船舶壓力注水管道水錘及防護(hù)措施研究

雷威，程舟濟(jì)，潘永軍，彭貝

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064）

在船舶壓力注水管道中，由于海水流動(dòng)速度的突然變化導(dǎo)致管道中產(chǎn)生急劇的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱(chēng)為水錘。就本質(zhì)而言，水錘就是管道瞬變流動(dòng)中的一種壓力波，它的產(chǎn)生是由于管道某處的流速發(fā)生了急劇改變，從而導(dǎo)致該處的壓力產(chǎn)生突然躍升或下跌，這個(gè)壓力的瞬變波就是水錘。在船舶壓力注水管道注水過(guò)程中，壓力管道中的閥門(mén)快速關(guān)閉時(shí)，由于水錘現(xiàn)象，管道內(nèi)的海水壓力會(huì)迅速變化，可能上升至正常工作時(shí)壓力的幾倍甚至是幾十倍。

由于船舶壓力注水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、水力條件復(fù)雜、閥門(mén)啟閉頻繁，水錘在船舶壓力注水管道中產(chǎn)生的振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生危害，當(dāng)管道內(nèi)產(chǎn)生周期性的壓力波動(dòng)時(shí)，將有可能引發(fā)系統(tǒng)的共振，對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。曹云等研究了管道中因球閥關(guān)閉引起的直接水錘，使用流體力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行了管道水錘三維建模和模擬。方成躍等研究了波速變化對(duì)管道內(nèi)水錘壓力波幅值與周期的影響。易平研究了各種工況下的關(guān)閥時(shí)間與水擊壓力的關(guān)系。

本文采用Flowmaster軟件對(duì)船舶壓力注水管道系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)水錘的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行模擬，討論關(guān)閥時(shí)間對(duì)水錘的影響，并提出壓力注水管道水錘的兩種防護(hù)措施。

1 管道水錘的基本理論

水錘波速作為管道內(nèi)壓力波的重要參數(shù)，對(duì)壓力波的影響主要體現(xiàn)在壓力波幅值與傳播周期兩個(gè)方面。彈性水錘波速理論公式的計(jì)算公式如下：

式中，a為水錘波速；K為流體的體積彈性模量；ρ為流體密度；D為管徑；E為管壁材料的彈性模量；e為管壁厚度；c1為管道支撐相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)Joukowsky水錘的經(jīng)典計(jì)算公式，可以得到管道內(nèi)部的壓力變化:

式中，ΔP為管內(nèi)壓力變化；ΔV為管內(nèi)流體速度變化；ρ為管內(nèi)流體的密度；a為水錘的波速。

據(jù)牛頓第二定律和質(zhì)量守恒定律，可得到的水錘基本方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

連續(xù)方程：

式中，V為管線中流體速度；x為距離；t時(shí)間；H為測(cè)壓管的水力坡度線高度；D為管線直徑；α為管線軸線與水平面的夾角；f為摩阻系數(shù)；g為重力加速度；a為波速。

2 管道水錘現(xiàn)象仿真分析

Flowmaster是一維工程流體管道系統(tǒng)分析軟件，其具有豐富的元件庫(kù)，可方便快捷地搭建系統(tǒng)仿真模型，擅長(zhǎng)對(duì)流體管路系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。該軟件基于特征線法，把流體管道作為研究對(duì)象，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。Flowmaster在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，將系統(tǒng)模型看作由一系列流體元件組成，元件之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接，各個(gè)元件通過(guò)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程來(lái)描述。因此，整個(gè)系統(tǒng)的仿真被簡(jiǎn)化成為求解線性方程組的問(wèn)題。

以某船舶壓力注水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)將壓力海水注入至水艙內(nèi)，由于在水艙注水完成后，球閥需要快速關(guān)閉，因而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。

圖1 某船舶壓力注水系統(tǒng)示意圖

使用Flowmster對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型如圖2所示。系統(tǒng)中彎管、接頭等均用離散損失元件Discrete Loss代替。海水壓力為30bar；管道3、管道4長(zhǎng)度均為50m，管道直徑為0.1m，波速為1000m/s；閥門(mén)直徑為0.1m；水艙為敞口水艙，表面壓力為1bar。

