长距离压力输水管道水锤防护技术研究

董 茹，张伟东，闫 朝

(1.榆林学院 建筑工程学院，陕西 榆林 719000；2.中煤陕西榆林能源化工有限公司公用工程中心，陕西 榆林 719000；3.榆林市水利工程建设中心，陕西 榆林 719000)

随着我国用水量的加剧，大型长距离输水管道成为当前输水的主要形式。在此背景下，由长距离压力输水管道水锤而引发的安全事故也在不断频繁，水锤防护成为当前工程人员及国家重点关注问题，特别是其中断流弥合水锤这一防护问题，严重困扰着相关研究人员[1]。据目前情形来看，相关部门虽然在水锤防护问题方面已有所改善，但断流弥合水锤这一危害极为严重的防护工作却仍存在许多问题，如认识不到位、方式不合理等[2]，从而导致这种危害性极高的水锤问题严重威胁着用水安全及操作人员的生命安全。为此，本文围绕当前长距离压力输水管道水锤防护现状，对该防护问题的有效对策进行研究。

1 水锤概述

(1)水锤的定义。水锤是一种出现于水或其他液体在输送过程中，由流体速度发生剧变产生的压力而造成的水力撞击现象，因此也被称作为水击[3]。从实质上来讲，水锤现象其实就是两种不同运动状态在形成对立统一时，“水”这一液体充分发挥了其可压缩性及惯性两大显著特征，使水力在运动状态中迅速达到最大，从而产生破坏作用。

(2)水锤的危害。水锤发生时虽然持续时间通常较短，但其造成的危害却无法估计，特别是在水锤发生伴有水柱分离时，带来的破坏力更加严重。若在输水管路中出现水锤现象，将会使该管道内压强迅速升高，从而带来以下危害：①输水管道被高压所影响开始出现强烈，管道接口处由于无法承受高压而断开，从而使阀门遭到破坏。在此情况下，管道接口若是未断开，输水管最终将出现爆管事故。②水锤将会使正常的水泵出现反转，从而使泵房内的设备及管道遭到破坏，最终导致管道内水源淹没泵房。③输水管道在水流与气压的双重逼迫下，有可能会出现管道爆炸现象。此现象一旦发生，轻者影响人们生产及生活用户，重则造成操作人员的伤亡。由此看出，水锤带来的危害比想像中更为严重，当务之急还需加强对水锤防护对策的研究。

2 长距离压力输水管道存在的问题

(1)断流弥合水锤问题。在扬水泵站及是重力流输水工程的长距离压力输水管道中，最为严重的就是伴有水柱分离的水锤现象，也就是断流弥合水锤。在长距离压力输水管道中，气体通常以气囊的形式存在其中，当管道流量调节过快或突然停泵时，管道内压力骤降将会使液体与气囊发生剧烈震荡，从而引起较大的水柱撞击升压，造成断流弥合水锤[4]。根据相关统计显示，当前我国长距离压力输水管道中，由气囊引起的断流水锤升压最高可形成400 m水柱。同时，这种水锤现象升压十分迅速，能够在水锤形成的1 s内升至最高值。因此，断流弥合水锤的防护是当前长距离压力输水水锤防护工作重点研究问题。

(2)现有的解决对策。当前，长距离压力输水管道水锤防护在针对断流弥合水锤问题时，主要采用2种途径进行解决：①相关部门认为，若长距离压力输水管道具有较强的排气功能时，仅通过将管内气体全部排除在外，就能避免出现由气体与水流形成压力撞击的断流弥合水锤。在此错误认知的影响下，相关部门开始采用排气阀排气的方式来进行水锤防护。这种方式虽能够取得一定的减压作用，但若是发生突然停泵情况时，就需要利用单向调压塔来对排气阀的排气工作进行辅助，从而使水锤防护成本剧增。因此，排气阀并不是一种直接对水锤进行防护的方法，而是可用于特殊管道或者特殊点上进行水锤防护。②借助能够吸收水锤升压波的相关设备进行防护工作，如稳压吸压装置、气压罐等。这种方式具有一定的适用范围局限性，并不适合应用于断流弥合水锤防护工作中。

3 长距离压力输水管道水锤问题解决对策

根据以上分析可以看出，当前长距离压力输水管道水锤防护工作缺乏有效性。基于此，笔者认为应从以下几点进行防护。

3.1 构建水量控制模型，加强对水量的控制

要减少水锤的危害，首先是要加强对输水管道的水流量控制，进而通过对流量的控制，减小水柱压力。在断流弥合水锤计算模型方面，目前较为常用的计算模型有3种：①无断流弥合水锤的计算模型。这种计算模型在水力过渡的过程中，并不将水柱的中断问题纳入模型计算范围。②定点断流弥合水锤计算模型。这种计算模型在实际应用过程中，需预先指定出断流弥合所出现的位置。③断流弥合水锤计算模型[5]。该计算模型在对断流弥合水锤的断流边界进行处理时，不会受到水锤发生位置的限制。由此看出，在以上3种断流弥合水锤计算模型中，无断流弥合水锤的计算模型与定点断流弥合水锤计算模型都仅适合应用于无断流的情况。而当出现多处断流水锤时，断流弥合水锤计算模型更具有效的实用性。因此，本文将选用断流弥合水锤计算模型对断流弥合水锤问题进行计算。

