长距离压力污水管道工程水锤防护技术探讨

南京水务集团有限公司，江苏 南京 210000

1 工程概况

南京市某污水管道工程，需要将某区域污水通过污水泵站调入污水处理厂，工程设计总规模为20万m3/d，污水输送距离为10km，一共设计两条污水管线，左线为污水泵站至污水处理厂，采用一根DN1200压力管，管道长度为10km；右线为兼顾当地片区地块需求，在过高铁段后设置消能井，将一根DN1200压力污水管释放为d1800重力管，因此右线采用一根DN1200压力管（污水泵站至压力释放点）和一根d1800重力管（压力释放点至污水处理厂），压力管道长度为7.5km，管线水力坡度为1.3‰。

该工程中污水压力管的管材选用球墨铸铁管，设计流量为1.5m3/s，流速为1.33m/s，管壁厚度为13.6mm，管道采用聚氨酯涂层进行防腐，表面经过喷砂或抛丸处理，内涂层厚度不小于900μm，外防腐涂层厚度不小于700μm。

该工程中泵站内部安装4台潜水污水泵（包括1台备用），每台水泵的额定流量为1800m3/h，设计扬程为32m，额定轴功率为175kW，电机功率为220kW，额定效率77%，转速为980r/min。集水池底标高为-4.52m，工程设计压力管最高点标高为4.58m，静扬程为9.1m，泵站内的水头损失为4.5m，是典型的“长距离、大流量、低扬程”的污水管道工程。

2 水锤模型建立及基本参数

2.1 水锤模型建立

针对水锤造成的巨大危害，需要采取水锤防护措施，水锤计算可以为后续的水锤防护提供理论依据。其计算出的最大内水压力可以作为设计或校核管道强度的依据，而计算出的最小内水压力可以为防止压力管道内产生负压提供依据。结合该工程资料，利用Bentley HAMMER V8i水锤模拟软件建立水锤计算模型。

2.2 水锤基本参数

水锤波速是分析水锤问题的一个重要参数，主要受管径大小、管壁厚度及水的弹性系数等多种因素的影响。水锤波速的计算公式如下：

式中：L为管道的总长度，m；α为水锤波速，m/s。两段管段的长度分别为7500m和10000m，则两段管段的水锤相长分别为13.5s和18.0s。

3 稳态及停泵水锤计算结果

3.1 稳态计算结果

（1）泵站—压力释放点段管段中，管中高程最低点为K4+797，高程为-8.5m，此时稳态压力水头为17.61m；在K0+009点处，稳态时压力水头最高为19.30m，此时稳态水头为19.30m，管中高程为0m；在管线末端点处，稳态时压力水头为0.12m，此时稳态水头为4.50m，管中高程为4.38m。

（2）泵站—污水处理厂段管段中，管中高程最低点为K4+797，高程为-8.5m，此时稳态压力水头为20.29m；在K0+009点处，稳态时压力水头最高为22.01m，此时稳态水头为22.01m，管中高程为0m；在管线末端点处，稳态时压力水头为0.50m，此时稳态水头为3.50m，管中高程为3m。

3.2 停泵水锤计算结果

（1）无防护条件下，泵站—压力释放点段的水锤计算结果显示，管道全线最大压力水头出现在K0+319点处，为142.30m，是水泵出口额定压力的7倍左右，远远超过了《泵站设计规范》（GB 50265—2010）规定的1.5倍，因此如果没有任何防护措施，发生事故停泵时，管道正压过大，容易发生管道爆裂。最小压力水头出现在K4+798点处，为-3.61m，负压值较高，最大空气容积达89770L，易发生断流弥合水锤现象，不利于管道的安全稳定运行。

（2）无防护条件下，泵站—污水处理厂段的水锤计算结果显示，管道全线最大压力水头出现在K0+319点处，为144.45m，是水泵出口额定压力的6.4倍左右，最小压力水头出现在K6+172点处，为-4.24m，负压值较高，最大空气容积达37974L，易发生断流弥合水锤现象，不利于管道的安全稳定运行。