圖2 壓力注水系統(tǒng)模型

閥門(mén)控制信號(hào)如圖3中灰線所示，閥門(mén)在0～2s時(shí)開(kāi)度為1，0.5內(nèi)關(guān)閉（2.5s時(shí)完全關(guān)閉）。圖3是節(jié)點(diǎn)3處的水錘壓力隨時(shí)間變化曲線，正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)3處的壓力為15.53bar；閥門(mén)關(guān)閉后，節(jié)點(diǎn)3處的壓力峰值達(dá)到81.77bar，為正常狀態(tài)下的5.3倍，并且壓力出現(xiàn)周期性波動(dòng)。由于閥門(mén)的突然關(guān)閉導(dǎo)致壓力注水管道出現(xiàn)了明顯的水錘現(xiàn)象，而且壓力峰值遠(yuǎn)高于正常工作狀態(tài)。

圖3 水錘壓力隨時(shí)間變化曲線

3 管道水錘防護(hù)措施

在壓力注水管道系統(tǒng)中，影響水錘產(chǎn)生的因素有管路參數(shù)（管長(zhǎng)、橫截面積）、管道連接方式、部件參數(shù)（如閥門(mén)參數(shù)）、操作方式（如閥門(mén)關(guān)閉方式）等。因此，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文采取以下防護(hù)措施：改變關(guān)閥方案、安裝抑制水錘裝置等措施。

3.1 關(guān)閥方案對(duì)水錘現(xiàn)象的影響

水錘是由于閥門(mén)的突然啟閉，使管道內(nèi)的流速發(fā)生突然變化，從而引起對(duì)管道的壓力沖擊。因此可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)關(guān)閥時(shí)間，改變關(guān)閥方式降低水錘峰值壓力。根據(jù)上述的措施，制定如表1所示的不同的關(guān)閥方案，并對(duì)4種關(guān)閥方案進(jìn)行研究。閥門(mén)開(kāi)度與時(shí)間關(guān)系如圖4所示，不同關(guān)閥方案下水錘壓力如圖5所示。

圖4 不同關(guān)閥方案對(duì)比

表1 關(guān)閥方案對(duì)比

從圖5中可以看到，四種關(guān)閥方案的水錘峰值壓力分別為81.77bar、38.07bar、24.36bar、53.49bar。對(duì)比關(guān)閥方案1和關(guān)閥方案2可以看到，同樣是線性關(guān)閉閥門(mén)，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)，管道內(nèi)的水錘壓力將會(huì)減小；對(duì)比關(guān)閥方案2與關(guān)閥方案3可以看到，當(dāng)總的關(guān)閥時(shí)間不變，采用兩階段雙速關(guān)閉閥門(mén)時(shí)（第一階段快關(guān)，第二階段慢關(guān)，即凹曲線），管道內(nèi)的水錘壓力有明顯降低。對(duì)比方案2與方案4，當(dāng)總的關(guān)閥時(shí)間不變，采用兩階段雙速關(guān)閉閥門(mén)時(shí)（第一階段慢關(guān)，第二階段快關(guān)，即凸曲線），管道內(nèi)的水錘壓力卻上升。

圖5 不同關(guān)閥方案的水錘壓力

因此，在球閥閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間可調(diào)的情況下，適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)球閥的關(guān)閉時(shí)間是一種有效降低管道水錘壓力的方法。采用兩階段雙速關(guān)閥的方案時(shí)，在相同的關(guān)閥總時(shí)間下，凹曲線能夠進(jìn)一步降低管道水錘壓力。

為了研究?jī)呻A段雙速關(guān)閥方案中，凹曲線斜率對(duì)水錘壓力的影響，制定如表2所示的不同的關(guān)閥方案，閥門(mén)開(kāi)度與時(shí)間關(guān)系如圖6所示，不同凹曲線關(guān)閥方案下水錘壓力如圖7所示。

