長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)

莊文建

摘要：隨著社會的發(fā)展，城市化進(jìn)程在逐步加快，人們的生活水平也越來越高，為了滿足社會生活與生產(chǎn)的需要，長距離大型輸水工程越來越受到人們的關(guān)注。在長距離輸水管線中，多起伏輸水管道水錘防護(hù)是其中的關(guān)鍵，并且多起伏輸水管道水錘防護(hù)對于輸水工程建設(shè)有重要的意義。本文重點(diǎn)對長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)作了分析，并且結(jié)合輸水系統(tǒng)的實(shí)際情況與發(fā)展特點(diǎn)，提出了一些科學(xué)、合理的水錘防護(hù)措施，促進(jìn)輸水工程建設(shè)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：長距離；多起伏輸水管道；水錘防護(hù)

社會城市化進(jìn)程的加快，促進(jìn)了輸水工程建設(shè)的發(fā)展，在輸水工程建設(shè)中，需要重點(diǎn)關(guān)注的就是多起伏輸水管道水錘防護(hù)問題。長距離大型輸水工程的建設(shè)要求是比較高的，在實(shí)際操作中會遇到工程爆管問題，為工程建設(shè)帶來了安全問題。在輸水過程中，長距離有壓輸水管道中比較容易發(fā)生水柱分離與斷流彌合水錘現(xiàn)象，對輸水管道所造成的損害比較嚴(yán)重。因此，對于長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)的研究具有重要意義。

1 水錘現(xiàn)象概述

1.1 水錘的基本概念及分類

水錘現(xiàn)象主要指的是由于壓力管路中流速的劇烈變化引起動量轉(zhuǎn)換，此時就會在管道中形成一系列急驟地壓力交替升降的水力撞擊現(xiàn)象。水錘是一種受流速、加速度、動力壓強(qiáng)等因素影響的水力瞬變過程。水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生穩(wěn)定性不強(qiáng)，并且隨著空間位置和時間的變化而變化，沒有恒定流動狀態(tài)?，F(xiàn)在，我國將水錘現(xiàn)象統(tǒng)括稱為“泵站管路系統(tǒng)水力過渡過程”，由此可見水錘狀態(tài)的特點(diǎn)，在從某一穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，會出現(xiàn)很多不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

水錘的種類有很多，不同的劃分角度，有不同的分類。第一，根據(jù)關(guān)閥所用的時間與水錘相的關(guān)系，可以分為直接水錘與間接水錘。第二，影響水錘形成的外部條件是不相同的，根據(jù)這個劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以將水錘分為啟動水錘、關(guān)閥水錘和停泵水錘三種。第三，水力是水錘現(xiàn)象中的一個關(guān)鍵因素，根據(jù)水力的特性，將水錘分為剛性水錘和彈性水錘。水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生會造成水錘波動的現(xiàn)象不同，有水柱連續(xù)的水錘現(xiàn)象和伴有水柱分離的水錘現(xiàn)象兩種。

1.2 水錘的危害

水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生對輸水工程有很大的影響，水錘持續(xù)的時間比較短，但是卻會造成很嚴(yán)重的事故，給工程帶來巨大的損失，同時也降低了工程的安全性。而且，在水力過渡過程中，很容易造成管路水柱分離和斷流空腔再彌合水錘現(xiàn)象的出現(xiàn)，不僅對輸水管道造成嚴(yán)重的損壞，對于工程也會有很大的損失。在輸水的過程中，許多操作上的失誤都會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，對整個輸水工程都造成嚴(yán)重的破壞。由于我國輸水工程建設(shè)地形的特殊性，水錘事故現(xiàn)象的發(fā)生是比較常見的，而且尤其是對于高差起伏較大的西北、西南地區(qū)。水錘事故對于工程的影響，事故情況輕點(diǎn)會造成水管爆裂，影響輸水工作的正常進(jìn)行，嚴(yán)重的水錘事故會導(dǎo)致泵站被淹毀。而且水錘事故不僅會對輸水工程造成影響，在一定程度上還會損壞鐵路路基與設(shè)備，也會對人的生命安全造成很大的威脅。

停泵水錘在火電廠循環(huán)系統(tǒng)中的影響十分嚴(yán)重，會對火電廠的最低、最高壓力、最大倒流量等參數(shù)在一定程度上造成影響。如果停泵水錘在火電循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用存在不合理的現(xiàn)象，那么不僅會造成嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象，同時也會對設(shè)備造成損壞。