首先根据弹性水锤理论，以2种方式进行表达：

(1)运动方程为：

(1)

(2)连续方程为：

(2)

式中，H为管道水头；V为管中的流速；f为管道摩阻系数；a为水锤波的传播速度；α为管路与水平面间夹角；D、g分别管径、重力加速度；x为水锤传播距离；t为水锤波传播时间。

其次采用特征线法求解水锤问题，具体的解决步骤分为3点：①将模型计算过程中无法进行直接求解的流动暂态偏微分方程式转换为特征线方程；②以对全微分方程组积分的形式计算有限差分方程；③以有限差分方程与管理系统的边界条件进行运算。根据以上3个步骤，得出管内流动暂态的特征线方程：

(3)

(4)

3.2 安装防护设备

在长距离压力输水管道适当位置安装恒速缓冲排气阀，作为断流弥合水锤现象的防护设备。在具体的安装过程中，应充分吸取相关工程实际安装案例的经验。首先，在对较为平坦的农业用长距离压力输水管道进行安装时，应将恒速缓冲排气阀之间的间距设定为0.5～1.0 km[6]。在对陡坡中的管道进行安装时，排气阀仅能设置在坡顶位置，并且需设置带有缓闭功能的排气阀。在实际设置过程中，若缺乏带缓闭装置的排气阀时，采用安装2台普通排气法的方式对此进行弥补。其次，排气阀的口径应设置为农业用长距离压力主输水管道直径的1/8～1/5。最后，应选用性能相对较好的排气阀，使其在水柱相间的环境下，还能保持持续排气状态。由于排气阀这一产品的特殊性，当前市面上达到合格条件的排气阀还相对较少，稍不注意就会购买到性能较差的非合格产品，从而给整个农业用长距离压力输水管道工程造成难以预计的后果。

对此，笔者认为可从3方面进行排气阀的选择：①求助具备丰富排气阀安装经验的设计院或个人，参照专业人士给出的意见，结合实际情况进行排气阀选择；②在有条件的情况下，聘请相关专家加入到防护项目中，对排气阀的安装及选择环节进行专题论证；③对排气阀进行安装前进行性能测试，根据测试结果觉得是否选用。

3.3 设计技术要求

3.3.1 排气阀设计要求

根据当前市面上较为常用的排气阀构造来看，若是微量排气孔直径在3 mm以上，该排气阀的排气性能将无法得到保障。同时，在此情况下，管道内的气囊相对较小，分布于管道顶部的各个部位中，需在管内聚集成为一个较大气囊时才能进行运动，而大气囊经过排气阀时时间极短，从而使该排气阀无法对大气囊产生太大的排气作用。由此看出，在面对大管径的管道排气时，微量排气阀将无法发挥作用。排气阀若在某些管道流态下无法做到迅速排气，不仅无法降低管内气压，反而还会使该管道存气增多，从而导致输水管道无法达到预计输送流量，情形严重还会造成管道爆破事故，威胁操作人员生命安全。因此，在对排气阀进行设计时，排气工作不受任何流态限制是该设备应具备的基本功能[7-8]。

3.3.2 设置缓冲开关

在长距离压力输水管道水锤防护的相关设计中，加入缓冲开关这一环节，将会在排气阀完成排气工作时，对其起到3个方面的作用：①利用缓冲开关可一定程度上降低水流对排气阀板的冲击，避免出现由水流强烈冲击而影响管道稳定运行的情况，延长管道的使用期限；②缓冲开关可缓解关闭阀门时造成的冲撞型噪声，符合当前产业发展应遵照的环保原则；③可降低排气阀由于关闭水锤而引起的升压[9-10]。

4 输水工程断流弥合水锤防护实例

4.1 工程基本概况

4.1.1 管线基本情况

输水管线具体设计规模及管线布置为：设计流量1.273 m3/s，管线全长50.6 km，采用DN1400的PCCP预应力钢筒混凝土管。该输水工程管道全线较长，达50 km，且管线起伏较大，输水管线采用DN1400的PCCP管，因此本输水工程 属于长距离、高扬程、多起伏、大管径输水工程。

4.1.2 加压泵站基本情况

某输水管线主要为泵站加压压力流输水管线，泵站加压输水管线全线仅设置一级加压，加压泵站水泵参数：站名为七家子泵站，型号为300-710A，台数为4台，电动机转动惯量为100 kg/m2，流量分别为900、1 573、2 000 m3/h，进/出水池水位分别为150.0、232.0 m，扬程分别为140、119、100 m，额定转速为1 480 r/min，效率分别为65%、83%、70%，轴功率(电机功率)为800 kW，比转速为97.7，1台备用。

