长距离输水管道出现水锤现象的原因及解决对策研究

王仁江

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110036）

0.引言

根据工程实际地形情况，一般情况下，长距离输水管线输水方式可选择重力流和泵送流两种。通常在工程条件允许的情况下优先选择重力流输水方式。但当管线上的阀门关闭操作不当或出现水锤造成爆管事故。泵送流输水方式是通过泵站加压的方式输水，此类管线运行涉及水泵加压，事故停泵时导致水锤波叠加引发重大爆管事故。因此，大口径重力流、泵送流混合的长距离输水管线更为复杂，一旦产生水锤现象引发爆管事故，将导致全线停运中断供水，且抢修工作困难，抢修周期长，会带来重大损失。为预防爆管事故的发生，需有针对性地做好防护措施，因此管道薄弱段分析研究至关重要。

文章以某大口径重力泵送流混合长距离输水做为供水企业应保证安全、优质、经济的水源服务于用水户。在城市化发展的过程中，城市人口数量激增，对城市供水系统施加不小的压力。在此过程中，爆管现象逐渐增多，无法满足城市居民对水资源的使用需求，也造成严重的水资源浪费问题。因此，当下有必要深入分析城市管道工程的水锤现象，掌握水锤现象出现的原因，在此基础上选择预防与控制方法。

1.水锤现象出现原因分析

水锤现象主要诱因为水流在管道内流速出现巨大变化所致，水流拥有可压缩性与惯性，如果水流在运动中流速出现较大变化，对水体总量形成影响，导致水体总量在短时间内急剧变化，变化部分产生的动能冲击输水管内壁，致使输水管路形状发生变化。水锤拥有较强的破坏力，就目前输水管材质对外力的承受能力，难以抵消水锤产生的力，破坏输水管结构，为工程埋下较大的隐患。对于长距离输水工程，需要考虑水锤现场，提前选择防御方法，消除水锤压力，保护输水管，其为输水工程稳定、安全运行的重要保障。经过统计长距离输水工程出现水锤现象的概率较大，施工单位有必要加强对水锤预防工作的重视程度，需要改变传统观念，基于工程数据进行安全设计，确保输水管工程安全、可靠运行。分析过往工程案例，发现泵站系统容易出现水锤问题，其主要由负压引起，对输水工程会形成较大的安全威胁。对于长距离输水工程，应该锁定容易出现水锤的部位，在重点部位防御的方式下，消除水锤威胁，为输水工程运行提供良好的条件[1]。

输水管内部有一定量的空气，空气会占用管道内一部分空间，在管道压力发生大幅度变化时，空气受到外部力作用快速膨胀，空气柱会推动水流动，由此出现气推水和水推气的情况，在此过程中会产生较大的冲击力，破坏管壁。为确保输水工程安全运行，必须选择科学的手段消除水锤隐患。施工单位可以在第一次试水时，关注管内是否存在气体，规范试水行为，将管内的空气排出去。充水必须在管内气体排尽后进行，施工单位需要加强此方面工作的控制力度[2]。

2.长距离输水管道防水锤技术选择的原则

有压重力输水的可利用水头长距离输水管道防水锤需要关注的对象，在设计环节需要关注水管起末端的水力高度差，确定输水设计流量。在设计阶段需要确定可利用水头与输水管管径间的关系，两者呈反比关系，前者大后者小，控制输水管管径值，也可以降低工程投资值。如果输水管流速较大，在输水工程运行阶段，水锤现象出现的概率较大。为防止管道出现水锤现象，破坏管道，需要加强对管道材料与管道水流的控制力度，确保水流可以稳定运行。面对地形条件复杂、管材强度大等情况，需要进行水锤计算，放缓输水流速，提高管道运行的安全性。在可利用水头过大时、起端水位变幅较大时、低于设计流量运行3 种情况，在水锤控制方面适合安装消能装置。对于第1和第3 种情况，一般将减压装置安装在输水管中下游处；对于第2 种情况，一般将减压装置安装在输水管中上游；前者在水锤控制方面，通过减压阀保护输水管，同时拥有减少漏失水量功能。重力给水系统应用在水锤控制方面，按照管道的承压能力、给水区总落差大小，作出是否需要分级减压的决定[3]。

结合收集得到的数据，管道承压能力与减压级数呈反比关系。使用重力流管路系统进行水锤控制，需要将重点集中在减压措施，重点研究开启末端阀门时，为规避管道某些部位产生水柱中断、降压波等情况，需要选择预防方法。为了消减关阀水锤，减压措施的应用尤为重要，可以使用缓闭蝶阀规避安全问题。

3.长距离输水管道水锤防护对策

3.1 沿线管纵向设计的水锤防护

输水管内水锤的存在将对管道造成较大的威胁，使用水泵打压输水的管道均存在水锤，长距离输水运输工程水锤现象较为明显，管道进行输水工作时，管内水体流速可能发生较大变化，水锤由此出现并对水管壁释放一定的能量，破坏水管壁的结构。输水管内水流速度变化难以解决，在管内会产生较大的压力变化，为了不影响管道正常输水，必须选择科学的方法进行防御，降低水锤现象出现时对输水管壁形成的冲击作用，不会对输水管壁结构造成较大的冲击。在输水管内气与水混合起来运行，气与水相互作用产生水锤，会对输水管内壁造成不小的冲击。因此，需要合理布置输水管道，纵向布置输水管道时，为了提高输水管运行的稳定性与安全性，常在各缓驼峰部位安置排气阀。在工程施工初期会研究输水管在不同工况下的运行情况，确定水流在不同工况下的状态，为排气阀安装奠定基础[4]。

