长距离重力输水管道关阀水锤防护措施总结

陈小龙 李 强 杨 强 王 珏 邢红镇 陈世洋

（中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 410007）

1 背景

随着我国经济和工业的快速发展，人们对水的需求与日俱增，为解决日趋尖锐的用水供需矛盾，长距离管道输水工程受到人们越来越多的重视。但是由于输水管道中非稳态下水流变化的不确定性，长距离输水管道工程存在很大的安全隐患，其中水锤是最常见也是危害最大的隐患。因此，为了保证在长距离输水系统工程中安全运行，避免系统中发生剧烈的瞬变流现象而导致严重水锤事故，采取经济合理、安全可靠的水锤防护措施变得非常重要，实际工程也急需这方面的技术。

2 长距离重力输水管道系统的特点

在长距离输水工程中，在条件允许的情况下，经常利用天然地形高差依靠重力输水。重力流输水从水力学角度上一般分为两大类：无压流明渠输水和承压流管道输水。无压流明渠输水在流态上和天然江河、明沟一般，水流由高向低流，由于水流没有压力，水流坡度与地形坡度相等。重力承压流管道输水在流态上与天然河流、明沟不一样，与水泵加压的管道输水也不同。重力承压流管道输水（以下简称重力输水） 是一种非常理想的输水方式，具有节能、省电、投资节约、运行成本低和管理维护简单等优点，此外它还具有以下特点：

（1） 重力输水受地形的约束较大，只有当地形满足一定的高差，且地貌情况也比较好的情况才考虑采用重力输水；

（2） 重力输水管道一般在输水管道末端或低点承受较高静压，容易发生水锤爆管事故；

（3） 重力输水流量和水压的调节幅度较小，水位高差是输水的动力来源，当取水口位置、厂址标高、输水管道管长及管径确定之后，水位高差也确定了。

3 长距离输水管道水锤防护要求及目标

《城镇供水长距离输水（渠） 工程技术规程》 CECS 193-2005 第6.1 条对长距离输水管道水锤防护有以下几点要求[1]：

（1） 对小口径（DN600 以下） 简单输水管道的水锤分析和防护设计，可参考同类工程或根据一般理论和经验等进行；对复杂和高压输水管道应经过非稳定流分析计算，进行水锤防护设计。

（2） 中等管径（DN600～DN1200） 输水管道的水锤分析和防护设计，应经专门的分析计算后，确定水锤防护措施。

（3） 大管径（DN1200 以上） 输水管道的水锤分析和防护设计，除专门分析计算外，还应进行适当的验证计算，确定水锤防护措施。在具备条件时，大口径输水管道的水锤防护计算可结合数字模拟技术进行。

（4） 水锤防护措施应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3～1.5 倍最大工作压力。对加压输水管道，事故停泵后的水泵反转速度不应大于其额定转速的1.2 倍，超过额定转速的时间不应超过2min。

4 长距离重力输水管道关阀水锤防护措施

长距离重力输水管道关阀水锤常见的防护措施有延长关阀时间、两阶段关阀、空气阀[2]、超压泄压阀和调压水池：

（1） 延长关阀时间

关阀时间过短是产生关阀水锤的直接原因，在实际工程，延长关阀时间是最直接也是最简单经济的水锤防护措施。理论上讲，若关阀时间足够长，关阀水锤将被完全消除。虽然延长关阀时间是简单经济的水锤消减措施，但关阀时间过长不利于管道正常维护管理，因此将水锤消减至工程需求，应尽可能的缩短关阀时间，且每种阀门都有其极限关阀时间，关阀时间无法做到无限长。

（2） 两阶段关阀

在研究匀速关阀对关阀水锤的消减影响时发现，在匀速关阀的前期（阀门关至80%前），管道沿线压力变化较小；匀速关阀的后期（阀门关至80%后），管道沿线压力急剧变化，尤其是在关阀的最后阶段，压力变化更为剧烈。由此可见，关阀后期是导致关阀水锤的关键因素，因此，为了消减关阀水锤，在不增加整个关阀时间的前提下，采取两阶段关阀，即以较快的速度将阀门关至80%左右，然后在以缓慢的速度将阀门完全关闭。在实际重力输水管道工程中，采用两阶段关阀是非常有效的水锤消减措施。

