喷泉离心泵水锤技术风险与控制

田春梅天津大德环境工程有限公司

喷泉离心泵水锤技术风险与控制

田春梅
天津大德环境工程有限公司

摘要：本文主要对喷泉离心泵水锤现象进行理论上的简析,从不同角度对水锤进行分类,论述水锤发生原理。在此基础上，结合实际案例更加直观的展示了水锤现象产生的原因及发生过程，并通过一些实例分析提出风险应对策略，从而尽量减少水锤现象发生并降低危害性。

关键词：水锤现象；风险；应对策略

有压管道非恒定流问题，也就是水击问题，而压力管道系统的水锤现象就是这种典型现象。水击现象中交替升降的压强升高，可以达到管道恒定流的压强的几十倍甚至是数百倍。水击的危害非常大，还有可能导致管道内出现负压，使其剧烈振动，引起强大噪音，使阀门遭到破坏，管件的接口处破裂，从而使管壁爆裂或者产生严重变形的现象，最终导致爆炸事故的发生。

一、水锤原理简析

所谓水锤即水击现象，就是水或者是其他液体在压力管道输送过程中，由于一些突发的意外事件引起管道内水体流速发生改变，从而引起动量交换，致使水体的动量发生急剧变化，急剧冲击管壁、水泵以及阀门等附件，在水体惯性和可压缩性、管壁弹性以及系统阻力作用下，管道内水的压力和密度不断交替变化，直至稳定的这一过渡过程的状态。

1.水锤现象

在泵系统中，由于输送距离较长、扬程高、闸阀的开启及关闭、泵的启动及停机等原因，使管道中的水流流速突然发生变化，导致压力急剧升高或降低，并以波的形式沿着管道不停地来回传播和反射，这个水力过程又称为过渡过程，这一状态就是水锤现象。因为水流突然发生急剧变化，所以对泵的部件和管壁产生很大的冲击力，必然会损坏附件，使管道发生破裂，以致引起事故的发生，从而导致泵站不能继续安全的运行。

在水锤现象发生时交替升降的压强的作用下，我们要考虑到液体的压缩性以及管壁的弹性。其物理原因主要是液体本身所具备的两种属性，即惯性和压缩性。液体的惯性就是液体本身有着自身的运动速度，保持着稳定的运动状态，而流动速度一旦骤变，就会使液体受到压缩或发生膨胀现象，从而导致压强也发生巨大变化；同理，如果液体的两侧突然受到外力的影响而发生巨变，那么液体流动的速度也会随之发生急剧变化。就一般情况来看，输水管道系统中过渡过程发生意外变化的原因有以下几种：泵的启动与停止、机组转速发生变化或运行的不稳定、动力方面发生问题；泵或管道系统中有空气进入，泵内发生回流，液压伺服阀的开启与关闭、线路的分流和集流等等。而由动力故障所引起的水锤现象最为严重。

2.水锤的种类

根据不同的划分角度，水锤可以分为不同的种类：

（1）从关阀历时和水锤相位的关系来看，可以分为直接水锤和间接水锤。水泵站中所发生的水锤现象通常属于间接水锤，其过程相对而言比较繁琐。

（2）按照水锤特性来分，分为刚性水锤理论和弹性水锤理论。刚性水锤理论计算比较容易，计算结果偏大；而弹性水锤理论计算虽然繁琐但是结果更贴近实际情况。

为了减少意外事件的发生，相关研究专家要能够牢固的掌握泵站水锤水力学机理及其技术，在此基础上认真钻研泵站水锤的计算方法并学以致用，及时有效地将研究成果应用于实际工程中。

3.水锤现象发生的原理

压力管道中水锤现象形成原理可以描述如下：受某些外因的影响，管道内的液体的流量或者流速突然发生变化，因为液体本身流动有一定的惯性，所以管道内压强会发生急剧上升或下降，液体的压缩性和管壁的弹性又使波动在管道中急剧往返波动。水锤现象在管道内发生时，压力会升高，水锤以波的形式在管道内迅速传递，使管道发生强烈振动并形成噪音。