2 長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)的意義

水一直是人們生活與生產(chǎn)中不可缺少的一部分，是人們賴以生存的重要資源。隨著社會城市化進(jìn)程的加快，生產(chǎn)上對于水的需求量在逐漸增大，并且水資源對于工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也發(fā)揮著很大的作用。

隨著我國人口的快速增長與社會的快速發(fā)展，水資源的供求出現(xiàn)了新的發(fā)展問題。在一方面，水的供求量不能滿足社會發(fā)展的需求，水資源嚴(yán)重短缺。另一方面，北方地區(qū)與沿海工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的水資源嚴(yán)重分配不均，同時也造成發(fā)展的不均衡，制約了社會的整體發(fā)展。而且，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，人們一昧追求經(jīng)濟(jì)效益而忽視了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境的惡化對水資源也造成了嚴(yán)重的污染。水資源對于社會的發(fā)展有很重要的影響，國家也大力發(fā)展長距離輸水工程的建設(shè)，可是工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展并不成熟，在輸水過程中總是會出現(xiàn)水錘事故，不僅對工程造成嚴(yán)重的破壞，而且存在著很大的安全隱患，更不利于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

我國的陸地面積比較大，而且地形也比較復(fù)雜，尤其是沿線地形起伏點(diǎn)多，為長距離輸水工程的建設(shè)帶來了困難。近些年來，水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量減小，并不能滿足工作的需要，在輸水過程中，當(dāng)發(fā)生停泵水錘時，往往會對整個泵系統(tǒng)造成影響，使得水壓猛降，從而導(dǎo)致管路中水柱分離現(xiàn)象的產(chǎn)生，更嚴(yán)重的引起斷流空腔再彌合水錘的產(chǎn)生。在輸水工程建設(shè)中，對于長距離輸水管道建設(shè)的要求是比較高的，一般這種管道系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且壓力較高，所以，對于長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)工作的開展，需要結(jié)合各個方面進(jìn)行，同時對輸水管道采取綜合防護(hù)。在目前長距離多起伏輸水管道的建設(shè)中，忽略了地形差的不同，從而在水錘防護(hù)工作中存在一些缺陷。對于長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)工作的研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，所以，必須加強(qiáng)對其的重視。

3 長距離多起伏輸水管道的水錘防護(hù)措施

在長距離的輸水管道中，最易發(fā)生管路中水柱分離現(xiàn)象，從而對水錘造成嚴(yán)重的損壞。所以，在實(shí)際操作過程中，必須結(jié)合實(shí)際，制定科學(xué)合理的長距離多起伏輸水管道的水錘防護(hù)措施，保證輸水工作的正常進(jìn)行。水錘防護(hù)大致分為四種類型，一是通過補(bǔ)水或緩沖的方式達(dá)到穩(wěn)壓的效果，從而對系統(tǒng)內(nèi)的水錘壓力可以進(jìn)行合理的控制，避免由于真空而造成的壓強(qiáng)過高現(xiàn)象。第二個是對閥門種類與關(guān)閉閥門時間長短的控制，閥門的關(guān)閉與開啟過程都會對輸水干管中流速的變化率造成影響，利用閥門種類與關(guān)閉時長就可以對水錘壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。第三是當(dāng)輸水管中的壓強(qiáng)增高時，容易對輸水管道造成破壞，此時就可以通過泄水的方式，實(shí)現(xiàn)降壓。第四是在較長的輸水管中增設(shè)止回閥，也可以達(dá)到降壓的效果。

3.1 調(diào)壓塔

調(diào)壓塔主要是通過補(bǔ)水的方式來達(dá)到穩(wěn)壓的效果。調(diào)壓塔一般分為單向調(diào)壓塔、雙向調(diào)壓塔。雙向調(diào)壓塔還有簡單雙向調(diào)壓塔與箱式雙向調(diào)壓塔之分。

