長距離重力輸水工程水錘防護(hù)研究

【摘要】對(duì)于長距離重力輸水工程來說，水錘引起的升壓和降壓是影響管道運(yùn)行安全的重要因素。水錘的發(fā)生、破壞程度與管線設(shè)計(jì)、閥門選型、運(yùn)行操作等方面有很大聯(lián)系，本文從壓力管道流態(tài)和壓力特點(diǎn)、水錘分類、防護(hù)措施等幾個(gè)方面對(duì)水錘問題進(jìn)行研究和總結(jié)，為引漢濟(jì)渭輸配水等輸水工程的水錘防護(hù)提供了一些思路。

【關(guān)鍵詞】水錘；氣體；壓力；防護(hù)

1、水錘現(xiàn)象簡述

受某些原因的影響，壓力管道中的水體流速急劇變化，這種因水體的慣性作用而導(dǎo)致管道內(nèi)流體壓力急劇變化的現(xiàn)象稱為水體瞬變過程或水錘現(xiàn)象。水錘作為一種非恒定流動(dòng)，為水體的水力暫態(tài)過程，反映著水體運(yùn)動(dòng)過程中空間點(diǎn)處的各個(gè)運(yùn)行要素，包括速度、加速度、動(dòng)水壓強(qiáng)、切應(yīng)力、密度等，不但隨空間位置的變化而變化，而且也隨時(shí)間而變化。

水錘根據(jù)劃分原則的不同，可以分為以下幾種：

（1）依據(jù)Ts（關(guān)閥時(shí)間）和μ（水錘相）的關(guān)系，可分為：直接與間接水錘；

（2）依據(jù)水錘的水力特性，可分為剛性與彈性水錘；

（3）依據(jù)水錘發(fā)生水體的狀態(tài)，可分為水柱連續(xù)的無水柱分離水錘與有水柱分離現(xiàn)象的斷流空腔彌合水錘。

對(duì)于引漢濟(jì)渭輸配水等長距離壓力輸水工程來說，水錘事故是其面臨的主要問題之一，在發(fā)生的瞬間就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此如何采用合理、高效、經(jīng)濟(jì)的防護(hù)措施，以確保工程的安全顯得尤為重要。

2、長距離重力流管道的流態(tài)與壓力特點(diǎn)

2.1輸水管道水、氣兩相流常見流態(tài)

長距離壓力輸水管道流速一般不大，管道中的氣體位于管道上部，為氣囊形式：若某段管線縱坡較小或者布設(shè)平坦，管道中的氣囊分散的相對(duì)獨(dú)立；若某段管線高低起伏明顯，氣囊主要存在于線路的高低轉(zhuǎn)折點(diǎn)和凸起點(diǎn)。美國的馬丁教授在對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究后得出：在比較平坦的供水管道中，水、氣兩相流主要以六種形式存在，如圖1所示。

圖1 輸水管道的六種流態(tài)

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，水、氣兩相流呈現(xiàn)的最終流態(tài)是段塞流，此時(shí)氣體處于管道上部，為單個(gè)或多個(gè)氣囊。若邊界條件的突然改變，如閥門關(guān)閉引起的流速變化和高速水錘波，會(huì)導(dǎo)致管道中氣體發(fā)生分散與聚合，引起氣囊兩端壓差變化，系統(tǒng)瞬態(tài)壓力發(fā)生劇烈升高。氣囊的運(yùn)動(dòng)對(duì)水錘壓力的升高有著很大的影響。

2.2 管道壓力特點(diǎn)

長距離重力流輸水工程，要求所選線路的地勢坡度大于始末端水力坡度，并具有以下特點(diǎn)：

（1）受地形條件的限制，在具有一定的地形高差時(shí)，如遇地貌高差大，輸水線路在高點(diǎn)易發(fā)生負(fù)壓破壞，在低點(diǎn)時(shí)易升壓破壞；

（2）長距離輸水工程通常需布置多處閥井，包括分水閥井、檢修閥井、空氣閥井和泄水閥井等，各閥門在不同作用時(shí)均會(huì)對(duì)整個(gè)管路產(chǎn)生影響；

（3）長距離重力流輸水管道工程中，由上游無壓水池確定的靜水壓力往往大于正常運(yùn)行時(shí)的工作壓力，故管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在靜水壓力基礎(chǔ)上考慮水錘發(fā)生時(shí)的最大升壓。