输水管铺设环节，在水平段排气问题较为严重。在输水工程施工环节需要关注管线布置工作，每隔一段间距布置一个高点并完成排气阀的安装任务。基于以往工作数据，对于处在水平段的输水管而言，可以每隔600m ～1000m安置一个排气阀，由此可以控制水管内水体流速。研究水在输水管内的运行情况，水在管路中的状态难以评估判断，在水锤预防方面，需要重点关注排气阀，提高其在选择与安装方面的合理性。水管内水流状态比较复杂，不利于管路进行排气操作。在水管水流状态较为复杂的情况下，很难准确地敲定排气阀安装的位置与安设的数量。沿线管纵向设计必须考虑到影响水流速度的因素，为了加大输水管在水锤防控方面的能力，排气阀的设计非常关键，设计人员需要加强对此方面的关注度，引入信息技术，在动态模拟、数据分析等操作下，提高输水管运行的稳定性与安全性[5]。

3.2 分段减压消能

长距离输水管较长，每段水管承受的压力存在差别，在水锤预防方面，需要明确每段水管在水锤方面的防护需求，在此基础上选择分段减压的方式控制水锤。对长距离输水管进行水锤控制工作，必须明确工程每段管道的长度，按照一定长度将管道划分为多个部分，在每段截割的管道尾端安装消能设备与闸阀，调节减压设施，对各段管道进行有效的控制，保证每段管道承受的压差均在合理范围内，由此可以规避水锤现象，不会对管道造成过大的伤害。比如，对南方某城市长距离输水管道进行水锤预防的工作，在确定管道总长度后将其分为3 个区段，保证各段管道工作压力均在1MPa 以内，不会对管壁造成实质性的伤害，确保输水管可靠、安全的运行[6]。

3.3 停泵水锤防护

停泵时管路内水体流速在短时间内发生较大变化，产生的水锤拥有较大的破坏力，会破坏水管壁，对输水系统和水泵站造成较大的冲击，还可能引发安全事故。在停泵时需要做好水锤的防护工作，需要从多方面进行考量，立足实际情况，给出切实、可行的方法，降低停泵水锤、消除停泵水锤。减压阀应用在水锤防护中，可以消除水锤对水管壁的冲击力，但是也存在一定的缺陷，使用减压阀导致输水管完全放空，不利于下次充水启动，存在较大的危险性。恒压阀与减压阀应用到输水工程中的效果不同，让管道内水流保持持续流动状态，下次运行直接打开水阀即可，在操作方面不会出现阻碍。在输水工程中使用恒压阀也存在一定缺陷，在应用中容易出现管阀水锤的情况[7]。因此，使用恒压阀时，常使用关闭下游出口阀的方式，规避关阀水锤情况。

在输水工程中使用环比蝶阀防护的方法，在水锤预防方面可以获得不错的效果。延长阀门关闭的时间，在消减关阀水锤现象方面操作较为简单，可以减缓水体流速，控制水体流速不会在管内形成较大冲力，让管内压力一直处于平稳的状态，不会对输水管运行造成不良的影响。在阀门处理上需要从实际出发，使用双速阀门、对阀门最后开度提供一定缓冲、在阀门周边设置通管。在部分情况下，需要考虑安装液压气室或进气阀的方法，使用延长阀门关闭时间与开打时间的方法，对于大型阀门是一种简单的方法。长管道在水锤预防方面存在较大难度，为了消除水管内存在的水锤问题，需要基于长管道实际情况，进行针对性研究，基于水管水锤防护需求，依托多样化的研究手段，整理研究数据，在此基础上设计具备实用效果的阀类产品。

3.4 故障预防处理

管道堵脱管发生前，有其明显的迹象，那就是管道的压力比正常工作时压力大很多。所以，操作员必须非常留意管道上压力表的读数，当压力明显过高时，就必须立即停止泵送，来回巡查管路接头有无松动，如有松动必须马上紧固。并拆开管道，进行试泵送，观察压力下降到正常位置时，再继续泵送。在泵送过程中，堵管一般发生在管弯、上坡和管道末端等处。当故障发生时，用木锤连续敲击，使之松动，如果仍未解决，则应立即停止泵送作业，从管道末段开始分段拆管，逐一排查堵管，并进行清理或更换。清除堵塞后，拧紧接头方可重新泵送；脱管一般发生在弯管、上坡和管道开始等接头处。当发生脱管时，应立即停止泵送，紧固或重接脱管接头，并巡查管路一遍，对发生松脱的接头进行紧固。

4.结语

城市供水管网关系到民众日常生活，一旦出现爆管现象，将会对民众造成很多困扰，为了规避此情况出现，需要做好水锤预防与控制工作。输水管内部气与水相互作用并形成一定的冲力破坏输水管。为了解决该问题应该将关注点投放在管道气体排放方面。此外，管道内水流不稳定也会产生冲击力，破坏输水管。技术人员需要做好输水管内部气体排放与水流速度控制的工作，观察输水工程运行情况，明确水锤控制要求并给出科学的控制方法，按照方案落实控制任务，确保长距离输水工程稳定、安全的运行，为民众提供良好的供水服务。