長距離輸水管道出現(xiàn)水錘現(xiàn)象的原因及解決對策研究

王仁江

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110036）

0.引言

根據(jù)工程實際地形情況，一般情況下，長距離輸水管線輸水方式可選擇重力流和泵送流兩種。通常在工程條件允許的情況下優(yōu)先選擇重力流輸水方式。但當管線上的閥門關(guān)閉操作不當或出現(xiàn)水錘造成爆管事故。泵送流輸水方式是通過泵站加壓的方式輸水，此類管線運行涉及水泵加壓，事故停泵時導(dǎo)致水錘波疊加引發(fā)重大爆管事故。因此，大口徑重力流、泵送流混合的長距離輸水管線更為復(fù)雜，一旦產(chǎn)生水錘現(xiàn)象引發(fā)爆管事故，將導(dǎo)致全線停運中斷供水，且搶修工作困難，搶修周期長，會帶來重大損失。為預(yù)防爆管事故的發(fā)生，需有針對性地做好防護措施，因此管道薄弱段分析研究至關(guān)重要。

文章以某大口徑重力泵送流混合長距離輸水做為供水企業(yè)應(yīng)保證安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的水源服務(wù)于用水戶。在城市化發(fā)展的過程中，城市人口數(shù)量激增，對城市供水系統(tǒng)施加不小的壓力。在此過程中，爆管現(xiàn)象逐漸增多，無法滿足城市居民對水資源的使用需求，也造成嚴重的水資源浪費問題。因此，當下有必要深入分析城市管道工程的水錘現(xiàn)象，掌握水錘現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，在此基礎(chǔ)上選擇預(yù)防與控制方法。

1.水錘現(xiàn)象出現(xiàn)原因分析

水錘現(xiàn)象主要誘因為水流在管道內(nèi)流速出現(xiàn)巨大變化所致，水流擁有可壓縮性與慣性，如果水流在運動中流速出現(xiàn)較大變化，對水體總量形成影響，導(dǎo)致水體總量在短時間內(nèi)急劇變化，變化部分產(chǎn)生的動能沖擊輸水管內(nèi)壁，致使輸水管路形狀發(fā)生變化。水錘擁有較強的破壞力，就目前輸水管材質(zhì)對外力的承受能力，難以抵消水錘產(chǎn)生的力，破壞輸水管結(jié)構(gòu)，為工程埋下較大的隱患。對于長距離輸水工程，需要考慮水錘現(xiàn)場，提前選擇防御方法，消除水錘壓力，保護輸水管，其為輸水工程穩(wěn)定、安全運行的重要保障。經(jīng)過統(tǒng)計長距離輸水工程出現(xiàn)水錘現(xiàn)象的概率較大，施工單位有必要加強對水錘預(yù)防工作的重視程度，需要改變傳統(tǒng)觀念，基于工程數(shù)據(jù)進行安全設(shè)計，確保輸水管工程安全、可靠運行。分析過往工程案例，發(fā)現(xiàn)泵站系統(tǒng)容易出現(xiàn)水錘問題，其主要由負壓引起，對輸水工程會形成較大的安全威脅。對于長距離輸水工程，應(yīng)該鎖定容易出現(xiàn)水錘的部位，在重點部位防御的方式下，消除水錘威脅，為輸水工程運行提供良好的條件[1]。

輸水管內(nèi)部有一定量的空氣，空氣會占用管道內(nèi)一部分空間，在管道壓力發(fā)生大幅度變化時，空氣受到外部力作用快速膨脹，空氣柱會推動水流動，由此出現(xiàn)氣推水和水推氣的情況，在此過程中會產(chǎn)生較大的沖擊力，破壞管壁。為確保輸水工程安全運行，必須選擇科學(xué)的手段消除水錘隱患。施工單位可以在第一次試水時，關(guān)注管內(nèi)是否存在氣體，規(guī)范試水行為，將管內(nèi)的空氣排出去。充水必須在管內(nèi)氣體排盡后進行，施工單位需要加強此方面工作的控制力度[2]。

