长距离输水管道防水锤的探讨

经华

【摘 要】随着城市建设的快速发展和人民生活水平的日益提高，长距离大型输水工程越来越多，随之而来的工程爆管问题引起越来越多工程人员的注意。长距离重力流输水管道系统的防爆技术研究作为输水管道安全运行的重要课题之一，很有必要进行深入研究。本文介绍了目前重力流输水管道系统中防水锤的常用方法，并对各类防护方法进行全面的技术分析和总结。

【关键词】长距离；输水管道；防水锤

一、水锤的涵义与产生机理

水锤也称水击，或称流体（水力）瞬变（暂态）过程，它是流体的一种非恒定（非稳定）流动，即液体运动中所有空间点处的一切运动要素，包括流速、加速度、动水压强、切应力与密度等不仅随空间位置变化，而且随时间而变。压力管路中，如果末端阀门关闭较快（即管路中流速变化较剧烈），由于管中水流的惯性，开始在整个管路中就形成了一个阀口一水池传播的减速增压运动，水体压缩，密度增大，一直传到水管进口，水流呈瞬时静止状态，此阶段称增压波（直接波）逆传过程；接着压力和密度大的阀门处水流有反向压力池的趋向，这样形成一个与原流速方向相反的流速，从而压力、密度慢慢恢复正常，在管路中就形成了一个压水池一阀门传播的减速减压运动，此阶段称为降压波（反射波）顺传过程；管中的流速瞬时恢复正常，接着从阀门向水池产生一个反方向的流速，水体膨胀，密度减小，管路中形成一个阀门～水池的增速降压运动，称此过程为降压波逆传过程；管路瞬时膨胀静止后，又开始恢复原始状态，因而又产生一个水池向阀门的流速，密度恢复正常，称此过程为增压波顺传过程。此后的水锤现象又将重复进行上述的四个传播过程。如果不计水力阻力，这种传播过程将周而复始地进行下去，这就是突然瞬时关阀后所发生的水锤波的基本传播方式。一般的水锤现象都将运用这个原理进行水力过渡分析。水锤的形成与阀门的迅速关闭/开启有关，由于阀门关闭/开启时间T与水锤波相长听2L/a的差异，表现为直接水锤和间接水锤2种形式。当Tu时，在阀门关闭过程中，反射回来的负水锤波到达阀门时，阀门尚未完全关闭，负水锤波导致压强增值受到了干扰（即降低），水锤峰值被削减，这种水锤称为间接水锤。在同一条件下，停泵水锤比启动水锤和关阀水锤的危害性要大，直接水锤比间接水锤的危害性要大，但危害最大的是当管路中出现水柱分离而产生的断流弥合水锤。

二、长距离输水管道防水锤技术选择的原则

输水管起末端的水力高度差为有压重力输水的可利用水头。在确定输水设计流量后，可利用水头越大，输水管管径可越小，投资越少，当然输水管流速越大，运行时可能引起的水锤升压越高。为防止管道发生破坏性水锤事故。当管材强度较强，或地质、地形条件复杂时，还应经过水锤计算适当降低输水流速，以利管道安全运行。有压重力输水在以下三种情况需消减富余能量：1、当可利用水头过大，管中流速超过3m/s或超过水锤计算所确定的最大流速时；2、起端（如水库等）水位变幅较大时；3、低于设计流量运行，输水管下游管道因压力增加较多，不利于安全输水时；这三种情况较适宜的消能装置为减压恒压阀。第一、三种情况减压装置常设在输水管的中下游；第二种情况常设在输水管中上游；第一、三种情况设置的减压阀对输水管还具有较好的水锤防护和减少漏失水量的功能。重力给水系统是否需要减压和分几级减压，主要决定于给水区总落差的大小和管道的承压能力。落差越大，管道允许承压能力越低，需要设置减压的级数就越多。针对重力流管路系统，降低管材承压等级、减少工程造价，并预防水锤发生，在此将重点研究减压措施；对于开阀水锤分析的重点是研究开启末端阀门可能产生的降压波，可能引起管道某些部位产生水柱中断，以及断流水锤升压的大小，是否可能引起保管事故，为此采取措施加以防护；消减关阀水锤，将借助于缓闭蝶阀和减压措施；对于排气阀在防止断流弥合水锤方面。

