供水管網(wǎng)水錘形成與危害研究

雷鵬

【摘要】水錘是輸水管路中由于系統(tǒng)水流的突變而形成的，水錘會引起一系列的壓力交替變化，嚴重的影響到了水泵和管網(wǎng)的安全。論文通過對水錘現(xiàn)象的分析，利用水錘基本方程分析了水錘的危害，最后為預防水錘提供一些建議。

【關鍵詞】給水管；水錘；危害；預防

1、引言

供水管網(wǎng)管道平均壓力在0.5-2MPa之間，由于水泵系統(tǒng)負荷有時發(fā)生變化（如因事故突然丟棄負荷，或在較短的時間內(nèi)啟動機組或增加負荷），會導致水泵的突然停止或加速，當水泵流量發(fā)生變化的時，管路中的流量Q和流速V均會發(fā)生劇烈的變化，由于水屬于牛頓流體，其具有一定的慣性，而管道是一個相對密閉的空間，當流速突然發(fā)生變化的時候，會使得管路中的壓力也發(fā)生變化，此時容易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，使得管路中的壓力超過2 MPa，供水管網(wǎng)容易出現(xiàn)爆管或者管道借口破裂的現(xiàn)象。

水錘是破壞水泵和管道的重要因素之一，對泵的零配件和管道周圍會產(chǎn)生極大的沖擊波，導致管道明漏和暗漏的流量增加，浪費水資源，危害到飲水安全。分析水-管網(wǎng)系統(tǒng)中水錘的形成機制、危害與防治做事，對于保證飲水安全有著十分重要的意義。

2、水錘現(xiàn)象的形成機制解析

2.1 水錘現(xiàn)象與特性

在供水管網(wǎng)輸水過程中，由于停電或者檢修等原因，有時候會突然關閉水泵，由于水流具有一定的慣性，進入管網(wǎng)的水流速度會有一定的突變，水流的突變會導致管內(nèi)壓力瞬間增加，而這種變化是交替波動的，這種現(xiàn)象稱為水錘，其變化量計算公式為：

△H=（a/g）△V

其中，△H—壓力水頭增量；a—水錘的傳播速度；g—重力加速度；△V— 速度的變化量。通過以往的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，水錘的壓力大約在3.5MPa左右，因此如果在年久失修的管路中，很容易導致事故的發(fā)生，導致水管破裂、尾氣管氣蝕發(fā)生，水泵運行產(chǎn)生劇烈振動、管網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性急劇下降。

我們可以把水錘的特性歸結為以下幾個方面：（1）水錘實際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力，即當突然啟閉閥門時，由于啟閉時間短、流量變化快，因而水擊壓力往往較大，而且整個變化過程是較快的。（2）由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水擊壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。（3）水擊波傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處（即邊界處）均要發(fā)生波的反射。其反射特性（指反射波的數(shù)值及方向）決定于邊界處的物理特性。

導致水錘產(chǎn)生的主要由于由以下幾個：（1）閥門瞬間啟閉；（2）水泵機組突然停止或者開啟；（3）單獨的管道向高地輸水（高差大于20m）；（4）水泵揚塵H較大；（5）輸配上管路流速過大；（6）閥門沒有設置排氣閥。

2.2 水錘基本方程

水錘現(xiàn)象的物理本質(zhì)是屬于牛頓二定律的范圍。因此可依據(jù)水流的連續(xù)性方程和動量方程導出水錘的基本方程：

方程（5）和（6）稱為水錘基本方程。F、f稱為任意波函數(shù)。其量綱與水頭H量綱相同，故可視為壓力波。F是以速度c沿x軸負方向，向上游傳播的水擊波，稱為逆流波，它是所有逆流波的總和；同理，以速度c度c沿x軸正方向，向下游傳播的水擊波，稱為順流波，它是所有順流波的總和。這兩個波的性質(zhì)是 t 和x的組合不變，函數(shù)值不變。

因為波函數(shù)f=0，所以方程（5）和（6）聯(lián)立消去F，可得直接水擊的計算公式（7）：

從上式可看出：（1）關閉閥門，流速減小，水錘壓力為正，發(fā)生正水錘；（2）開啟閥門，流速增大，水錘壓力為負，發(fā)生負水錘；（3）水錘壓力僅與流速變化和水擊波速有關，而與開度的變化速度、變化規(guī)律以及管道長度無關；（4）直接水錘產(chǎn)生的壓力是巨大的，在水電站中絕對不允許出現(xiàn)直接水錘。若管中初始流速 V0 =5m/s， 波速 c=1000m/s，g 取10，在丟棄全負荷時若發(fā)生直接水錘，ΔH將達500m，因此自來水廠中直接水錘是應當絕對避免的。