2.長距離輸水管道防水錘技術(shù)選擇的原則

有壓重力輸水的可利用水頭長距離輸水管道防水錘需要關(guān)注的對象，在設(shè)計環(huán)節(jié)需要關(guān)注水管起末端的水力高度差，確定輸水設(shè)計流量。在設(shè)計階段需要確定可利用水頭與輸水管管徑間的關(guān)系，兩者呈反比關(guān)系，前者大后者小，控制輸水管管徑值，也可以降低工程投資值。如果輸水管流速較大，在輸水工程運行階段，水錘現(xiàn)象出現(xiàn)的概率較大。為防止管道出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，破壞管道，需要加強對管道材料與管道水流的控制力度，確保水流可以穩(wěn)定運行。面對地形條件復(fù)雜、管材強度大等情況，需要進行水錘計算，放緩輸水流速，提高管道運行的安全性。在可利用水頭過大時、起端水位變幅較大時、低于設(shè)計流量運行3 種情況，在水錘控制方面適合安裝消能裝置。對于第1和第3 種情況，一般將減壓裝置安裝在輸水管中下游處；對于第2 種情況，一般將減壓裝置安裝在輸水管中上游；前者在水錘控制方面，通過減壓閥保護輸水管，同時擁有減少漏失水量功能。重力給水系統(tǒng)應(yīng)用在水錘控制方面，按照管道的承壓能力、給水區(qū)總落差大小，作出是否需要分級減壓的決定[3]。

結(jié)合收集得到的數(shù)據(jù)，管道承壓能力與減壓級數(shù)呈反比關(guān)系。使用重力流管路系統(tǒng)進行水錘控制，需要將重點集中在減壓措施，重點研究開啟末端閥門時，為規(guī)避管道某些部位產(chǎn)生水柱中斷、降壓波等情況，需要選擇預(yù)防方法。為了消減關(guān)閥水錘，減壓措施的應(yīng)用尤為重要，可以使用緩閉蝶閥規(guī)避安全問題。

3.長距離輸水管道水錘防護對策

3.1 沿線管縱向設(shè)計的水錘防護

輸水管內(nèi)水錘的存在將對管道造成較大的威脅，使用水泵打壓輸水的管道均存在水錘，長距離輸水運輸工程水錘現(xiàn)象較為明顯，管道進行輸水工作時，管內(nèi)水體流速可能發(fā)生較大變化，水錘由此出現(xiàn)并對水管壁釋放一定的能量，破壞水管壁的結(jié)構(gòu)。輸水管內(nèi)水流速度變化難以解決，在管內(nèi)會產(chǎn)生較大的壓力變化，為了不影響管道正常輸水，必須選擇科學(xué)的方法進行防御，降低水錘現(xiàn)象出現(xiàn)時對輸水管壁形成的沖擊作用，不會對輸水管壁結(jié)構(gòu)造成較大的沖擊。在輸水管內(nèi)氣與水混合起來運行，氣與水相互作用產(chǎn)生水錘，會對輸水管內(nèi)壁造成不小的沖擊。因此，需要合理布置輸水管道，縱向布置輸水管道時，為了提高輸水管運行的穩(wěn)定性與安全性，常在各緩駝峰部位安置排氣閥。在工程施工初期會研究輸水管在不同工況下的運行情況，確定水流在不同工況下的狀態(tài)，為排氣閥安裝奠定基礎(chǔ)[4]。

輸水管鋪設(shè)環(huán)節(jié)，在水平段排氣問題較為嚴重。在輸水工程施工環(huán)節(jié)需要關(guān)注管線布置工作，每隔一段間距布置一個高點并完成排氣閥的安裝任務(wù)?；谝酝ぷ鲾?shù)據(jù)，對于處在水平段的輸水管而言，可以每隔600m ～1000m安置一個排氣閥，由此可以控制水管內(nèi)水體流速。研究水在輸水管內(nèi)的運行情況，水在管路中的狀態(tài)難以評估判斷，在水錘預(yù)防方面，需要重點關(guān)注排氣閥，提高其在選擇與安裝方面的合理性。水管內(nèi)水流狀態(tài)比較復(fù)雜，不利于管路進行排氣操作。在水管水流狀態(tài)較為復(fù)雜的情況下，很難準確地敲定排氣閥安裝的位置與安設(shè)的數(shù)量。沿線管縱向設(shè)計必須考慮到影響水流速度的因素，為了加大輸水管在水錘防控方面的能力，排氣閥的設(shè)計非常關(guān)鍵，設(shè)計人員需要加強對此方面的關(guān)注度，引入信息技術(shù)，在動態(tài)模擬、數(shù)據(jù)分析等操作下，提高輸水管運行的穩(wěn)定性與安全性[5]。

3.2 分段減壓消能

長距離輸水管較長，每段水管承受的壓力存在差別，在水錘預(yù)防方面，需要明確每段水管在水錘方面的防護需求，在此基礎(chǔ)上選擇分段減壓的方式控制水錘。對長距離輸水管進行水錘控制工作，必須明確工程每段管道的長度，按照一定長度將管道劃分為多個部分，在每段截割的管道尾端安裝消能設(shè)備與閘閥，調(diào)節(jié)減壓設(shè)施，對各段管道進行有效的控制，保證每段管道承受的壓差均在合理范圍內(nèi)，由此可以規(guī)避水錘現(xiàn)象，不會對管道造成過大的傷害。比如，對南方某城市長距離輸水管道進行水錘預(yù)防的工作，在確定管道總長度后將其分為3 個區(qū)段，保證各段管道工作壓力均在1MPa 以內(nèi)，不會對管壁造成實質(zhì)性的傷害，確保輸水管可靠、安全的運行[6]。