4.1.3 管道纵断图及泵站稳态运行压力

加压泵站管道纵断图及稳态运行压力如图1所示。

图1 加压泵站管道纵断图及稳态运行压力

4.2 防护方案比选

(1)方案1：只在水泵出口处安装缓闭止回阀防护方案(图2)。

图2 缓闭止回阀防护时水锤压力线

管路不采取其他防护措施时，水泵出口缓闭止回阀快关角度为60°时，快关10、20 s，总关60、120 s不同快慢关阀时间组合下管路中水锤最大水头包络线和最小水头包络线压力的变化情况如图2所示。

缓闭止回阀快关60°时不同快慢关时间下的水锤升压线可以得出：在不采取其他防护措施，只在水泵出口处安装缓闭止回阀时，输水管线全线水柱中断，水柱再弥合时导致断流弥合水锤升压，水泵出口处升压最高达450 m左右，最大升压处达600 m，其余管线水锤升压也均在300 m以上，升压极高，管道安全运行存在极大隐患，在不同快慢关阀时间的组合下管线水锤升压曲线有所波动，但差别不大，且均不能降低水锤升压。

(2)方案2：缓闭止回阀+缓冲排气阀防护方案。水泵出口处安装缓闭止回阀，在0+850 m、1+690 m、2+530 m、3+370 m、5+240 m等桩号处安装51处缓冲排气阀。缓冲排气阀闭合流速为0.3、0.5 m/s，水泵出口处缓闭止回阀快关角度为60°，缓闭止回阀快关10、20 s，总关60、120 s不同组合情况下最大水头包络线和最小水头包络线管道水锤升压的变化情况如图3所示。

图3 缓闭止回阀+缓冲排气阀防护时水锤压力线

水泵出口处安装缓闭止回阀，安装5处缓冲排气阀缓冲闭合流速0.3、0.5 m/s缓闭止回阀不同快慢关时间及角度时水锤压力线中图可以得到如下结论：管道水锤升压较方案1有所降低，当缓闭止回阀总关时间为120 s时，水泵出口至桩号8+000 m之间管道压力降至安全承压范围(接近稳态运行压力)，但其余管道仍水柱中断并发生断流弥合水锤升压，水锤升压在400～500 m。

(3)方案3：缓闭止回阀+缓冲排气阀+箱式双向调压塔防护方案。水泵出口处安装缓闭止回阀，在水泵出口处、桩号8+300 m、41+500 m处安装箱式双向调压塔，管路原桩号处安装缓冲排气阀，缓冲排气阀闭合流速为0.3、0.5 m/s水泵出口处缓闭止回阀快关角度为60°，缓闭止回阀快关10、20 s，总关60、120 s不同组合情况下最大水头包络线和最小水头包络线管道水锤升压的变化情况如图4所示。

水泵出口处安装缓闭止回阀，在水泵出口处、桩号8+300 m、41+500 m处安装箱式双向调压塔，安装缓冲排气阀，以上为缓冲闭合流速为0.3、0.5m/s，缓闭止回阀快关10、20 s，快关角度60°，总关时间60、120 s的情况下，管道中的水锤最大和最低包络线。通过图4可以看出：①不同缓冲闭合流速下及缓闭止回阀关阀时间及角度下，所有管段的水锤升压降低至安全承压范围之内；②缓冲排气阀不同的缓冲闭合流速以及水泵出口处缓闭止回阀不同的快慢关时间和角度，对于管道中的水锤升压影响不大，管道压力都符合安全承压要求，管道中压力很稳定；③方案3采用水泵出口处安装缓闭止回阀，在水泵出口处、桩号8+300 m、41+500 m处安装箱式双向调压塔，安装51处缓冲排气阀，采取这些措施，管道中压力均降至安全承压范围之内，有效地对突然停泵时的管道水锤升压进行防护，使管道运行安全稳定。因此，建议选用方案3为水锤防护最佳方案，选用该方案中的水锤防护措施进行管道水锤防护。

图4 缓闭止回阀+缓冲排气阀+箱式双向调压塔防护时水锤压力线

5 结语

本文提出选择计算模型、安装防护设备以及设计技术要求，可作为长距离压力输水管道断流弥合水锤防护对策。通过工程实例，应用缓闭止回阀+缓冲排气阀+箱式双向调压塔的防护方案，可将输水管线的断流弥合水锤升压降至管道承压范围之内，确保了管线的安全运行。笔者认为，以此方式能够填补当前相关部门在断流弥合水锤防护方面的空缺，对长距离压力输水管水锤防护工作具有实际意义，可为长距离压力输水管道的安全性带来保障。