船舶管系“水锤效应”成因分析及消除措施

祁少云

（广船国际技术中心）

0 前言

船舶建造是一个复杂的工程，船舶上存在着大量的管路，船舶管路中各使用终端存在用水量不确定、用水时间不确定的情况，船舶管路使用过程中，就会出现水锤效应。如果流速设计不当，容易对管道、供水设备、阀件造成严重损害。水锤效应是指管道内壁光滑，液体正常流动，当突然打开或关闭阀门和换向时，管道内流体在极短的时间内由于流量发生突变，引起的压强急剧升高或降低的交替变化对管道、阀件及泵等产生的强烈冲击，产生犹如锤子敲击管道、泵、阀件等产生噪声的现象。突然打开阀门时管内流体在惯性作用下压力变为负压为负水锤；突然关闭阀门时管内流体在惯性作用下压力变为正压为正水锤。由于水锤的产生使管道压力急剧增大有可能达到正常压力的几倍至几十倍，有可能导致管路爆裂、阀件的阀盘和泵的叶轮补击穿，反之压强过低又会导致管道瘪塌、阀件的阀盘变形和泵的叶轮被折弯。

1 水锤的产生原因及传播

如图1 管路A 端法兰接阀件，B 端法兰接水池。现以管路长度为L,阀件关闭前管路中液体流速为V0，阀门关闭前管路的压力为p0，阀件关闭后液体在管路里传播的时间为t 为例来阐述。当阀门突闭时，紧接阀门的管路法兰A 处的液体流速降低为零，管路中的液体由于惯性作用仍以V0 向A 处流动，首先靠近阀件A 处lx 一段长度液体受到压缩，在该段长度内流速为零，压力升高至p0+△p，由于管路lx 上游即B 方向未受阀门关闭影响，仍以速度v0 流向下游，使靠近lx 的另一段液体受到压缩，直至争端管路逐步被压缩。压力变化△p 成为水锤压强，其前锋的传播速度c 称为水锤波速。

（1）阀门K 突闭时，原以v0 作定常流动的液体，首先在紧邻阀门的A 处停止流动，压力突然由原来的p0 升高了△p，液体受到压缩。阀门左侧液体相继停止流动，其压力升高值△p 也就以速度c由A 处向B 传播。直至 t=L/c 时刻,△p 传到管道入口处B。此时，管路全部液体停止流动而处于被压缩状态，全管压力升高了△p。

（2）t=L ／c 时刻，由于 B 处右侧高于左侧，致使液体由管口处反向流入水池，从而使 B 处液体的压缩状态解除，压力恢复到原来的 p0。 B 处右侧液体相继流向水池而解除压缩状态。直至 t=2L／c 时刻，全管路压力恢复到原来的压力p0。

（3）t=2L／c 时刻，由于惯性，液体仍以速度c 由B 向水池传播，从而压力恢复到p₀ 后继续下降△p，B 处右侧的液体处于低压膨胀状态。至 t=3L/c时刻，全管路处于膨胀低压状态。

（4）t=3L/c 时刻，由于B 处左侧液体压力高于右侧，致使液体以速度c 由水池处反向流入管道，B 处液体由膨胀低压状态解除,压力升高而恢复到pO。液体由水池沿着管道相继解除膨胀低压状态，至t=4L/c 时刻，全管路压力恢复到p0，A 处液体再次开始被压缩，压力又升高并开始同1.1 向上游传播。

此后，如上所述反复进行，直至因阻力作用而停止。水锤压力△p 沿着管长来回传播一次tr=2L/c成为水锤的一个相，两个相为一个周期。

现在的商场、酒店等公共场所的洗手盆的水龙头都为自动感应出水，水龙头自动开启时如仔细观察会发现供水软管会发生抖动，这是由于水龙头突然开启流量突增造成管道内压力突降，管道瘪塌引起的抖动。当水龙头突然关闭时，往往会听见“咚”一声，这是由于流量突降造成管道内压力突增，液体对阀件和管道的冲击。当管路压力过高时，水龙头滴漏，管道会产生”嗡嗡”声响，水龙头滴漏时大时小，这是由于管道内正压、负压交替变换，形成周期。根据这个周期可以找出产生水锤效应的长度，从而采取措施降低水锤的措施。以上现象在高层建筑的低层更明显。

2 直接水锤和间接水锤

现实中启闭阀门总需要一些时间，以ts 表示,tr表示水锤从阀门至产生水锤管道的末端的时间。按ts 与tr 的大小将水锤分为两大类型。若ts≤t，则水池反射波达到管道末端之前，阀门已关闭完毕。管道末端的水锤压力只受上游传播的逆流波的影响，这种情况习惯上称直接水锤。若ts＞tr，则在阀件开关变化终了之前，从水池反射回来的压力波已影响管道末端的压力变化，这种水锤现象称为间接水锤。间接水锤就像是把一个直接水锤分成若干个小的直接水锤在关阀至阀完全关闭时间ts 沿管路发射向上游，工程上尽可能避免发生直接水锤。这就很好的解释了为什么关阀过快会引起强烈的水锤冲击,管路产生撞击声，而缓慢关阀门时水管路几乎没产生撞击声。