3.3 停泵水錘防護

停泵時管路內(nèi)水體流速在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化，產(chǎn)生的水錘擁有較大的破壞力，會破壞水管壁，對輸水系統(tǒng)和水泵站造成較大的沖擊，還可能引發(fā)安全事故。在停泵時需要做好水錘的防護工作，需要從多方面進行考量，立足實際情況，給出切實、可行的方法，降低停泵水錘、消除停泵水錘。減壓閥應(yīng)用在水錘防護中，可以消除水錘對水管壁的沖擊力，但是也存在一定的缺陷，使用減壓閥導(dǎo)致輸水管完全放空，不利于下次充水啟動，存在較大的危險性。恒壓閥與減壓閥應(yīng)用到輸水工程中的效果不同，讓管道內(nèi)水流保持持續(xù)流動狀態(tài)，下次運行直接打開水閥即可，在操作方面不會出現(xiàn)阻礙。在輸水工程中使用恒壓閥也存在一定缺陷，在應(yīng)用中容易出現(xiàn)管閥水錘的情況[7]。因此，使用恒壓閥時，常使用關(guān)閉下游出口閥的方式，規(guī)避關(guān)閥水錘情況。

在輸水工程中使用環(huán)比蝶閥防護的方法，在水錘預(yù)防方面可以獲得不錯的效果。延長閥門關(guān)閉的時間，在消減關(guān)閥水錘現(xiàn)象方面操作較為簡單，可以減緩水體流速，控制水體流速不會在管內(nèi)形成較大沖力，讓管內(nèi)壓力一直處于平穩(wěn)的狀態(tài)，不會對輸水管運行造成不良的影響。在閥門處理上需要從實際出發(fā)，使用雙速閥門、對閥門最后開度提供一定緩沖、在閥門周邊設(shè)置通管。在部分情況下，需要考慮安裝液壓氣室或進氣閥的方法，使用延長閥門關(guān)閉時間與開打時間的方法，對于大型閥門是一種簡單的方法。長管道在水錘預(yù)防方面存在較大難度，為了消除水管內(nèi)存在的水錘問題，需要基于長管道實際情況，進行針對性研究，基于水管水錘防護需求，依托多樣化的研究手段，整理研究數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計具備實用效果的閥類產(chǎn)品。

3.4 故障預(yù)防處理

管道堵脫管發(fā)生前，有其明顯的跡象，那就是管道的壓力比正常工作時壓力大很多。所以，操作員必須非常留意管道上壓力表的讀數(shù)，當壓力明顯過高時，就必須立即停止泵送，來回巡查管路接頭有無松動，如有松動必須馬上緊固。并拆開管道，進行試泵送，觀察壓力下降到正常位置時，再繼續(xù)泵送。在泵送過程中，堵管一般發(fā)生在管彎、上坡和管道末端等處。當故障發(fā)生時，用木錘連續(xù)敲擊，使之松動，如果仍未解決，則應(yīng)立即停止泵送作業(yè)，從管道末段開始分段拆管，逐一排查堵管，并進行清理或更換。清除堵塞后，擰緊接頭方可重新泵送；脫管一般發(fā)生在彎管、上坡和管道開始等接頭處。當發(fā)生脫管時，應(yīng)立即停止泵送，緊固或重接脫管接頭，并巡查管路一遍，對發(fā)生松脫的接頭進行緊固。

4.結(jié)語

城市供水管網(wǎng)關(guān)系到民眾日常生活，一旦出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，將會對民眾造成很多困擾，為了規(guī)避此情況出現(xiàn)，需要做好水錘預(yù)防與控制工作。輸水管內(nèi)部氣與水相互作用并形成一定的沖力破壞輸水管。為了解決該問題應(yīng)該將關(guān)注點投放在管道氣體排放方面。此外，管道內(nèi)水流不穩(wěn)定也會產(chǎn)生沖擊力，破壞輸水管。技術(shù)人員需要做好輸水管內(nèi)部氣體排放與水流速度控制的工作，觀察輸水工程運行情況，明確水錘控制要求并給出科學(xué)的控制方法，按照方案落實控制任務(wù)，確保長距離輸水工程穩(wěn)定、安全的運行，為民眾提供良好的供水服務(wù)。