長距離重力輸水管道關(guān)閥水錘防護措施總結(jié)

陳小龍 李 強 楊 強 王 玨 邢紅鎮(zhèn) 陳世洋

（中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007）

1 背景

隨著我國經(jīng)濟和工業(yè)的快速發(fā)展，人們對水的需求與日俱增，為解決日趨尖銳的用水供需矛盾，長距離管道輸水工程受到人們越來越多的重視。但是由于輸水管道中非穩(wěn)態(tài)下水流變化的不確定性，長距離輸水管道工程存在很大的安全隱患，其中水錘是最常見也是危害最大的隱患。因此，為了保證在長距離輸水系統(tǒng)工程中安全運行，避免系統(tǒng)中發(fā)生劇烈的瞬變流現(xiàn)象而導(dǎo)致嚴重水錘事故，采取經(jīng)濟合理、安全可靠的水錘防護措施變得非常重要，實際工程也急需這方面的技術(shù)。

2 長距離重力輸水管道系統(tǒng)的特點

在長距離輸水工程中，在條件允許的情況下，經(jīng)常利用天然地形高差依靠重力輸水。重力流輸水從水力學(xué)角度上一般分為兩大類：無壓流明渠輸水和承壓流管道輸水。無壓流明渠輸水在流態(tài)上和天然江河、明溝一般，水流由高向低流，由于水流沒有壓力，水流坡度與地形坡度相等。重力承壓流管道輸水在流態(tài)上與天然河流、明溝不一樣，與水泵加壓的管道輸水也不同。重力承壓流管道輸水（以下簡稱重力輸水） 是一種非常理想的輸水方式，具有節(jié)能、省電、投資節(jié)約、運行成本低和管理維護簡單等優(yōu)點，此外它還具有以下特點：

（1） 重力輸水受地形的約束較大，只有當(dāng)?shù)匦螡M足一定的高差，且地貌情況也比較好的情況才考慮采用重力輸水；

（2） 重力輸水管道一般在輸水管道末端或低點承受較高靜壓，容易發(fā)生水錘爆管事故；

（3） 重力輸水流量和水壓的調(diào)節(jié)幅度較小，水位高差是輸水的動力來源，當(dāng)取水口位置、廠址標高、輸水管道管長及管徑確定之后，水位高差也確定了。

3 長距離輸水管道水錘防護要求及目標

《城鎮(zhèn)供水長距離輸水（渠） 工程技術(shù)規(guī)程》 CECS 193-2005 第6.1 條對長距離輸水管道水錘防護有以下幾點要求[1]：

（1） 對小口徑（DN600 以下） 簡單輸水管道的水錘分析和防護設(shè)計，可參考同類工程或根據(jù)一般理論和經(jīng)驗等進行；對復(fù)雜和高壓輸水管道應(yīng)經(jīng)過非穩(wěn)定流分析計算，進行水錘防護設(shè)計。

（2） 中等管徑（DN600～DN1200） 輸水管道的水錘分析和防護設(shè)計，應(yīng)經(jīng)專門的分析計算后，確定水錘防護措施。

（3） 大管徑（DN1200 以上） 輸水管道的水錘分析和防護設(shè)計，除專門分析計算外，還應(yīng)進行適當(dāng)?shù)尿炞C計算，確定水錘防護措施。在具備條件時，大口徑輸水管道的水錘防護計算可結(jié)合數(shù)字模擬技術(shù)進行。

（4） 水錘防護措施應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5 倍最大工作壓力。對加壓輸水管道，事故停泵后的水泵反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)大于其額定轉(zhuǎn)速的1.2 倍，超過額定轉(zhuǎn)速的時間不應(yīng)超過2min。

4 長距離重力輸水管道關(guān)閥水錘防護措施

長距離重力輸水管道關(guān)閥水錘常見的防護措施有延長關(guān)閥時間、兩階段關(guān)閥、空氣閥[2]、超壓泄壓閥和調(diào)壓水池：

（1） 延長關(guān)閥時間

關(guān)閥時間過短是產(chǎn)生關(guān)閥水錘的直接原因，在實際工程，延長關(guān)閥時間是最直接也是最簡單經(jīng)濟的水錘防護措施。理論上講，若關(guān)閥時間足夠長，關(guān)閥水錘將被完全消除。雖然延長關(guān)閥時間是簡單經(jīng)濟的水錘消減措施，但關(guān)閥時間過長不利于管道正常維護管理，因此將水錘消減至工程需求，應(yīng)盡可能的縮短關(guān)閥時間，且每種閥門都有其極限關(guān)閥時間，關(guān)閥時間無法做到無限長。

（2） 兩階段關(guān)閥

在研究勻速關(guān)閥對關(guān)閥水錘的消減影響時發(fā)現(xiàn)，在勻速關(guān)閥的前期（閥門關(guān)至80%前），管道沿線壓力變化較??；勻速關(guān)閥的后期（閥門關(guān)至80%后），管道沿線壓力急劇變化，尤其是在關(guān)閥的最后階段，壓力變化更為劇烈。由此可見，關(guān)閥后期是導(dǎo)致關(guān)閥水錘的關(guān)鍵因素，因此，為了消減關(guān)閥水錘，在不增加整個關(guān)閥時間的前提下，采取兩階段關(guān)閥，即以較快的速度將閥門關(guān)至80%左右，然后在以緩慢的速度將閥門完全關(guān)閉。在實際重力輸水管道工程中，采用兩階段關(guān)閥是非常有效的水錘消減措施。

