水锤防护措施及计算分析

苑司乐

(郑州大学综合设计研究院有限公司，河南 郑州 450002)

1 概述

随着中国经济社会的发展和物质生活水平的提升，原有的农田灌溉设施已经无法满足当今节水型社会的需求。为响应国家节约型社会建设的要求，近些年各地根据自身实际进行了大量的农田灌溉设施的更新和改造，这其中管道输水则成为了农田灌溉输水设施中较为常见的一种方式。管道输水方式有着诸如快速送水、损漏较少、对环境适应较强、高效便捷等优点，但压力管道在突然断水的情况下会出现一种对管道危害较大的现象：水锤现象，也称作“水击”。水锤对有压输水管道的危害较大，当管道中产生水锤时，管道所要承受的压力会骤增，当压力突破管道所能承受的极限压力时，此时管道有可能会爆裂。文中就针对水锤在管道设计中的防护措施和采取水锤防护措施后的效果(基于Bentley HAMMER的计算分析)做简要的分析。

2 水锤及水锤预防的几类主要防护措施

2.1 水锤概述

当有压管中流速因某种外界原因而发生急剧变化时，将引起管道内部压强产生迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，故称为水锤。

在日常生活中水锤时常会遇到，比如：水龙头阀门快速开闭时会产生水锤，有时还会听到管道震动声。在电站输水管道中若不能很好处理水锤对管道的影响，输水管道会产生较大的震动，甚至管道爆裂。与水利工程联系比较紧密的则是压力管道输水工程中对水锤的计算分析，水利工程输水大多为长距离、大流量、大口径等特点，由于水锤对输水管道具有较大的危害性，严重时会破坏管道的正常运行，所以为了尽可能将水锤危害降至最低，在工程设计时应对其进行充分分析，并采取必要降低水锤危害的防护措施。

2.2 空气阀

空气阀又称排气阀或通气阀，空气阀在防止水锤危害中是比较常见的管件配置，通过调节管道中的气体压力来防止管道高处出现较大的负压，防止产生弥合水锤，从而降低水锤破坏强度的。当压力管道中出现水锤现象时，位于管道凸起处的高点往往会出现负压，导致管道中水流断裂形成真空，管道中真空度较高的情况下会使水体汽化从而演变成弥合水锤，由于弥合水锤所造成的破坏往往是巨大的，甚至爆管。当管道中出现水锤且产生负压时，需要尽可能控制负压强度，通过空气阀向管道中快速输送气体以减缓负压程度，从而可以大大降低弥合水锤的发生。

空气阀往往布置在管道高低起伏的凸点位置或者管道压力相较两端较小处，且需要放置于管道的上侧，阀体周边应有相应空旷的空间以利于空气的进出，不得有杂物包裹堵塞阀体。

2.3 缓闭式止回阀

在停泵的瞬间往往会产生水锤波，出现水锤效应。缓闭式止回阀则是利用自身构造，当介质突然中断后，阀体并不是瞬间关闭，而是分两阶段进行关闭，第一阶段快速关闭，此时阀体关闭大部分过流通道，第二阶段是缓慢关闭，此阶段关闭剩余小部分过流通道，使管道不至快速完全关闭。通过采用缓闭式止回阀可以在保证止回阀功能的前提下消减水锤产生的危害，对保护管道及管件都有较明显的作用。

2.4 调压塔

调压塔是位于地面以上对管道内介质压力进行调节的一种构筑物。其主要是为了防止由管道压力变小而导致的介质断裂分离现象，常设置在管道压力容易出现负压的部位。

在输水管道中，尤其长距离输水管道沿线地形起伏变化比较大，局部需要穿越障碍物等特定节点，当突然停泵时管线凸起部分易出现负压从而导致水柱分离，从而对管道及线路上的管件易造成严重的破坏，通过在“凸点”设置调压塔，当管道产生水锤且在“凸点”压力快速降低时，调压塔的水可以快速向管道内补水，避免水柱分离和巨大的水锤升压，降低水锤对管道的破坏作用。

2.5 空气罐

当前而言利用空气罐对水锤进行预防的工程实例较少，国内经验也较少。空气罐主要分为汽水自然分离式、隔膜式、气囊式三种。空气罐运行的主要原理是利用空气的弹性，既可吸收管道中的正压，又可向管道内补水来改善管线中的负压，从而可达到消减水锤的效果。空气罐往往布置在水泵出口，可结合泵房布置来解决其冬季防冻问题。

空气罐主要对保护泵房内的仪器设备进行水锤的保护，当水泵突然断电停泵时，输水管线中的水压力将会有急剧变化，当水体的压力波传输到泵房时，空气罐就利用罐体中的空间来缓冲管道中陡增的水压力，当管道中的水体由于惯性反向传播时，空气罐中的液体就会及时补充管道，避免出现真空，从而抑制了弥合水锤的产生。

