关于长距离输水工程水锤防护的相关问题研究

杨丽英

(黑龙江建筑职业技术学院，哈尔滨 150025)



关于长距离输水工程水锤防护的相关问题研究

杨丽英

(黑龙江建筑职业技术学院，哈尔滨 150025)

摘要：长距离输水管道工程，因其地势高差起伏较大，扬程较高，易发生水柱分离并造成水锤危害的问题。因此，长距离输水管道工程的设计重点之一就是水锤防护的研究和安全防护。本文对水锤防护的相关问题进行探讨和分析。

关键词：长距离输水工程；水锤保护；水锤危害

0引言

随着经济建设的发展，水资源短缺问题日益明显。为了解决生活和工业用水的水源问题，近年来高扬程、大流量、长距离、地形复杂的输水管线工程日益增多。为了保护此类工程的安全性，如何优化工程设计，保障长距离输水管线系统的安全运行，免遭水锤破坏，成为工程设计中非常重要的问题。

1水锤的形成及分类

1.1水锤

水锤是指在压力管道中由于液体流速的急剧变化(水泵骤停、阀门突然关闭等原因所致)，造成管道中液体压力显著、反复、迅速地变化，由于液体的压缩性和管道的弹性引起的输水系统中的压力波动。

1.2水锤的分类

从不同的角度划分，水锤可分为以下几种 ：

(1)按关阀历时和水锤相的关系，分为直接水锤和间接水锤。对于管长为L，水锤波速为a的管道系统，阀门关闭时间Tc﹤水锤相Tr(Tr=2L/a)为直接水锤 ；阀门关闭时间Tc﹥水锤相Tr(Tr=2L/a)为间接水锤。在水泵站中所发生的水锤通常是间接水锤，其过程比较复杂。

(2)按外部成因，可分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种。启动水锤常在管道首次或检修放空等空管或非满管情况下启动充水，而阀门开启过快、管路排气不畅时发生；关阀水锤是关闭阀门过程中发生的水锤现象；停泵水锤是由于水泵机组突然断电而造成开阀停车时，泵站及管路系统中所发生的水锤现象。

(3)按水锤波动的现象，分为水柱连续的水锤现象和伴有水柱分离的水锤现象。管路内压力下降到液体的汽化压力，局部液体汽化，在管内产生蒸汽穴，受管道的几何形状和速度梯度的影响，气穴可能会变得很大，以致充满管道整个截面，这一现象称为液体分离或水柱分离。

2影响水锤的主要因素

2.1管道流速

管道流速越低，水流惯性越小，速度的微分变化率就越低，从而降低水锤升压和降压，对于防止水锤发生越有利。流量相同时，管径越大，流速越低，但投资费用越高。长距离输水管道系统，管径应从投资成本及运营成本两方面综合考虑，一般需要设置水锤防护设备。

2.2管道平、纵布置

通常管道的纵向布置需要与现状地面高程相匹配。在管道系统中较高的节点是容易产生负压甚至由于压力降低使管道内的水汽化形成水柱分离，当水柱再次弥合时会产生很大的水压冲击，造成严重危害。所以对于管道系统，最理想的情况是通过改变管道平、纵布置，可以避免管道内空气的积累或形成负压。

2.3管道固定方式

架空管道比埋地管道更容易受到水锤破坏，这是因为埋地管道的管道基础及覆土为其提供了额外的力量以阻止管道的变形和管道的结构性毁坏。而架空管道则必须加固，才能抵抗本身存在的和水力瞬变产生的应力。

3工程上常用的防护措施

3.1空气阀

长距离输水管道在开始通水、停止通水、流量调节及事故停泵的不同工况下，需要将管内空气排出或者将管外空气补充至管内，保证管道系统压力稳定。就空气阀的不同作用来看，空气阀主要分为以下几类：

(1)空气阀是在低压下运行，大量进气或者排气的阀门。这种阀门的特点是进排气孔大，一般与阀门公称直径相同或者略小，但当系统有压运行时，保持关闭状态。

(2)排气阀是在管道系统有压运行时，自动排放管道沿线某些较高位置聚集的小团空气的流体力学设备。排气不畅会造成通水困难、水阻增大、流量达不到设计值甚至造成运行期间爆管。因此，排除管道系统有压运行中产生的微量气体至关重要，排气阀就是要解决这个问题的。

(3)组合式空气阀既能够完成低压进排气的功能，又可以在有压工况时将少量的析出气体排出，兼具空气阀门和排气阀两种功能。

3.2增大水泵机组转动惯量

水泵机组转子的转动惯量越大，其转子的角向加速度就越小，即机组转速降低的速率越慢，转速下降速率就越小，使机组的正常水泵工况历时延长。机组事故停泵后，水泵继续在惯性作用下以缓慢降低的速率继续向管路系统中供水，减小了管路中发生水柱分离的危险性，避免了水压和水流速度的急剧降低，能够有效地降低停泵水锤的危害。

3.3安全泄压阀

安全泄压阀一般设置在水泵附近，是否需要设置超压泄压阀以及在何处设置超压泄压阀，需经计算机模拟分析计算后才能做出决定。超压泄压阀的公称直径宜为主管道直径的1/5～1/4，或经水力计算确定。超压泄压阀的主要作用是当管道中发生水力瞬变流，某点的压力过高时，在此点的超压泄压阀自动打开，泄流掉一定流量，维持管道在此点的压力，保持管道在此点的压力；当压力降到安全值后，泄压阀再自动关闭。

4结论

通过上述对影响水锤发生诸多因素的深入分析，可以获知，在工程设计中可以通过对设计流速的合理控制、管道平纵走线的优化布置、管材的合理选择等优化设计，从源头来降低甚至避免发生水锤危害。并且介绍了一些常用的防护水锤设备及操作方法，可以作为设计时的参考。

参考文献：

[1]金锥，姜乃昌，汪兴华，等．停泵水锤及其防护(第2版)[M]．北京:中国建筑工业出版社，2004．

[2]杨玉思，徐艳艳，羡巨智．长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护的研究[J]．给水排水，2009，35(4):108-111．

[3]E B怀利，V L斯特里特．瞬变流[M]．清华大学流体传动与控制教研组，译．北京:水力电力出版社，1983．

(编辑赵欣宇)

Study of Related Issues of Water Hammer Protection of Long Distance Water Delivery Project

YANG Liying

(Heilongjiang College of Construction, Harbin 150025, China)

Abstract：Because of the ups and downs of the terrain height, and high lift of long distance pipeline for water delivery project, water column separation and the harm of water hammer occurred. Therefore, one of the key points of the design of long distance water pipeline project is the research and safety protection of water hammer protection. In this paper, the related issues of water hammer protection are discussed and analyzed.

Keywords：long distance water delivery project; water hammer protection; water hammer damage

中图分类号：G712

文献标识码：B文章编码：1672-0601(2016)04-0095-02

作者简介：杨丽英(1972-)，女。本科，副教授。主要研究方向：给排水。

基金项目：本论文为黑龙江省教育厅高职高专院校科学技术研究项目，项目编号：12535046。

收稿日期：2015-12-18