农村供水管网工程中水锤现象的探讨研究

李军

新疆建筑科学研究院有限责任公司（石河子分院）

农村供水管网工程中水锤现象的探讨研究

李军

新疆建筑科学研究院有限责任公司（石河子分院）

文章主要论述了农村供水管网工程中水锤现象，探讨了工程设计中水锤压力的危害性和具体防护措施，对于工程建设具有重要意义。

管网工程 水锤现象 探讨研究

水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生水流冲击波,就象锤子敲打一样,所以叫水锤。针对农村供水管网压力输水工程特点,水锤计算是一项重要的工作。由于长距离输水工程管线长,管道起伏大,要求输水保证率高,因此工程的安全运行问题越来越受到科研、设计、施工及运行管理人员的重视。

本文对农村供水管网压力输水工程的水锤防护措施进行了分析，优化了长距离有压重力输水工程防护水锤的蝶阀关闭过程，提出了空气阀组概念。水锤分析表明,采用空气阀组和两阶段关闭蝶阀联合作用可有效地防护长距离加压输水工程中水锤危害。

一、农村供水管网中的水锤现象

水流冲击波来回产生的力，有时会很大，从而破坏阀门和水泵。“水锤效应”是指在水管内部，管内壁光滑，水流动自如。当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，主要是阀门会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。在农村供水管道建设中都要考虑这一因素。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。电动水泵合电压起动时，在不到 1秒的时间内，即可从静止状态加速到额定转速，管道内的流量则从零增加到额定流量。由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，所以，流量的急剧变化将在管道内引起压强过高或过低的冲击，以及出现“空化”现象。 压力的冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一般，称为“水锤效应”。水锤效应只和水本身的惯性有关系，和水泵没有关系。

由于突然开启和关闭阀门所产生的水锤压力往往较大，一般可达正常压力的 1.3～1.4倍或更大，对供水管道和阀门的破坏性极强，甚至出现水柱断裂现象，造成的后果无法估量。因此，对于工程中长距离、高落差、大口径的输水管线，水锤分析就成了工程安全防护设备选型的主要依据。

水锤发生的原因有以下几点：

1.启泵、停泵、用启闭阀门或改变水泵转速、叶片角度调节流量时；尤其在迅速操作、使水流速度发生急剧变化的情况。

2.事故停泵，即运行中的水泵动力突然中断时停泵。较多见的是配电系统故障、误操作、雷击等情况下的突然停泵。

3.阀门突然开启或关闭。

4.单管向高处输水（供水地形高差超过20米）。

5.水泵总扬程（或工作压力）大。

6.输水管道中水流速度过大。

7.输水管道过长，且地形变化大。

水锤破坏主要的表现形式有：

1.水锤压力过高，引起水泵、阀门和管道破坏；或水锤压力过低，管道因失 稳而破坏。

2.水泵反转速过高或与水泵机组的临界转速相重合，以及突然停止反转过程 或电动机再启动，从而引起电动机转子的永久变形，水泵机组的剧烈振动和联结轴的断裂。

3.水泵倒流量过大，引起管网压力下降，水量减小，影响正常供水。

二、管网中水锤压力的特性和危害

1.水锤特性 .

(1)水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水锤压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。

(2)由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水锤压力将以弹性波的形式沿管道传播。注：水锤波在管中传播一个来回的时间 tr=2L／a，之为相两个相为一个周期2tr=T=2L／a。

(3)水锤波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在外部条件发生变化处(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数值及方向)决定于边界处的物理特性。

2.水锤的危害

水锤引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至几十倍。这种大幅度的压强波动，造成的危害有：

(1)压强升高过大，引起管道强烈振动，管道接头断开，破坏阀门，严重的造成管道爆管；

(2)引起水泵反转，破坏泵房内设备或管道，严重的造成泵房淹没；

(3)造成人身伤亡等重大事故，影响生产和生活。

三、水锤压力的预防措施

利用计算机数值模拟计算水锤压力，可以提供管路内水压力分布状况，即最大水锤压力上升值、最低压力线，校核设计方案的合理性，提出供水系统压力管路安全防护的最优关闭行程和安全运行的保护措施。利用计算机数值模拟计算水锤压力不但能缩短供水工程设计周期，降低试验费用，而且可为供水工程安全运行和优化设计方案提供技术依据。一般情况下，取快关时间等于或接近于正转正流水泵工况达到流量为零的时间，慢关时间约为快关时间的1.4～1.7倍。

预防水锤压力有以下几种措施：

1.离心泵、混流泵应在阀门关至15％～30％时而不是全关时停泵，这样可以 降低水泵出口压力，防止水泵振动及延长阀门使用寿命。对于轴流泵在泵出口一 般不应设阀门。排除管道空气，使管道充满水后再开启水泵。

2.进排气阀、安全阀的使用。

凡是长距离输水管道的隆起处各点应设置自动排气阀或设置充水设施。

一般采取技术工程措施加以防护，在水泵出口处设置水锤消除器、安全阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。进排气阀门或者超压泄压阀门的选用及数量，按照相关规范要求选取即可实现。

排气阀的设置：管道初次输水时，管道内存有空气，管道运行时，实际上是水汽两相流。因此在长距离输水管道设计时，必须重视排气阀的设置，其数量应根据沿线地形、地质情况，合理确定管道的纵向布置，一般认为每隔一定距离布置成一个高点，在驼峰处布设排气阀，防止管道的气蚀和振动，以影响管道输水及安全。

3.缓闭蝶阀防护在系统中的使用

在管网系统运行中，必须配置一定数量的进排气阀门或者超压泄压阀门联合防护才有可能实现系统运行的安全。缓闭止回阀、安全阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。

4.通过水锤计算，停泵水锤的大小主要与泵房的几何扬程有关，几何扬程愈高，停泵水锤值也愈大。因此，应根据当地实际情况选用合理的水泵扬程。

5.管道工作压力的选择

农村供水输水管道各段工作压力不同，管道进口（泵站出口）压力最大，管道出口压力最小，并受地形起伏的影响。设计过程中应根据工程具体情况计算出管道沿线的工作压力，包括水锤压力和检修情况，以选择管材压力值。设计中尽量缩短管路长度，限制管道内流速在2.5～3米／秒。

6.严格系统运行操作规程

为保证运行安全，灌水时一定要按轮灌顺序进行工作，以防系统内压力不均而影响灌水均匀甚至破坏系统，且应尽量延长关闭阀门的时间。只要严格按照操作规程工作，不会产生水锤压力破坏。

7.安装泄压保护阀，该设备安装在管道的任何位置，和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。为了满足城乡人民的正常生产和生活用水需求，减少供水管网及设施的维修费用，降低供水管网压力低造成的社会影响，预防供水事故的发生，认识及消除不安全隐患，是非常有必要的。

综上所述，管道的水锤压力计算在微灌设计中占有重要的位置，尤其是与管道的保护设施的具体安装位置密切相关。因而分析水锤现象对管网工程具有很好的实际工程意义。

[1]李远华.节水灌溉理论与技术[M].武汉水利电力大学出版社，1998.