3、長距離重力流輸水產(chǎn)生的主要水錘

3.1 關(guān)閥水錘

在輸水管道上的閥門因事故需要關(guān)閉時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生關(guān)閥水錘，整個(gè)管段會(huì)發(fā)生升壓和降壓波動(dòng)，水錘波的傳播過程如表1所示。

表1所示之后的水錘波傳播過程將重復(fù)以上四個(gè)階段，受摩擦損失，水錘壓力波逐步衰減，一段時(shí)間后慢慢消失。

3.2 斷流彌合水錘

關(guān)閥水錘后，由管線首端產(chǎn)生向管線末端傳播的負(fù)壓波，若某部位的壓力低于水的汽化壓力，水流連續(xù)性將被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致此處水流被拉斷；若負(fù)壓波在管線末端以正壓波反向傳播，則水流斷流處兩股水流將發(fā)生劇烈碰撞，壓力升高，從而產(chǎn)生斷流彌合水錘，這是長距離重力有壓輸水管道水錘防護(hù)的重點(diǎn)。

發(fā)生劇烈碰撞的兩股水流在撞擊后具有了相同的流速V和水頭H，水流間相互碰撞產(chǎn)生的升壓ΔH為

由此可見，斷流彌合水錘的升壓大小主要取決于兩股水流的彌合速度，也就是相反方向的速度差，降低彌合速度是消減水錘影響的關(guān)鍵因素。

4、水錘防護(hù)措施

長距離重力輸水管道工程中，水錘防護(hù)措施的主要為：單向調(diào)壓塔、普通雙向調(diào)壓塔及箱式雙向調(diào)壓塔，緩閉球（蝶）閥、減壓閥、空氣閥、超壓泄壓閥、調(diào)節(jié)水池等。

下面主要就空氣閥、緩閉蝶閥、單向、雙向調(diào)壓塔等防護(hù)措施進(jìn)行研究。

4.1 空氣閥

在水、氣六種流態(tài)變換過程中，要將管道內(nèi)的氣體排凈，空氣閥必須具備下面三種工況下的需求：①大量排氣需滿足層狀流與波狀流排氣的要求；②水氣相間排氣主要滿足段塞流與氣團(tuán)流排氣的要求；③微量排氣應(yīng)滿足可能產(chǎn)生的少量氣囊的排出的要求。

常見的空氣閥分為兩種：真空破壞閥和注氣排氣閥。真空破壞閥由于其使用局限性，僅能在管道發(fā)生真空破壞時(shí)吸入空氣，不能將管道內(nèi)氣體排出，水錘防護(hù)中越來越少用到。而注氣排氣閥可以向管道內(nèi)補(bǔ)入氣體，又能排出水流中的氣囊，其對(duì)于水錘防護(hù)作用明顯，常用的為浮球式和氣缸式。當(dāng)浮球式排氣閥的大排氣孔排出水氣相間的氣體時(shí)，僅能排出首段氣體，之后由于浮球頂住了氣孔，后面氣體不能排出，或者在排完氣體后，浮球不能準(zhǔn)確復(fù)位，導(dǎo)致管道內(nèi)水流出。氣缸式排氣閥有效的改進(jìn)了排氣方式，可自動(dòng)將大排氣孔打開，進(jìn)行連續(xù)大量的排氣，排氣孔口徑具備大小調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)恒速排氣，做到快開緩閉，較好的解決了管道氣體的注、排問題。

在引漢濟(jì)渭輸配水工程中，空氣閥的布設(shè)根據(jù)管線縱斷面安裝于局部隆起點(diǎn)，管線平緩段約500m設(shè)置一處。在僅需要排氣功能時(shí)，空氣閥的口徑宜取輸水管徑的1/12～1/8；在進(jìn)排氣功能均需要時(shí)，宜取輸水管徑的1/8～1/5。輸配水工程中空氣閥的設(shè)計(jì)采用大口徑注氣排氣閥和微量排氣閥共同作用的方式，如在DN3400管道上設(shè)置DN1200集氣管，在其上布置4個(gè)DN200空氣閥，1個(gè)DN50微量排氣閥。經(jīng)過水力過渡分析確定，空氣閥的布置和設(shè)計(jì)是合理的。