2.3 管道設計內(nèi)水壓取值

管道所承受的荷載種類非常的多，包括內(nèi)部荷載和外部荷載，管道內(nèi)部的設計水壓是最復雜的，國內(nèi)外研究管道壓力時，都要對管道的長期壓力、瞬時壓力（水錘）、極限壓力等分別進行研究。

長期壓力應該根據(jù)工程設計的水流速度、水量、水壓等方面進行設計，通過水利模型和實際的測試水壓對水力進行計算和分析，繪制出管路的水壓線。

管路的瞬時壓力是進行非穩(wěn)定流水利過度過程的分析計算，計算時，水壓為正常水壓的0.5倍左右。

極限壓力是管道能夠承受水壓的最大壓力，高于這個壓力管路必然會出現(xiàn)爆管的情況，極限壓力就管材、管徑的不同而不同。

2.4 水錘的危害

水錘現(xiàn)象對水廠二級泵站壓力輸水管的危害最大，當閥門瞬時啟閉或者水泵突然啟閉的時，壓力供水管網(wǎng)的起端會形成負壓力，當水錘波返回時，壓力管道中起始端的壓力從負壓狀態(tài)開始回升；而輸配水管網(wǎng)中的高壓點可能會變?yōu)樨搲弘?，也是管路產(chǎn)生破壞機制中最為嚴重的部位；由于水泵停止后，其沒有動力，如果水泵的出口不關閉，管道中的流量會很快倒流，使得水泵機組倒轉，如果嚴重時，會導致水泵軸套松動。

據(jù)統(tǒng)計表明，大部分的水錘事情都是由于水泵停泵后引起的。水錘現(xiàn)象由于隨機性的發(fā)生，其具有瞬時性，短暫性，會對工程造成嚴重的損害，嚴重時，水泵機組會振壞，管道破裂，輕則會導致水泵機組震動，產(chǎn)生巨大噪聲。

2.5 水錘的防護技術

為了減少水錘發(fā)生或水錘導致對管網(wǎng)的破壞，論文提出一下的措施：

2.5.1防護設施

設置雙向調(diào)節(jié)塔：雙向調(diào)節(jié)塔通過設置在管道水柱應力較弱的駝峰點，設置的溢流口標高應該高于設計的水位，溢流管道的出口采取相應防止水流沖刷導致的破壞的措施。

設置單向調(diào)節(jié)塔：單向調(diào)節(jié)塔可以在輸配水管路出現(xiàn)異常壓力的時候，將其快速的消除（負壓時，可以消除負壓；出現(xiàn)水錘時，可以減少水由于水錘產(chǎn)生過高的壓力而對管路的破壞）。通常應在調(diào)節(jié)塔上設置止回閥，即只能允許塔中的水注入管道，而不允許管道中的水涌入水塔中。

2.5.2 防護設備

（1） 設置調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)閥的形式非常多，要根據(jù)不同的情況進行相應的設置。通過調(diào)節(jié)閥的啟閉來控制管道的壓力、流速，通過這種方法來干涉水錘的形成，達到水錘消除的效果。

（2）設置兩階段關閉液壓可控閥：兩階段關閉液壓可控閥在二級水泵啟閉時能夠自行的啟閉，如在事故發(fā)生時，其能夠自動的關閉至某一角度，其余的角度則以相當慢的速度關閉。這樣即使在發(fā)生事故時，也能有效的預防水錘的形成。

（3）設置空氣罐：空氣罐是內(nèi)部有一定的壓力空氣的罐子，空氣管能夠在管路上發(fā)生水錘時，使得內(nèi)部的氣囊壓縮，為管道起到了緩沖的作用，管路壓力下降時，氣囊中的空氣會快速的向管道中膨脹，有消除水錘的危害。

（4）設置水錘泄放閥：水錘泄放閥是水力式自動控制閥，如果管道中的壓力超過了設計值時，水錘泄放閥會快速的開啟，當管道中的壓力變?yōu)檎Ｋ綍r，該閥又會自動關閉，因此不會產(chǎn)生二次水錘效應。

（5）設置空氣閥：空氣閥可以消除較長的輸水管斷流彌合水錘危害。

3、結論與展望

進行水泵站的水錘形成分析、危害及防護措施的研究，認為要防止水錘的形成歸根結底還是要管理好水泵的運行。在實踐過程中，水錘是必不可免得，此時我們應該做好保護措施，防止水錘對管道的危害。

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