（3） 空气阀

空气阀一般具有进、排气功能，在发生关阀水锤时，在输水管道的膝部点经常产生较大负压，当负压达到水气化极限值（-10m） 时，水开始气化，气体聚集在膝部点，产生空腔，进而发生断流弥合水锤。在工程中，为减少管道系统的空腔，一般在管道系统的膝部点或平缓处每隔一段距离设置空气阀，目的在于及时排除管道内的气体，同时也快速吸气减少负压的形成。通过研究发现，在管道高点设置空气阀后，管道负压水锤会有明显的改善，此外空气阀对消减弥合水锤引起的正压水锤也有显著效果。在长距离重力输水管道系统中，合理的设置空气阀，并配合两阶段科学关阀，一般能将关阀水锤消减至满足水锤防护设计要求。

（4） 超压泄压阀

超压泄压阀也叫持压泄压阀，泄压保护装置的工作主要依靠对泄压阀滑塞内腔的压力控制，正常输送流体时，滑塞在内腔设定的压力下紧紧的与主阀座贴合，使泄压阀处于正常关闭的状态；当管线发生水锤时，管道内流体压力骤然上升，超过其滑塞内腔所设定的安全控制压力时，在压差的作用下泄压阀打开，开始泄压并报警；当管线压力恢复正常工作压力时，滑塞与阀座紧紧贴合，泄压阀恢复关闭状态，停止泄放，管线恢复正常输送。

超压泄压阀对管线正压水锤和负压水锤消减效果十分明显，且超压泄压阀直径越大，水锤消减效果越好，但泄压阀直径越大，泄流量也越大，水资源浪费越严重，根据《城镇供水长距离输水（渠） 工程技术规程》 CECS 193-2005 第

5.3.2 条：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。

在实际长距离重力输水管道工程中，超压泄压阀应用较少，这是因为超压泄压阀在水锤防护中对泄压阀的灵敏度有较高要求，发生水锤时，若泄压阀泄压动作滞后，则对断流弥合水锤几乎没有消减作用。

（5） 调压水池

在长距离输水管道系统中，系统最大静压一般较高，有的甚至达到几百米，若不采取合理的水锤防护措施，当发生正压水锤时，管道承受的瞬时压力可能达到最大静压的几倍，大大增加管道爆管的风险。调压水池，也叫稳压水池，最直接的作用是消减管道系统静压，此外在管道系统中适当的位置设置调压水池，可以将长距离输水管道划分为相对独立的极端较短的输水管道，从而增加了管道运行的安全性。但是不是所有的长距离重力输水管道系统中都能设置调压水池，它具有一定的局限性，设置调压水池的场地标高低于且接近正常工作水头线，此外建设调压水池成本较高，所以设置调压水池应经过技术经济比较后再确定是否设置。

5 长距离重力输水管道系统关阀水锤消减措施总结

通过上述分析其消减措施技术特点，并结合工程实际运行情况，可按以下几点思路进行关阀水锤防护设计：

（1） 首先考虑延长关阀时间，若在工程所能接受的最长关阀时间下仍不能满足水锤防滑要求，可采取两阶段关阀。通过水锤数值模拟得出最优的关阀方案，即确定最佳关阀时间和最佳关阀方式。

（2） 按最优的关阀方式进行关阀，无论水锤消减效果是否符合防护要求，均按相关规范要求，在管线沿线的局部高点、膝部点及平缓处每隔一段距离设置空气阀。一方面可以进一步消除管线负压及断流弥合水锤隐患，另一方面减少人为或其它因素导致的末端阀门不正常关闭所带来的水锤危害。

（3） 一般情况下，在采用最优关阀方案+空气阀联合防护措施后，基本能满足水锤防护要求，若仍不能满足要求，可考虑在管道系统适当位置设置超压泄压阀、调压水池等其它水锤消减设备。长距离重力输水管道系统水锤防护设计应在保证满足水锤防护要求的前提下，综合考虑工程造价及系统维护等方面，并经技术经济比较后确定。

6 结语

通过对长距离重力输水管道系统中关阀水锤特点分析，并结合实际工程运行经验，在满足水锤防护设计要求的前提下，总结出长距离输水管道系统中关阀水锤常见而又有效的消减措施。