管路中存在空气会加大水锤的冲击力，水锤产生的更深层原因是由于液体的可压缩性，用体积模量K0 来表示可压缩性，数值越大可缩性越小，水的体积模量20.6x108pa，而空气的等温体积模量为1.01x105Pa 比液体小很多，简单说就是空气很容易压缩，空气的体积随压强变化很敏感。当水锤压力波传递到时管路中存在的空气段时（正常溶解在水中的空气由于体积小，分布总匀，对水锤的压力波的传递几乎不产生影响），由于空气的体积随压强的变化比较敏感，就会在原压力波的基础上继续产生新的压力波和原水锤压力波进行叠加。这种叠加可能是正叠加或负叠加。正叠加对管路危害较大，因此管路中不能有空气存在。

水池对压力波的削减：水池对压力的削弱作用与水池的大小有很大关系，由于目前无公式对此计算，因此无法在管路上精确设计一个水池来消除压力波，仅在管路接近阀门处设置减速管路即设置一变大管段来削弱压力波。

高层建筑由于供水管道往往很长，水锤传播未到尽头时阀件已经关闭，水龙头往往只需要承受直接水锤，且由于供水管道管径远远大于水龙头管径，所以只有水龙头处听到锤击声，且只响一声。船舶压载管路由于管径大、流量大，管道相对市政管道短，阀门关闭时有受到的为间接水锤，间接水锤冲出相对较小，所以阀门关闭时可见到阀门不停抖动。

水锤压力波的传播速度c

公式中：k0--水的体积模量 (k0=20.6X108Pa)

ρ-液体密度

根据上式可得c=1435m/s，这也是声波在水中传播的速度。考虑水的压缩性和管壁的弹性，对于薄壁（>20）圆管中发生水锤时理论计算公式：

d---管壁内径

E---管壁材料的弹性模量

B—管壁的影响系数

表1 几种管壁材料纵向弹性模量E 值及值

表1 几种管壁材料纵向弹性模量E 值及值

管材种类 E(Pa) k0/E钢管 19.6X1010 0.01铸铁管 9.8X1010 0.02紫铜 1.2X1010 0.01黄铜 9.8X1010 0.02铝合金 7.06X1010 0.02硬质氯乙烯 19.62-39.24X1010 0.01

表2 几种管子的管壁影响系数B

船舶供水管路材质往往不同，这在特种船船舶中更虽明显，铁白铜管道由于管壁较镀锌管道光滑，水锤效应更加明显。

4 管路水锤压强

发生水锤时的压强变化量∆p，管路原压强p0；水锤压强为p0+∆p，∆p 随时间而变化，工程上最感兴趣的是最大水锤压强Pmax=p0+∆pmax。∆p>0 的为正水锤（如阀门突然关闭）；∆p＜0 时为负水锤（如阀门突然打开）。部分引用液体力学压强计算公式如下：其中v1 表示水锤发生后管路内液体平均流速。

管路直接水锤压强增量公式1：

∆pmax=ρc（v0-v1）；

管路直接水锤压强公式2：

Pmax=p0+ρc（v0-v1）；

管路间接水锤压强增量公式3：

管路间接水锤压强公式4：

任务环：是任务实施的核心部分。威利斯把任务环分为任务、计划和报告三部分。学生以小组形式试图完成任务，在此过程中他们会遇到来自专业和语言方面的很多困难。解决方式是通过小组成员间的互助共同解决问题。如果这样做仍然有困难，教师可以作为协助者，帮助他们完成任务。任务完成后学生可以以口语报告的形式汇报他们的任务解决过程和得出的结论。此时的汽车英语教师应该给予学生语言方面的指导，帮助他们改正语法词汇方面的错误。但有时这样做要花费大量的时间，过多同一主题的小组报告会使学生产生厌倦感。这时，教师就应该根据班级情况适时地组织一些其他的活动来帮助他们提高语言水平。

图1 管路图

图2 同种管径，阀前管路长度不同

图3 同种管径，阀前管道长度相同，弯管半径不同

图4 阀前管路长度相同，管径部分不同

图5 管径相同，阀至总管长度不同

由于最大水锤对管路的冲击力最大，破坏力最强，工程上只计算最大的水锤压强，此时v1=0，以下是两种情况下最大计算公式：

管路直接水锤压强公式5：Pmax=p0+ρcv0；

4.1 水锤发生前管路压力p0

分析：由式2、4 可知，当流速很小时，冲击压强取决于初始压强。当管路发生水锤时调低p0，水锤的冲击声会明显降低。这是目前船舶上常采用的一种方式，但这种方式会降低上建的管路水压，存在厕所冲洗不干净的情况。