圖7 不同凹曲線關(guān)閥方案下水錘壓力

表2 關(guān)閥方案對(duì)比

圖6 不同凹曲線關(guān)閥方案對(duì)比

從圖7中可以看到，閥門(mén)完全關(guān)閉時(shí)水錘壓力峰值分別為31.18bar、24.36bar、17.30bar、8.96bar，隨著凹曲線第一階段關(guān)閥速度的增加，對(duì)水錘波動(dòng)的峰值壓力越來(lái)越小。但是，隨著凹曲線第一階段關(guān)閥速度的增加，在關(guān)閥第一階段結(jié)束時(shí)出現(xiàn)了新的壓力峰值-13.19bar、-11.96bar、-26.48bar、-41.04bar，并且隨著第一階段關(guān)閥速度的增加，該峰值逐漸增大，凹曲線4的第一階段結(jié)束時(shí)的壓力峰值甚至超過(guò)了關(guān)閥結(jié)束時(shí)的水錘壓力峰值。因此，兩階段雙速關(guān)閥曲線第一階段的關(guān)閥速度不是越大越好，還應(yīng)注意第一階段結(jié)束時(shí)的壓力值變化，使其不超過(guò)關(guān)閥結(jié)束時(shí)的水錘壓力峰值。

通過(guò)多次仿真對(duì)比，提出一種雙速關(guān)閥曲線該曲線如圖8所示，第一階段關(guān)閉閥門(mén)的3/4，第二階段關(guān)閉閥門(mén)的1/4，此時(shí)，對(duì)水錘的抑制效果最好，并且由于第一階段關(guān)閥產(chǎn)生的壓力峰值未超過(guò)關(guān)閥結(jié)束時(shí)的水錘壓力峰值。

圖8 一種關(guān)閥曲線及水錘壓力

圖9 為所提出的關(guān)閥方案的末端管道受力圖。從圖中可以看到，管路受到5Hz、15Hz的沖擊力，若系統(tǒng)某處的固有頻率為5Hz、15Hz，將有可能導(dǎo)致共振，對(duì)系統(tǒng)造成危害。因此，改變不同的關(guān)閥方式能夠有效降低管道水錘壓力的峰值，但是，周期性波動(dòng)現(xiàn)象仍然存在，依舊會(huì)造成管道系統(tǒng)的周期性振動(dòng)。

圖9 末端管道受力圖

3.2 安裝抑制裝置對(duì)水錘現(xiàn)象的影響

在管道中增加水錘抑制裝置能對(duì)水錘的幅值及波動(dòng)進(jìn)行有效的抑制，考慮到船舶系統(tǒng)的安裝空間及使用條件，為保護(hù)系統(tǒng)末端設(shè)備，采取了以下水錘防護(hù)措施：在球閥后安裝放氣閥；在球閥后安裝穩(wěn)壓罐。模型如圖10所示。

圖10 安裝兩種水錘抑制裝置模型

從圖11中可以看到，安裝兩種抑制裝置后，管道水錘壓力峰值得到明顯抑制，而且壓力波變化非常平穩(wěn)。放氣閥對(duì)管道水錘波動(dòng)效果的抑制優(yōu)于穩(wěn)壓罐，安裝穩(wěn)壓罐的管道系統(tǒng)在閥門(mén)關(guān)閉后，由于海水流速的突然變化，出現(xiàn)短時(shí)的負(fù)壓，而且在恢復(fù)穩(wěn)定的過(guò)程中有幅值較小的波動(dòng)。

圖11 安裝抑制裝置后管道水錘壓力

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用Flowmaster軟件對(duì)某船舶壓力注水管道系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)管道的水錘現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了關(guān)閥方式以及安裝水錘抑制裝置對(duì)水錘現(xiàn)象的影響。得到結(jié)論如下：

（1）壓力注水管道中，延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間，管道內(nèi)水錘壓力將會(huì)減小。相同的關(guān)閥總時(shí)間，采用凹曲線兩階段雙速關(guān)閉的方案，能夠進(jìn)一步減小管道內(nèi)水錘壓力。

（2）凹曲線第一階段的關(guān)閥速度不是越大越好，還應(yīng)注意第一階段結(jié)束時(shí)的壓力值變化，使其不超過(guò)關(guān)閥結(jié)束時(shí)的水錘壓力峰值。

（3）改變不同的關(guān)閥方式能夠有效降低管道水錘壓力的峰值，但是水錘壓力仍然進(jìn)行周期性波動(dòng)，依舊會(huì)造成管道系統(tǒng)的周期性振動(dòng)。

（4）在注水管道中安裝穩(wěn)壓罐及放氣閥不僅能夠有效抑制管道內(nèi)水錘壓力峰值，而且能夠抑制水錘壓力的周期性波動(dòng)，放氣閥對(duì)水錘壓力波動(dòng)的抑制效果優(yōu)于穩(wěn)壓罐。