大管徑輸水管路的水錘災(zāi)害形成原因和防治分析

摘 要：分析長(zhǎng)距離大管徑管道輸水中水錘產(chǎn)生的原因及其危害，提出預(yù)防水錘產(chǎn)生的措施，為保障輸水管道正常運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：大管徑輸水；水錘災(zāi)害；原因；防治措施

Delivery or big diameter of the way water hammer disaster prevention and control of the forming reason and analysis

Wang FengLong

Abstract： the author analyzes long and large diameter pipeline the causes of water hammer and its harm， puts forward the preventive measures of water hammer produce so as to ensure the normal operation of water pipe， reduce economic loss.

Keywords： or big diameter water； Water hammer disasters； Reason； Prevention and control measures

1.滄州引大入港輸水工程概況

滄州引大入港輸水工程是從滄州大浪淀水庫(kù)引水，經(jīng)多級(jí)泵站加壓，向大港油田采油三廠、黃驊市、渤海新區(qū)供水的管道給水工程，管道全長(zhǎng)170千米。

2.水錘的危害及產(chǎn)生原因

管道系統(tǒng)防護(hù)的重要內(nèi)容之一就是防止水錘的出現(xiàn)。在長(zhǎng)距離輸水管道中，由于某些外界原因流速變化經(jīng)常出現(xiàn)。管道中流速變化使管道中水的壓力升高或降低，在壓力低于水的汽化壓力時(shí)，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔。在空腔處的水流彌合時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，管道中的水升壓，形成水錘。水錘有啟動(dòng)水錘、關(guān)閉水錘、停泵水錘。一般啟動(dòng)水錘不大，只是真空情況下，管中空氣不能排出而被壓縮時(shí)才會(huì)加劇水位壓力的變化；關(guān)閉水錘在正常操作時(shí)不會(huì)引起過(guò)大的水錘壓力；突然停電或事故停泵所產(chǎn)生的水錘往往較大，水錘壓力值可達(dá)到工作壓力的1.5～3.0倍。

2.1 水錘產(chǎn)生的原因

水錘產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)原因：閥門(mén)突然開(kāi)啟或關(guān)閉；水泵機(jī)組突然停車(chē)或開(kāi)啟；單管向高處輸水（供水地形高差超過(guò)20 m）；水泵總揚(yáng)程（或工作壓力）大；輸水管道中水流速度過(guò)大；輸水管道過(guò)長(zhǎng)，且地形變化大。

2.2 水錘的危害

水錘引起壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的幾倍，甚至幾十倍。這種大幅度的壓強(qiáng)波動(dòng)，造成的危害有：引起管道強(qiáng)烈振動(dòng)，管道接頭斷開(kāi)，破壞閥門(mén)，嚴(yán)重的造成管道爆管，供水管網(wǎng)壓力降低，不能正常供水；引起水泵反轉(zhuǎn)，破壞泵房?jī)?nèi)設(shè)備或管道，嚴(yán)重的造成泵房淹沒(méi)；造成人身傷亡等重大事故，影響生產(chǎn)和生活。

3.水錘的預(yù)防措施

一般采取技術(shù)工程措施加以防護(hù)，在水泵出口處設(shè)置水錘消除器、緩閉止回閥、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。

3.1 開(kāi)（關(guān)）閥水錘

開(kāi)關(guān)水錘有直接水錘和間接水錘，延長(zhǎng)開(kāi)閥和關(guān)閥的時(shí)間，可避免產(chǎn)生直接水錘；離心泵、混流泵應(yīng)在閥門(mén)關(guān)至15%～30%時(shí)而不是全關(guān)時(shí)停泵，這樣可以降低水泵出口壓力，防止水泵振動(dòng)及延長(zhǎng)閥門(mén)使用壽命。對(duì)于軸流泵在泵出口一般不設(shè)閥門(mén)。

3.2 啟泵水錘

排除管道空氣，使管道充滿水后再開(kāi)啟水泵。凡是長(zhǎng)距離輸水管道的隆起處各點(diǎn)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排氣閥或設(shè)置充水設(shè)施；當(dāng)水泵必須在空管啟動(dòng)時(shí)，可采用分階段開(kāi)閥啟泵方式。先將水泵出口閥門(mén)打開(kāi)15%～30%，管道上其余閥門(mén)全部開(kāi)啟，然后啟動(dòng)水泵。待管道充滿水后再將水泵出水口閥門(mén)全開(kāi)或開(kāi)到所需的角度。對(duì)設(shè)有止回閥的水泵來(lái)講，在止回閥前設(shè)自動(dòng)排氣閥，在止回處設(shè)旁通閥。事故停泵后，應(yīng)待止回閥后管道充滿水再啟動(dòng)水泵。啟泵時(shí)水泵出口閥門(mén)不要全開(kāi)，否則會(huì)產(chǎn)生很大的水沖擊。據(jù)資料分析，國(guó)內(nèi)曾有幾個(gè)泵站的重大水錘事故多在這種情況下產(chǎn)生。

3.3 停泵水錘

給水管中的水在斷電后最初瞬間，主要靠慣性以逐漸減慢的速度繼續(xù)向水池方向流動(dòng)，然后流速降到零。管道中的水在重力水頭作用下，又開(kāi)始向水泵倒流，速度由零逐漸增大。由于管道中水的流速變化，從而引起停泵水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