三、设计实例分析

1.案例背景

2007年Kangwonland大型喷泉工程，应用大功率离心泵集中供水方式的结构形式，实现多种水形不同开启状态组合，Kang⁃wonland大型喷泉工程，应客户要求根据国际标准和当地国家标准规定，在距喷泉30m湖岸处设置离心泵房，共使用5台大功率离心泵（75KW以上）控制40余种水形，每台离心泵供水管系中，配置不同规格型号液压伺服阀以控制多种水形组合造型表演。就目前国内喷泉行业大型工程项目中，使用离心泵控制多种水形表演的基础数据很少;在该项目中的水形调试过程中，要求平均每台离心泵通过20-30个不同规格液压伺服阀的控制，实现7-8种水形不同组合变化。发现某些供水系统的管路存在有严重的“水锤”现象。与预埋主管路连接的泵房墙体出现晃动，情况危急，后果不堪设想。这个问题引起我公司高度重视，并组织有关人员立即着手研究、解决这个问题。公司启动应对风险措施体系。由技术总工及项目运营总监组成技术风险应对小组，经施工现场人员配合试验，提供第一手数据，昼夜奋战，剖析原因，找出症结，解决问题，指导现场施工项目经理为首的技术团队，在保证工期情况下，最终解决了大功率离心泵控制多种不同规格液压伺服阀引起的水锤现象，其喷泉效果受到当地民众的好评。

2.理论计算

一般简单管路中由于阀门关闭所引起的水压压强计算举例如下：设管路如下图所示

当阀门逐渐关闭时间接水压强度最大值计算---公式说明

式中：式中△H：直接水压压强增高值。

V：关阀后发生水压时管中流速。

v0：关阀前管内流速。

C：水压波速。

E：液体的弹性模量。

E0：管壁的弹性模量。假如液体为水，管子为一般钢管E/E0≈0.01

D：管子内径。

C0：液体中声波的传递速度C0=1435m/s(100C,1～25大气压)

δ：管子壁厚

②当阀门逐渐关闭时间接水压强度最大值计算：

水压波传播周期：Tw=2L/c

阀门逐渐关闭时的间接水压压强计算，即关阀时间Ts＞Tw=2L/c时的间接水压压强计算,用以延长关闭时间，若能使关闭阀门的时间Ts＞Tw=0.98s

如设阀门关闭时间Ts=3s＞Tw=0.98s

当阀门逐渐关闭时间接水压强度最大值计算---公式说明

式中：△H：间接水压压强增高值。

L：管路长度。

g：重力加速度，g=9.81m/s2

Ts：阀门关闭的时间。

Tw：水压波传播周期。

③阀门突然全部关闭时直接水压压强最大值与阀门逐渐关闭时间接水压强度最大值计算——对比

阀门突然全部关闭时直接水压压强最大值：△H=19.7kgf/cm2；阀门逐渐关闭时间接水压强度最大值计算：如设阀门关闭时间Ts=3s＞Tw=0.98s情况下

△H=0.64kgf/cm2

一般说来，可以从延长关闭阀门的时间，可以避免直接水击的发生。

3.应对策略

Kangwonland喷泉中由于诸多液压伺服阀同时快速关闭在管路中引起巨大水压现象消除方法：

该喷泉管路为复杂管路系统（同一管路系统中存在不同管径管子的串联、并联、汇流、分叉等）在管路中存在多路水压压力波叠加的问题，阀门不是一个而是一组数量巨大的并以某种形式分布的液压伺服阀，液压伺服阀关闭的程序复杂多变，所以极难准确的计算出管路中一个确定的水压压强值。此外，泵的特性、管路的固定方式、管系的激振频率、管路的高低变化等因素都会影响管中水压强度的数值，大大增加了计算的复杂性。但不管怎样上述第一部分所阐述的简单管路中阀门关闭情况对水压强度影响的比较仍可从理性上起到根本性的指导作用。

首选方式为在不影响喷泉表演视觉效果前提下进行合理的编程，使液压伺服阀实现优化的关闭程序，延长各喷泉系统中液压伺服阀组的全程关闭时间使管系中水压陡增（水锤）现象尽量减少。其次在管路的适当位置配置调压装置，设置仪表等监控措施。使水压陡增（水锤）现象进一步减缓，水压装置中的充气压力根据现场情况进行试验调定。在管路的适当位置配置调压装置，设置仪表等监控措施。使水压陡增（水锤）现象进一步减缓，水压装置中的充气压力根据现场情况进行试验调定。

四、结论

压力管道系统的水锤现象是难以避免的，水锤的危害性很大，为此在设计上考虑水锤作用的影响是很有必要的。另外，很多事故是由于现场水泵或阀门操作不当造成的，因此管理、操作人员要严格执行操作规程，力求将水锤发生的频率和水锤所造成的损失降至最低。

参考文献：

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