單向調(diào)壓塔由水箱、止回閥、注水管和單向調(diào)壓塔容器中充水的滿水管組成，可以有效防止管路內(nèi)水柱分離現(xiàn)象的產(chǎn)生，并且對斷流彌合水錘也有一定的消減作用。單向調(diào)壓塔在輸水過程中是單向的，只允許塔中水流入主干管，而不允許其回流。單向調(diào)壓塔的安裝工作的進(jìn)行，可以大大降低高度，而且對于水箱容積的要求也不高，在一定程度上可以節(jié)約安裝成本。在單向調(diào)壓塔的作用下，管道內(nèi)處于負(fù)壓時，可以保持注水的連續(xù)性，防止水柱拉斷現(xiàn)象的產(chǎn)生。單向調(diào)壓塔的設(shè)置受位置、容積、注水流量、水位標(biāo)高等因素的影響，在實(shí)際的設(shè)置過程中，一定要注意這些影響因素的合理性，保證將其對單向調(diào)壓塔功能的影響降到最低，使單向調(diào)壓塔最大程度的發(fā)揮其作用，加強(qiáng)對長距離多起伏輸水管道水錘的防護(hù)。在單向調(diào)壓塔設(shè)置的過程中，還要重點(diǎn)注意環(huán)境問題，北方的冬季是比較寒冷的，要加強(qiáng)水箱的防凍工作，可以通過將水箱排空來減少寒冷環(huán)境對設(shè)備的損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失，同時也影響工作的正常進(jìn)行。

雙向調(diào)壓塔相較于單向調(diào)壓塔，具有注水與泄水緩沖式的水錘防護(hù)設(shè)備，對輸水管道水錘進(jìn)行深層次的防護(hù)。當(dāng)管道中的壓力降低時，此時雙向調(diào)壓塔就會發(fā)揮注水功能，通過向管道補(bǔ)水來增高管道中的壓力，防止由于真空等原因而造成的水柱分離現(xiàn)象。相對的，當(dāng)管道內(nèi)的壓力升高時，雙向調(diào)壓塔可以通過泄水的方式，從而降低管道內(nèi)的壓力，起到緩沖水錘升壓的作用。雙向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)是相對比較簡單的，同時雙向調(diào)壓塔對于輸水管道水錘防護(hù)工作的進(jìn)行也比較可靠。但是，雙向調(diào)壓塔的建設(shè)成本比較高，建設(shè)工程難度也比較大，在實(shí)際操作中沒有得到廣泛應(yīng)用。雙向調(diào)壓塔受位置、斷面面積、高度、容量等因素的影響。在雙向調(diào)壓塔的建設(shè)過程中，要將其設(shè)置在可能產(chǎn)生負(fù)壓的管道附近，并且還需要有足夠的斷面面積來保持塔內(nèi)水位波動的穩(wěn)定，降低水位波動所帶來的影響。雙向調(diào)壓塔為了防止調(diào)壓過程中溢流現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要有足夠的高度。為了在管內(nèi)壓強(qiáng)較低時，給水系統(tǒng)補(bǔ)水工作的正常的進(jìn)行，需要在調(diào)壓塔內(nèi)有足夠的容量，可以很好的限制空氣所造成的影響。

相較于單向調(diào)壓塔和簡單雙向調(diào)壓塔，還有一種箱式雙向調(diào)壓塔，在箱式雙向調(diào)壓塔中有活塞，活塞對于管內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)起了很大的作用。在箱式雙向調(diào)壓塔的工作過程中，首先需要進(jìn)行壓力的設(shè)計，當(dāng)管道內(nèi)產(chǎn)生水錘時，這時候管道內(nèi)的壓力會大于最大正常運(yùn)行設(shè)計壓力，此時在壓力的作用下，活塞就會運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對壓力平衡的調(diào)節(jié)。而當(dāng)管道壓力正常時，此時活塞就會封住閥座從而不使管內(nèi)水外流。箱式雙向調(diào)壓塔對于活塞的應(yīng)用是比較靈活的，而且在調(diào)節(jié)上比較直接，對于管道內(nèi)壓力問題的出現(xiàn)，可以進(jìn)行及時處理，而且在很大程度上也提高了輸水運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。箱式雙向調(diào)壓塔對于問題的解決比較靈活快捷，對長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)工作的進(jìn)行有很好的效果。為了使箱式雙向調(diào)壓塔有更好的輸水管道水錘防護(hù)效果，可以結(jié)合系統(tǒng)水錘防護(hù)計算進(jìn)行選用，并且也可以在箱式調(diào)壓塔中附設(shè)特別注水箱，可以提高注水量，保證長距離輸水工作的高效進(jìn)行。