三、长距离输水管道防水锤技术分析

1、消能减压防护技术分析

静水中是具有压力的，作用在单位面积上的静水压力为静水压强，它随水的深度增加而增加。静水压强的大小，是相对于大气压而言的。输水管道内作用在管道内壁的静水压力，在与大气相接触时，即在瞬间，静压能量以其他方式转化消耗，此时视管道内液体与大气接触面的相对压强为零，即消能构筑物必须有跟大气相连接的装置，并且要达到简单和保证饮用水供水安全的目的。输水管道内除去只与水深有关的静水压强外，还存在动水压强，它不仅与该点的空间位置有关，还与水的流动有关。重力输水管管径按充分利用作用水头选取，故在设计流量工况下运行时无剩余能量，在流量低于设计流量下运行时，水头损失减少，重力流输水管路就有了富余能量。在安装减压阀的系统中富余能量的大部分由减压阀自动消除，使管路末端压力减。根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规范》提及：减压阀的种类很多，但作用于重力输水管上的主要是减压恒压阀，无论减压阀进口端流量和压力如何变化，出口端保持恒压值不变，并且出口恒压值可方便的进行调节。减压阀出口恒压值根据最大设计水量水压线调整出口压力值，可实现在最大设计流量时不减压消能，而仅消减小流量运行产生的富余能量。

2、关阀水锤防护分析

1）减压阀恒压阀防护。重力流输水管道因阀件及管道接头等漏水、管道爆裂、下游系统正常保养等原因需停运时，是应关闭管道上游进水阀门还是最下游出水阀门，目前仍颇有争议。前者优点是有利于防止水锤破坏，缺点是管道完全放空，再次启动充水也极困难和危险，且费时很长；后者保持管道满管水流，再次运行开阀即可，极为方便，但易产生关阀水锤。实际运行时是绝大多数采用关下游出口阀门的方法。2）缓闭蝶阀防护。关阀水锤防护最简单有效的手段是延长阀门关闭的时间。就某一种管道安装情况来说，应考虑几种可能的解决办法，从中找出可提供最大保护作用而花费最小的一种方法。这些方法包括：在阀门处布置旁通管；对阀门最后15%-20%开度提供缓冲保护；采用双速（两段式启闭）阀门；在某些情况下，可以考虑安装进气阀或液压气室。延长阀门关闭（或打开）时间，可以将水锤压力控制在一定范围内。这对大型阀门来说可能是简单易行的。但是，对于长管线来说，按照控制水锤压力反算的阀门关闭（开启）时间往往较长，达到5-10分钟甚至更多，同调度运用灵活性要求构成了矛盾。因此，对长管道的水锤危害问题应进行专门研究，综合采用多种手段，也许可能开发出某些特种阀类产品。

3、缓冲排气技术分析

在首次充水或需要排空时，管道系统要排出或吸入大量空气。而在管道系统运行中，水体中残存的气体会不断逸出，聚集在系统高处，轻则降低运行效率，重则引发爆管事故，因此，应当及时地将这些气体排出。工程实践中均采用自动进排气阀。但是，当分析进、排气过程时会发现一个矛盾现象：管道首次冲水或需要排空时，排除（或吸入）的空气比较集中，而且不需要过高的压力；而系统运行中只需要排除少量的气体，并且这些气体大都处于较高的压力环境之下。所以，为满足排气量并保证安全，根据工程实验，输水管道上排气阀的布置方式为管道坡度小于1%。时，每隔0.5-1.0km设一个，一般情况下约1.0km设一处，每个排气阀都设在该管段的最高点，当管道起伏较多时，可根据其起伏高度分析是否需要增加，必要时进行相应的水力计算。如果要选用比较经济合理、经久耐用的PCCP管，就目前的生产水平来说尚难以满足要求。经研究认为，在适当位置设减压阀和排气阀以及适当延长关阀时间是行之有效的管道降压措施。

参考文献：

[1]迟宝明，卢文喜等.水资源概论，长春：吉林大学出版社，2006.

[2]金锥，姜乃昌，汪兴华等.停泵水锤及防护，中国建筑工业出版社，2004.