采取以下措施， 可防止停泵水錘的發(fā)生。

（1）降低輸水流速。降低輸水管道的流速，增加管道直徑、壁厚，可在一定程度上降低水錘壓力。（2）改換電動(dòng)機(jī)慣性。選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的電動(dòng)機(jī)或加裝有足夠慣性的飛輪，可在一定程度上降低水錘值。（3）合理管線布置。輸水管線布置時(shí)，減少管路布置的陡峭度，盡量布置平緩管路，盡量避免出現(xiàn)峰點(diǎn)或坡度劇變，在管路中各峰點(diǎn)安裝可靠的排氣閥，避免產(chǎn)生彌合水錘。（4）選用合理水泵揚(yáng)程。通過(guò)水錘計(jì)算，停泵水錘的大小主要與泵房的幾何揚(yáng)程有關(guān)。幾何揚(yáng)程愈高，停泵水錘值也愈大。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選用合理的水泵揚(yáng)程。（5）縮減輸水管理長(zhǎng)度。管線愈長(zhǎng)，停泵水錘值愈大。由1個(gè)泵站變2個(gè)泵站，用吸水井把2個(gè)泵站銜接起來(lái)。（6）取消止回閥。停泵水錘產(chǎn)生主要是出水管道止回閥關(guān)閉過(guò)快引起。因此，取消止回閥可以消除停泵的危害，并且可以減少水頭損失，節(jié)約能耗。目前，經(jīng)過(guò)一些大城市的試驗(yàn)，認(rèn)為1級(jí)泵房可以取消，二級(jí)泵房不易取消；取消止回閥時(shí)應(yīng)進(jìn)行停泵水錘壓力計(jì)算。（7）緩閉止回閥。在大口徑的水泵出水管上安裝緩閉止回閥、微閉蝶閥，可有效消除停泵水錘。但因閥門(mén)動(dòng)作時(shí)有一定的水量倒流，吸水井須有溢流管。緩閉止回閥有重錘式和蓄能式2種，這種閥門(mén)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對(duì)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。需要注意的是，當(dāng)管路中存在峰點(diǎn)而發(fā)生彌合水錘時(shí)，緩閉止回閥的作用就十分有限。（8）安裝水錘消除器。緊靠止回閥并在其下游安裝水錘消除器。管道中的水錘壓力通過(guò)開(kāi)啟水錘消除器泄掉，即利用管道本身的壓力為動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓自動(dòng)動(dòng)作，即當(dāng)管道中的壓力低于設(shè)定保護(hù)值時(shí)，排水口會(huì)自動(dòng)打開(kāi)放水泄壓，以平衡局部管道的壓力，防止水錘對(duì)設(shè)備和管道的沖擊。通常用的水錘消除器有下開(kāi)式停泵直接水錘消除器、自動(dòng)復(fù)位水錘消除器、自動(dòng)復(fù)位的下開(kāi)式水錘消除器、氣囊式水錘消除器4種。某些水錘消除器無(wú)自動(dòng)復(fù)位功能，容易因操作失誤導(dǎo)致發(fā)生水錘。（9）安裝泄壓保護(hù)閥。該設(shè)備可安裝在管道的任何位置，其和水錘消除器工作原理一樣，只是設(shè)定的動(dòng)作壓力是高壓，當(dāng)管路中壓力高于設(shè)定保護(hù)值時(shí)，排水口會(huì)自動(dòng)打開(kāi)泄壓。（10）采用水力控制閥。一種采用液壓裝置控制開(kāi)關(guān)的閥門(mén)，一般安裝于水泵出口，該閥利用機(jī)泵出口與管網(wǎng)的壓力差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉，閥門(mén)上一般裝有活塞缸或膜片室控制閥板啟閉速度，通過(guò)緩閉來(lái)減小停泵水錘沖擊，從而有效消除水錘。（11）設(shè)置雙向調(diào)壓塔。在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，雙向調(diào)壓塔的水面高度應(yīng)高于輸水管道終點(diǎn)接收水池的水面高度并考慮沿管道的水頭損失。調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補(bǔ)水或泄掉管路中的過(guò)高壓力，從而有效避免或降低水錘壓力。這種方式工作安全可靠，但其應(yīng)用受到泵站壓力和周邊地形的限制。（12）設(shè)置單向調(diào)壓塔。在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建單向調(diào)壓塔。單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時(shí)，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防止水柱拉斷，避免彌合水錘。但其對(duì)停泵水錘以外的水錘如關(guān)閥水錘的降壓作用有限。此外，單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對(duì)可靠，一旦該閥門(mén)失靈，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。（13）安裝氣壓罐。氣壓罐利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管路中的壓力變化，氣壓罐向管道補(bǔ)水或吸收管路中的過(guò)高壓力，其作用與雙向調(diào)壓塔類似。（14）采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)控制。因供水管網(wǎng)壓力隨著工況的變化而不斷變化，機(jī)泵工頻運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)低壓或超壓現(xiàn)象，容易產(chǎn)生水錘，導(dǎo)致對(duì)管道和設(shè)備的破壞。采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)壓力的檢測(cè)，反饋控制水泵的開(kāi)、停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制流量，進(jìn)而使壓力維持一定水平，通過(guò)控制微機(jī)設(shè)定機(jī)泵供水壓力，保持恒壓供水，避免過(guò)大的壓力波動(dòng)，使產(chǎn)生水錘的概率減小。

4.結(jié)論

在長(zhǎng)距離輸水管道管理中，根據(jù)工程的規(guī)模、重要性、地形和地質(zhì)等條件做出綜合判斷， 認(rèn)識(shí)消除不安全隱患，預(yù)防供水事故的發(fā)生，以達(dá)到更好使用效果，使管道正常發(fā)揮效益。

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【作者簡(jiǎn)介】王鳳龍（1984-），男，水利水電；助理工程師。

【文章編號(hào)】1006-2688（2016）03-0043-02