4.2 緩閉蝶閥

緩閉蝶閥在壓力輸水管道上應(yīng)用非常廣泛，其不僅具有普通蝶閥和閘閥的功能，還有止回閥和水錘防護(hù)的作用。蝶閥的緩閉主要通過兩階段關(guān)閉實(shí)現(xiàn)，操作時(shí)有快關(guān)、慢關(guān)兩個(gè)階段，具體階段關(guān)閉時(shí)間、關(guān)閉角度均可調(diào)節(jié)?？礻P(guān)階段，閥門先快速地關(guān)閉至60～70度左右，封閉大部分通道，這一過程會(huì)導(dǎo)致管道升壓，但升壓并不明顯，這主要是因?yàn)殚y門大開度范圍內(nèi)的開度系數(shù)變化率較??；慢關(guān)階段，蝶閥關(guān)閉剩余行程的速度非常緩慢，耗時(shí)為幾分鐘、十幾分鐘甚至更長時(shí)間，因升壓值與流速變化呈正比關(guān)系，緩慢的關(guān)閉過程引起的流速變化率很小，將管道升壓有效的降低。

在咸陽市引石過渭供水工程等長距離壓力輸水工程中，緩閉碟（球）閥對(duì)全線路水錘的防護(hù)起著非常重要的作用。延長閥門的關(guān)閉時(shí)間，優(yōu)化兩階段關(guān)閉程序，能有效的降低關(guān)閥水錘對(duì)整個(gè)管線的沖擊，杜絕水錘破壞的發(fā)生。

4.3 單向、雙向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔設(shè)置于壓力輸水管道部分高點(diǎn)處，一般在水錘計(jì)算后確定會(huì)發(fā)生水流汽化的位置使用。由于注水管道上止回閥作用，以及調(diào)壓塔內(nèi)水頭較低，在負(fù)壓或水柱分離發(fā)生時(shí)，水流只能從調(diào)壓塔流入主管道，避免了再彌合水錘的發(fā)生。單向調(diào)壓塔防護(hù)停泵水錘的效果較好，對(duì)于關(guān)閥水錘不能起到防護(hù)作用。

雙向調(diào)壓塔有普通式和箱式兩種。普通式在單向調(diào)壓塔的基礎(chǔ)上，不僅能夠在事故發(fā)生時(shí)對(duì)主管道進(jìn)行注水，在水錘發(fā)生升壓時(shí)還能允許主管道的高壓水流進(jìn)入調(diào)壓塔暫時(shí)存儲(chǔ)，防止水錘升壓對(duì)管道發(fā)生破壞。雙向調(diào)壓塔為目前水錘防護(hù)措施中最有效的設(shè)備。但雙向調(diào)壓塔的功能要求其水位高度不能低于相應(yīng)管線處最高水壓線，以保證注、排水系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，有時(shí)需架設(shè)高達(dá)幾十米甚至上百米，導(dǎo)致工程造價(jià)升高，運(yùn)行管理難度加大，同時(shí)與周圍環(huán)境不協(xié)調(diào)，安全難以得到保證。

箱式雙向調(diào)壓塔在普通雙向調(diào)壓塔式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)，主要利用了上下不等面積活塞產(chǎn)生的增壓原理：活塞處于平衡狀態(tài)，則F上=F下=S上P上=S下P下，S上>S下，P上< P下，其中S上、S下分別代表上下部活塞面積，P上、P下分別代表調(diào)壓塔內(nèi)部壓強(qiáng)與主管道壓強(qiáng)，調(diào)壓塔高度的有效值取決于S上與S下的比值。因此箱式雙向調(diào)壓塔大大降低了高度需求，一般為4～10m，同時(shí)又不影響其功能實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于引漢濟(jì)渭輸配水工程來說，沿線分水用戶多，各用戶高程差距大，某些用戶所需水位遠(yuǎn)低于干線分水口水壓線標(biāo)高，在支線設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合地形條件，合理建設(shè)調(diào)壓塔，降低管道壓力，保證水錘產(chǎn)生時(shí)不會(huì)對(duì)管道造成影響。

5、結(jié)論

（1）長距離重力輸水工程中，引起管道水錘發(fā)生的因素是復(fù)雜而多變的。水錘防護(hù)最主要是做好關(guān)閥水錘與斷流彌合水錘的防護(hù)。

（2）確定引漢濟(jì)渭輸配水等工程采用哪些水錘防護(hù)措施，需要經(jīng)過水力過渡分析來最終確定。多種防護(hù)措施間相互配合，取長補(bǔ)短，得到最適合工程特性的推薦方案。

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