3 基于Hammer的水锤预防措施应用分析

3.1 案例概况

工程为地下水补源项目中的一部分，通过本工程设置的泵站将河道的水输送至补源点，泵站设计流量为0.80 m3/s，设置三台水泵(两用一备)，单台水泵设计流量为0.40 m3/s，水泵额定功率为315 kW，水泵杨程为45.00 m。通过水泵将位于高程70.50 m处的水源输送至高程102.96 m处的补源点，输水管道采用DN800普通钢管。

工程通过采用Bentley HAMMER软件建立输水管线模型，对输水管道的稳态和瞬态进行分析模拟，通过对停泵水锤(瞬态)工况的分析，采取相应的水锤预防措施来缓解(或消除)管道的水锤。

3.2 稳态模型分析

工程采用Bentley HAMMER计算分析泵站在稳态运行情况下的管道输水状况，此时两台水泵同时开启并持续运行一段时间后，水泵及管道均在额定的工况下运行，此时管道内的水流流态属于恒定流，管道压力起点为45.00 m，管道末端自由水头为8.50 m，管道内的水压力从水泵后开始至管道末端逐渐减小，此时管道的最大压力包络线和管道的最小压力包络线是重合的，都均匀降低。由此可知，此时的管道承受的压力是与设计压力一致的，管道内的压力并没有波动，计算结果详见图1。

图1 稳态分析计算图

3.3 瞬态模型分析

在管道模型稳态的基础上，基于工程实例设置瞬间停泵情况下运行工况，两台水泵按照设计工况正常运行至某一时刻突然断电，两台水泵同时停泵，此时管道上并没有安装任何水锤预防设施，管道上安装的其余管件都按照设计工况正常运行。

通过Bentley HAMMER对停泵水锤的分析计算，详见图2，管道的最大压力包络线波动较大，且变化较为剧烈，不同管段的最大压力水头也差别较大，另外瞬态工况下管道的最大压力要比稳态工况下的最大压力高81.89 m，达到了126.89 m，相当于设计水压的2.82倍，此时对管道的抗压要求非常高，管道在运行过程中存在爆管风险。

图2 瞬态分析计算图

从最小压力包络线可以看出，管道沿线均存在一定的负压，部分管段产生了汽化的现场，使管道产生了弥合水锤，以至于产生了更大的水锤压力波动，增加了对管道的破坏力。

3.4 预加水锤防护措施

由于文中主要是针对农田水利等常规的输水管道为对象进行研究的，所以在此次的水锤防护措施案例分析中，选用较为常用、设备简单、安拆方便、易于后期管理的预防措施，从上文提到的几种水锤防护措施中选择空气阀做为此次案例分析的水锤防护措施进行分析计算。

图3 预加水锤防护措施分析计算图

工程实例根据输水线路的高程和空气阀的工作原理，在输水线路的凸点选择节点J-8、J-9、J-14、J-15这四处分别设置空气阀，空气阀标号依次为AV-8、AV-9、AV-14、AV-15。当管道中发生水锤后，为了能够快速的填充管道内的真空，防止液体汽化，同时当管道压力升高时又能使管道的气体缓慢的释放，工程采用空气阀的进气口直径为200 mm，出气口直径为15 mm。

管道设置水锤防护措施后，同样基于Bentley HAMMER软件对管道的瞬态进行分析模拟，通过瞬态分析计算成果图可知，管道增设空气阀之后，管道的最大压力包络线由剧烈浮动变成了平顺的坡线，且由加防护措施前的最大压力水头126.89 m减小至加防护措施后的最大压力水头62.11 m。另外管道的最小压力包络线均位于管道中心线以上，在瞬态工况下管道中基本消除了负压情况，避免了管道内因真空度过大而产生汽化。

从工程中可以看出，通过在管道的高点设置空气阀可以很好地控制水锤的危害，避免输水管道内压力的巨大变化，说明空气阀对抑制停泵水锤是有明显效果的。

3.5 其他防护措施

仅就空气阀对停泵水锤的有效防护作用进行了具体分析，对于其它形式的水锤防护措施，基于Bentley HAMMER模型分析结果表明它们对水锤防护均有较好的效果，限于篇幅不再赘述。

4 结语

水锤分析是压力输水管道设计中的重要工作，文中首先结合实际工程中几类典型的水锤防护措施进行分析，分析了各类水锤防护措施的特点以及使用情况。其次基于Bentley HAMMER模型对某一实际工程案例采取的水锤防护措施进行分析，结果表明在压力输水管道上设置适当的水锤防护措施可以起到抑制水锤破坏的明显效果。希望通过对水锤防护及工程案例的分析，对同行进行输水管线设计时起到一定的借鉴意义，同时也为进一步研究水锤提供参考。