3.2 注排氣閥

注排氣閥是一種較為特殊閥門，一般裝設(shè)在管線凸起部分，可以防止停泵水錘過程中產(chǎn)生負(fù)壓。注排氣閥有吸氣與排氣的功能，當(dāng)管道內(nèi)壓力較低時，可以通過吸入空氣來增大管道的壓力，同時當(dāng)管道內(nèi)壓力較高時，注排氣閥可以通過排出空氣來降低管道內(nèi)的壓力，需要注意的是這種注排氣閥是不允許水瀉入大氣的。

注空氣閥是注排氣閥的一種，這種閥只允許空氣的進(jìn)入，不能實(shí)現(xiàn)空氣的排出，對于吸入的空氣會在管道內(nèi)形成空氣腔，可以對管內(nèi)水錘升壓起到緩沖和消減的作用，從而實(shí)現(xiàn)對管內(nèi)壓力的控制。但是這種注空氣閥的工作模式，也會帶來新的問題，對于這種注空氣閥只吸入空氣而沒有排氣功能，為后期多余空氣的排放工作帶來困難，在一定程度上增大了工作量，而且如果處理不當(dāng)，也會造成水錘的損壞。

恒速緩沖排氣閥是對浮筒與浮筒桿的靈活結(jié)合，浮筒與浮筒桿的工作受管道內(nèi)壓力大小的影響，并且浮筒桿對排氣閥大排氣口的啟閉有著控制作用，當(dāng)管內(nèi)的壓力大小變化時，大排氣口的開啟是隨著壓力的變化自動進(jìn)行的，這種自動化的工作原理，為工作的進(jìn)行帶來了極大的便利，同時對于管內(nèi)壓力異常的問題可以及時得到解決，有效的保證了管道水錘的安全性，在一定程度上提高了輸水效率。

在目前的市場上，浮球式排氣閥的應(yīng)用是比較廣泛的，工作原理與其它的注排氣閥相差不大，但是在性能方面有很大的提高，在輸水管道內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)方面有著重要的作用。但是，浮球式排氣閥也存在著很多的不足，首先浮球是相對于比較輕的，而且輸水管道的坡度并不大，當(dāng)?shù)谝欢蔚呐艢饨Y(jié)束后，浮球就會被水托起，很難就行第二次排氣，從而使排氣的進(jìn)行并不連續(xù)。

3.3 超壓泄壓閥

當(dāng)管道內(nèi)水力瞬變時，此時就會造成管道內(nèi)壓力的變化，當(dāng)管內(nèi)的壓力過高時，超壓泄就會打開，發(fā)揮其泄壓作用，降低管道內(nèi)的壓力，當(dāng)管道內(nèi)壓力有效降低后并且恢復(fù)正常后，泄壓閥會自動關(guān)閉，對于長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)工作的進(jìn)行起了很大的作用。

3.4 其他水錘防護(hù)措施

空氣罐是一種有著一定量壓縮空氣的金屬水罐裝置，這種裝置在輸水管道水錘防護(hù)工作中的功能是有限的，一般不適用于大管徑的管路，所以對空氣罐的應(yīng)用并不廣泛。

在長距離的輸水管道中，還可以將長距離的輸水管道分為一小段一小段，并且在每一小段上增設(shè)止回閥。這種將長距離多起伏輸水管道分為一小段的管道，可以消減每段管道的壓力，從而降低對輸水管道壓力的影響，而且也在一定程度上對長距離多起伏輸水管道水錘起到很好的防護(hù)作用。但是，這種多個止回閥的增設(shè)，增加了工作量，而且提高了供水的成本。而且對個環(huán)節(jié)，對每個工作系統(tǒng)，增加了正常運(yùn)行時水泵電耗。

4 總結(jié)

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，對于水需求量的增大，促進(jìn)了輸水工程建設(shè)的發(fā)展。在輸水工程建設(shè)中，最重要的就是長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)工作。在實(shí)際的輸水工作運(yùn)行中，管道內(nèi)的壓力是受很多因素影響的，必須結(jié)合實(shí)際情況，對這些因素進(jìn)行合理的分析，并且制定科學(xué)、合理的解決方案，同時也可以在建設(shè)中加入計算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的綜合發(fā)展與應(yīng)用。長距離多起伏輸水管道水錘防護(hù)工作的有效進(jìn)行，提高輸水工程建設(shè)的安全性，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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