水击在压力管道工程设计中的防控认识实践

李笑亚

（洛阳智达石化工程有限公司，河南洛阳 471000）

水击现象是在管道技术组件内部液体流速突然变化条件下发生的现象，管道技术组件内部的液体，在流动速度变化条件下，会诱导产生从变化起始点位置逐渐向上游方向，以及下游方向传播的水击波。在水击波沿着管道技术组件的空间分布方向传递过程中，通常会诱导管道技术组件的内部压力参数发生增大变化，或者是缩小变化，而此种压力变化现象，通常被称作水击压力、水锤压力，或者是涌压。水击现象的发生，对水电站工程或者是泵站工程项目中涉及的管道技术组件设计环节具备深远影响，是开展管道技术组件水力计算分析工作过程中应当关注的重要内容。

1 管道技术组件水击压力参数的基本计算公式

管道组件系统的临界时段参数TC，有时也被称作相长参数，指的是瞬时水波在管道组件系统内传递到反射点位继而重新传递到起始点位过程中所经历的时间间隔，其计算公式见式（1）

式中，L表示瞬时水波在管道组件系统内部传递过程中，起始点位与反射点位之间的物理距离，m，a表示瞬时水波在管道组件内部传递过程中的速度，m/s。

从具体的描述语句角度展开阐释分析，“临界时段”相较“相长”，能更加充分地反映和揭示出流速变化时间参数对水击压力强度参数所造成的影响。在流速变化时间参数≤TC参数条件下，通常会诱导特定水击事件发生过程中展示出最大压力变化，在TC之内发生的流速变化诱导发生的水击技术现象发展过程如图1所示。

图1 阀门技术组件关闭时间参数≤TC条件下的水击现象发展过程图

图1中，V0表示管道技术组件内部承载的水流的初始流速，H0表示在忽略水头损失前提下，在流速尚未发生明显改变之前的稳定流水头。在流速变化幅度大于TC条件下，实际引致发生的压力波现象，会因为大量水分子之间发生的相互摩擦作用，而具体与处在低压返回水击波的尾流相互重叠而展示出一定程度的消减变化。

对于具体化的管道技术组件而言，其在临界时段范围之内会发生流速变化现象，而因流速变化而引致的压力参数强度升高（也就是因水击作用而引致发生的压力参数升高HS），通常可以借由式（2）加以计算获取.

式中，Vf表示在时刻t=TC条件下的流速参数，m/s，如果水流在小于TC的时间区间之内完全停止，比如水电站工程丢弃完全负荷条件下，Vf的实际设定值等于0，而g则表示重力常量，为9.8m/s2。

在管道线路技术组件的具体使用过程中，其可能遭遇的最大水击压力参数，指的是管道组件技术系统中承载的各类液体所能实现的最大流速，以及与管道技术组件的制作材料具备相关性的波速测算函数。

最大水击压力参数发生过程中涉及的技术情形如下：管道技术组件内部承载的水流以最大速度流动条件下，发生阀门技术组件迅速关闭现象、水泵设备停机现象，或者是其他能够在临界时段TC内使水流发生截停现象的情况。

在管道线路技术组件内部，水击波速度参数a，通常需要依赖管道技术组件制作材料的类型特征、管道技术组件内壁结构部分的厚度参数、管道技术组件的直径参数，以及管道技术组件实际传输的液体物质类型等因素共同决定，其具体计算公式见式（3）

式中，Ew表示管道技术组件内部承载的水所具备的体积弹性模量参数，kg/m2（在一般性温度参数和压力参数设定条件下，其实际数值为2.11×108kg/m2）；γ表示管道技术组件中承载的水的容重参数，kg/m3（在一般性温度参数和压力参数设定条件下，其实际数值为1 020.00kg/m3）；r表示管道技术组件的半径参数，m；k表示抗力系数，且对于不同种类的管道技术组件而言，其设定的数值具备显著差异。

综合梳理分析式（1）～式（3），对于管道技术组件内部承载和传输的水而言，如果其在起始位置的流速较大，在终止位置的流速较小，且产生正压，说明阀门技术组件处在关闭状态；而如果其在起始位置的流速较小，在终止位置的流速较大，且产生负压，说明阀门技术组件处在开启状态。基于现有的技术控制规程，水击压力参数取值的实际大小与波速a之间具备正比例关系；水击压力参数取值的实际大小与波速变化幅度的绝对值之间具备正比例关系，管道技术组件内部实际发生的水击波现象的速度参数，通常会伴随着管壁结构弹性变形发生幅度的增大而逐渐减小，在气泡分散处于承载液体的管道组件技术体系内部条件下，其实际波速会发生程度显著的降低变化。

2 管道组件技术系统设计工作开展过程中水击现象的防范控制思路

对水击现象展开的研究分析工作，应当在管道线路技术系统的设计阶段开展。在管道线路技术系统的整体布置工作环节结束之后，通常就能够直接且准确地确定。水击技术分析活动环节开展过程中，需要依赖管道技术组件长度参数，管道技术组件直径参数，管道技术组件内壁结构的厚度参数，管道技术组件生产制备过程中所运用的材料，管道技术组件运行过程中的输水能力参数，以及水泵设备实际具备的型式特征和尺寸特征。

对水击现象展开的研究分析工作，应当首先规范计算和绘制形成管道组件技术系统，在最终化的正常运行工况条件下的水力坡度线，也就是压迫线。

在管道组件技术系统内部，管线组件中任意一个技术点位实际承担的工作压力，事实上是该技术点位管线组件高程参数和压坡线高程参数之间的数学差值，而在上述计算处理环节结束之后，可以明确计算获取管道技术组件内部承载的水的最大流速。如果这里所述的最大流速因某种技术因素的作用而发生瞬间被截断现象，其通常会诱导水击现象发生，而如果在实际开展的管线技术系统设计工作过程中未能充分考虑到对水击现象的控制，或者是未能充分采取措施控制和降低气泡现象的形成过程，则通常可以将对应技术条件下发生的水击压力，具体划定为管线技术系统实际承受的最大水击压力。

利用上述环节中获取的最大水击压力参数，针对管线技术系统开展校核处理，能支持管线技术系统在发生水击现象过程中，获取到稳定且充足的安全余度支持条件，而在安全余度发生幅度不足条件下，应当针对管线技术系统开展适当程度的调整干预，或者是针对管线技术系统补充安装适当类型的补救技术装置，或者是控制技术装置，以确保能够顺利获取到优质且良好的工作效果。

3 结语

综合梳理现有研究成果可以知道，在现代压力管道工程项目设计工作的具体开展过程中，水击现象的发生对管道技术组件的使用性能具备深刻影响。在压力管道工程设计过程中选择适当措施对可能发生的水击现象展开预防控制，对于确保压力管道技术组件在具体使用过程中稳定发挥最佳技术功能，发挥着不容忽视的作用。