（3） 空氣閥

空氣閥一般具有進、排氣功能，在發(fā)生關(guān)閥水錘時，在輸水管道的膝部點經(jīng)常產(chǎn)生較大負壓，當(dāng)負壓達到水氣化極限值（-10m） 時，水開始氣化，氣體聚集在膝部點，產(chǎn)生空腔，進而發(fā)生斷流彌合水錘。在工程中，為減少管道系統(tǒng)的空腔，一般在管道系統(tǒng)的膝部點或平緩處每隔一段距離設(shè)置空氣閥，目的在于及時排除管道內(nèi)的氣體，同時也快速吸氣減少負壓的形成。通過研究發(fā)現(xiàn)，在管道高點設(shè)置空氣閥后，管道負壓水錘會有明顯的改善，此外空氣閥對消減彌合水錘引起的正壓水錘也有顯著效果。在長距離重力輸水管道系統(tǒng)中，合理的設(shè)置空氣閥，并配合兩階段科學(xué)關(guān)閥，一般能將關(guān)閥水錘消減至滿足水錘防護設(shè)計要求。

（4） 超壓泄壓閥

超壓泄壓閥也叫持壓泄壓閥，泄壓保護裝置的工作主要依靠對泄壓閥滑塞內(nèi)腔的壓力控制，正常輸送流體時，滑塞在內(nèi)腔設(shè)定的壓力下緊緊的與主閥座貼合，使泄壓閥處于正常關(guān)閉的狀態(tài)；當(dāng)管線發(fā)生水錘時，管道內(nèi)流體壓力驟然上升，超過其滑塞內(nèi)腔所設(shè)定的安全控制壓力時，在壓差的作用下泄壓閥打開，開始泄壓并報警；當(dāng)管線壓力恢復(fù)正常工作壓力時，滑塞與閥座緊緊貼合，泄壓閥恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)，停止泄放，管線恢復(fù)正常輸送。

超壓泄壓閥對管線正壓水錘和負壓水錘消減效果十分明顯，且超壓泄壓閥直徑越大，水錘消減效果越好，但泄壓閥直徑越大，泄流量也越大，水資源浪費越嚴重，根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水（渠） 工程技術(shù)規(guī)程》 CECS 193-2005 第

5.3.2 條：超壓泄壓閥的公稱直徑宜為主管道直徑的1/5～1/4，或經(jīng)水力計算。

在實際長距離重力輸水管道工程中，超壓泄壓閥應(yīng)用較少，這是因為超壓泄壓閥在水錘防護中對泄壓閥的靈敏度有較高要求，發(fā)生水錘時，若泄壓閥泄壓動作滯后，則對斷流彌合水錘幾乎沒有消減作用。

（5） 調(diào)壓水池

在長距離輸水管道系統(tǒng)中，系統(tǒng)最大靜壓一般較高，有的甚至達到幾百米，若不采取合理的水錘防護措施，當(dāng)發(fā)生正壓水錘時，管道承受的瞬時壓力可能達到最大靜壓的幾倍，大大增加管道爆管的風(fēng)險。調(diào)壓水池，也叫穩(wěn)壓水池，最直接的作用是消減管道系統(tǒng)靜壓，此外在管道系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置調(diào)壓水池，可以將長距離輸水管道劃分為相對獨立的極端較短的輸水管道，從而增加了管道運行的安全性。但是不是所有的長距離重力輸水管道系統(tǒng)中都能設(shè)置調(diào)壓水池，它具有一定的局限性，設(shè)置調(diào)壓水池的場地標高低于且接近正常工作水頭線，此外建設(shè)調(diào)壓水池成本較高，所以設(shè)置調(diào)壓水池應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較后再確定是否設(shè)置。

5 長距離重力輸水管道系統(tǒng)關(guān)閥水錘消減措施總結(jié)

通過上述分析其消減措施技術(shù)特點，并結(jié)合工程實際運行情況，可按以下幾點思路進行關(guān)閥水錘防護設(shè)計：

（1） 首先考慮延長關(guān)閥時間，若在工程所能接受的最長關(guān)閥時間下仍不能滿足水錘防滑要求，可采取兩階段關(guān)閥。通過水錘數(shù)值模擬得出最優(yōu)的關(guān)閥方案，即確定最佳關(guān)閥時間和最佳關(guān)閥方式。

（2） 按最優(yōu)的關(guān)閥方式進行關(guān)閥，無論水錘消減效果是否符合防護要求，均按相關(guān)規(guī)范要求，在管線沿線的局部高點、膝部點及平緩處每隔一段距離設(shè)置空氣閥。一方面可以進一步消除管線負壓及斷流彌合水錘隱患，另一方面減少人為或其它因素導(dǎo)致的末端閥門不正常關(guān)閉所帶來的水錘危害。

（3） 一般情況下，在采用最優(yōu)關(guān)閥方案+空氣閥聯(lián)合防護措施后，基本能滿足水錘防護要求，若仍不能滿足要求，可考慮在管道系統(tǒng)適當(dāng)位置設(shè)置超壓泄壓閥、調(diào)壓水池等其它水錘消減設(shè)備。長距離重力輸水管道系統(tǒng)水錘防護設(shè)計應(yīng)在保證滿足水錘防護要求的前提下，綜合考慮工程造價及系統(tǒng)維護等方面，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

6 結(jié)語

通過對長距離重力輸水管道系統(tǒng)中關(guān)閥水錘特點分析，并結(jié)合實際工程運行經(jīng)驗，在滿足水錘防護設(shè)計要求的前提下，總結(jié)出長距離輸水管道系統(tǒng)中關(guān)閥水錘常見而又有效的消減措施。