4.2 水锤发生前管内平均流速v0

分析：由于初期管路设计流速已经确定，很难降低整个管路的流速，这时采用部分管路加大管径，使发生水锤部分的水锤冲击减弱。以船舶管路设计流速为3m/s 计算，得出∆p=1.0x103x1435x3=4.3MPa，由此可见水锤的冲击力之大。因此，在设计管路时流速不能超过3m/s，以便降低水锤的冲击力。

4.3 水锤发生后管路内平均流速v1

分析：水锤冲击是一个连续的过程且无法消除，只能采用措施进行减弱。关阀速度减慢，使流速缓慢变化。当阀关一部分时管路的流速减慢，水锤减弱。当阀突然全关时v1=0 这时水冲击力最大。

4.4 水锤发生时阀前的管路长度L

分析：由式3 及tr=2L/c 知在关阀速度一定时，tr 与 L 成正比。L 越大则 tr 越大。

4.5 开关阀的时间ts

分析：采用旋启式阀件或减慢阀门关闭（开启）的速度可使ts 变大，让最大水锤分为若干个小水锤发射出去。目前船上发生的水锤现象大多是因为使用了小球阀而出现的，由于小球阀关闭的速度快，无缓冲。

4.6 降低水锤压力波的传播速度c

分析：降低水锤压力波的传播速度c 的有效措施可采用材料比较柔软的管材，也可以在管路上安装节流阀，节流孔板，挠性接头等压力缓冲附件，也可以在管路上安装防水锤装置。

水锤泵是把水锤压力充分利用的案例，只需要水流落差在1.5 米以上，就可以通过管道和阀门利用水锤压力将水提高至100 米左右；落差不能超过7 米，超过7 米时管道和阀门产生水锤瞬时压强太大，容易对水锤泵产生损坏。

5 减弱管路水锤效应的几种管路设计方案及措施

（1）图2：由动量公式的冲击力F=mv0=ρlsv0，由于ρ改变小，管路截面积一定，管路的长度对冲击力起决定作用，因此A 型的防水锤效果会比B 型好。

（2）图3：由管路可知管路A 为一倍弯，阻力系数ζ=2.0，管路B 为三倍弯，阻力系数ζ=0.5.A型管路的阻力大于管路,对流体的阻挡作用强于B 型。因此A 型的防水锤效果会比B 型好。

（3）图4：A 型降低了部分管路流速，压力波在扩大管段传播时被削弱，管路产生了两个压力波。1、压力波由阀传至扩大管段及返回；2、压力波由阀件至整条管路末端及返回。扩大管段能对压力波的削弱，相当于把Pmax=p0+ρcv0，分为若干个压力波，使得整个水锤被大大减弱。因此A 型防水锤效果好于B 型。

（5）在产生水锤效应阀件的增加节流孔板。

（6）水锤效应破坏性最大的地方为泵出口及操作阀件部位，在泵或水柜出口及需要操作的阀件附近增加水锤消除器，水锤消除器的原理是由气囊或弹簧对液体流动起减速作用，从而减小水锤效应对管路、泵、阀件的破坏。

（7）采用水力控制阀，即采用液压装置控制阀门的开关，一般安装于泵的出口，该阀利用机泵的出口与管网的压力差来实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤的冲击，从而有效消除水锤。

（8）采用快闭式止回阀，该阀结构是在快闭阀板前采用导流结构，停泵时，止回阀同时关闭，依靠快闭阀板支撑住回流水柱，使其没有冲击位移，从而避免产生停泵水锤对泵的冲击，同时也要在止回阀下游安装压力泄放阀，在超过安全压力时自动泄放，从而减小水锤对止回阀的破坏。

（9）在泵站附近或管路适当位置设置双向调压塔，调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效避免或降低水锤压力，这种方式比较安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边空间位置限制。

（10）安装泄压保护阀，泄压保护阀可以安装在管路的任何位置，和水锤消除器的工作原理相似，只是设定动作压力是高压，当管路压力高于设定保护值时，泄压阀自动打开泄压。

（11）在管路各峰点设置可靠的排气阀，及时将管路中气体排出，从而减小管路中空气对水锤的影响。

某3000 吨船消防系统，管路材质为镍铜合金，船头锚链冲洗阀开闭时，产生激烈的撞击声，船东对此意见很大，通过检查发现消防泵开启时只有锚链冲洗管路用水，且消防泵流量远锚链冲洗管路用水量，结合水锤公式和实船情况，在消防总管靠近锚链冲洗管处增加节流孔板后，锚链冲洗阀开闭时，产生的撞击明显减小。

6 结束语

水锤效应的危害是极其严重的，但是水锤效应只和水本身的惯性有关，所以在管路中采取一系列的缓冲措施和安装相应的水锤消除装置，它的危害就可以控制在最小范围内，并且水锤效应正被人们认识和利用，其中水锤泵就是一种利用流水为动力，通过机械作用，产生水锤效应，将低水头能转换为高水头能的高级提水装置。