充水設施；當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。對設有止回閥的水泵來講，在止回閥前設自動排氣閥，在止回處設旁通閥。事故停泵后，應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）改換電動機慣性。選用轉(zhuǎn)動慣量較大的電動機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)峰點或坡度劇變，在管路中各峰點安裝可靠的排氣閥，避免產(chǎn)生彌合水錘。（4）選用合理水泵揚程。通過水錘計算，停泵水錘的大小主要與泵房的幾何揚程有關(guān)。幾何揚程愈高，停泵水錘值也愈大。因此，應根據(jù)當?shù)貙嶋H情況選用合理的水泵揚程。（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，認為1級泵房可以取消，二級泵房不易取消；取消止回閥時應進行停泵水錘壓力計算。（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)閉時間進行調(diào)整。需要注意的是，當管路中存在峰點而發(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現(xiàn)低壓自動動作，即當管道中的壓力低于設定保護值時，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、自動復位水錘消除器、自動復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位功能，容易因操作失誤導致發(fā)生水錘。（9）安裝泄壓保護閥。該設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，只是設定的動作壓力是高壓，當管路中壓力高于設定保護值時，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，該閥利用機泵出口與管網(wǎng)的壓力差實現(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沖擊，從而有效消除水錘。（11）設置雙向調(diào)壓塔。在泵站附近或管道的適當位置修建，雙向調(diào)壓塔的水面高度應高于輸水管道終點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，但其應用受到泵站壓力和周邊地形的限制。（12）設置單向調(diào)壓塔。在泵站附近或管道的適當位置修建單向調(diào)壓塔。單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。當管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時，調(diào)壓塔向管道補水，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，機泵工頻運行時經(jīng)常出現(xiàn)低壓或超壓現(xiàn)象，容易產(chǎn)生水錘，導致對管道和設備的破壞。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，進而使壓力維持一定水平，通過控制微機設定機泵供水壓力，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， 認識消除不安全隱患，預防供水事故的發(fā)生，以達到更好使用效果，使管道正常發(fā)揮效益。

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【作者簡介】王鳳龍（1984-），男，水利水電；助理工程師。

【文章編號】1006-2688（2016）03-0043-02