4 水锤防护计算

4.1 止回阀

止回阀是指依靠介质自身流动而自动启、闭阀瓣，用于防止介质倒流的阀门。

未设止回阀时，停泵后，流量急剧下降，在6.8s时流量发生倒转，在13s时倒转流量达到最大值，为-2130m3/h，是稳态运行时的1.18倍，最终稳定在-980m3/h左右，水泵倒转时间超过120s，不符合《泵站设计规范》（GB 50265—2010）的相关规定。设止回阀时，停泵后流量同样迅速下降，在7.5s时，流量达到零点，不发生倒转现象。

未设止回阀时，停泵4s后，压力水头达到最高值，为0.829MPa，之后便降低至稳定值。而设止回阀时，因止回阀的作用，水泵不发生倒转现象，但停泵后止回阀处的压力较高，最高达到1.85MPa，且压力变化较剧烈，这表明仅依靠普通止回阀虽然能够解决水泵倒转现象的问题，但是会使水锤压力升高，不能有效解决水锤问题。

针对上述情况，考虑采用两阶段缓闭止回阀，以防压力太高或水泵倒转流量过大。泵站停泵后，水流从正向流动变为逆向流动，为了减小关闭阀门带来的水锤，采用两阶段关闭法逐步缓闭止回阀，可以合理设置两阶段的缓冲时间，通常控制为先90%左右快关，后10%左右慢闭，产生截流效应，达到降低动态水压的目的。慢闭时间为50s时，阀后水锤压力最小为0.825MPa，开始倒转时间随着慢闭时间增加逐渐减小，最大倒转速度没有受慢闭时间影响。综合多个因素，选定慢闭时间为50s，即选用公称通径DN1200的两阶段缓闭止回阀，5s快闭90%止回阀，50s缓闭10%止回阀。

4.2 空气阀

空气阀具有自动开启或关闭的功能，当压力管内水锤发生负压时，空气阀开启，使空气进入管道；而当温度或压力变化，管内空气需要释放出来时，空气阀也能够将管内气体及时排出，从而确保整个管道系统的安全运行。空气阀进气量的计算公式如下：

式中：C为谢才系数，取值130m/s；S为管道坡度，取值1.3‰；D为管道内径，该工程中采用DN1200的管道。经计算可得空气阀进气量为1600L/s。

空气阀排气量的计算公式如下：

式中：Q水为管道的水流量，取值1.5m3/s。由式（4）可得空气阀排气量为30L/s。

经计算，压力值为1.4m时，150mm的吸气口径对应的吸气流量为1926L/s，满足排气量1600L/s的要求；压力值为138m时，6.3mm的排气口径对应的排气流量为64L/s，满足排气量30L/s的要求。

4.3 两阶段缓闭止回阀与注气微排阀联用

将两阶段缓闭止回阀和注气微排阀联用于该工程管道布置中，进行水锤模拟计算，结果显示，在止回阀和空气阀联用防护条件下，不管是左线还是右线，水锤正压均显著降低，停泵水锤最大水头线几乎与稳态水头线吻合，同时停泵水锤负压得到了有效控制，管段全线大多为正压，最低负压控制在-2m范围内，符合设计要求。

5 结论

（1）通过无防护停泵水锤的模拟分析计算，发现稳态运行条件下，管道中无负压出现，管道运行安全稳定。无防护条件下，管道全线最大压力水头是水泵出口额定压力的6～7倍，管道正压过大，易发生管道爆裂。最小压力水头超过-3m范围，负压值较高，易发生断流弥合水锤现象，不利于管道的安全稳定运行。

（2）通过设止回阀的水锤防护分析计算，发现普通止回阀能阻止水泵倒转，但是会使水锤压力升高，不能有效解决水锤问题。采用两阶段缓闭止回阀，即5s快闭90%，50s缓闭10%，既能防止倒转流量过大，又能减小阀后水锤压力。

（3）针对空气发的进、排气量计算，对空气阀合理选型，确定采用吸气口径150mm、排气口径6.3mm的注气微排阀，能够满足进气量1600L/s和排气量30L/s的要求，在管线上合理选点分布，能够较好地起到防止断流弥合水锤的作用。

（4）选定两阶段缓闭止回阀和注气微排阀联用防护的方式，应用到该工程中，结果表明，水锤防护措施既显著降低了水锤正压，又消除了水锤负压，起到了良好的保护管线作用。