浅析水锤对输水工程的影响及研究进展

浅析水锤对输水工程的影响及研究进展
管道中产生水锤的原因有很多，如输水系统中的阀门快速启闭、发生事故断电停泵、管道排气不畅、阀门质量等原因。

为了确保输水系统的运行安全，选择安全可靠、经济有效、合理的水锤防护措施就显得尤为重要。

标签：水锤；管道；压力；输水工程
0 引言
在输水工程中，由于压力管路中的流速突然发生变化，从而造成管路中的液体压力显著、反复、迅速地变化（水流压力急剧上升或降低），对管道中有一种“锤击”的特征，这种现象称为水锤（或叫水击或水力过渡过程）。

水锤有正水锤和负水锤之分，管道中的压力升高时，由水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍。

这种大幅度压强波动，可导致管道系统产生强烈振动或噪声，并可能破坏阀门接头，对管道系统有很大的破坏作用，此称为正水锤；管道中的压力降低时，如压力降的过低会使管中产生不利的真空，在外界压力的作用下，会将管道挤扁，此称为负水锤。

1 水锤的危害--造成的工程事故案例
管道中产生水锤的原因有很多，如输水系统中的阀门快速启闭、发生事故断电停泵、管道排气不畅、阀门质量等原因。

水锤现象持续的时间很短暂，但往往却会造成严重的工程事故，给输水工程的正常运行和人民的生命财产安全带来严重的影响。

以下这些工程事故都是由于工作人员操作失误或事故断电停泵或阀门质量等原因，造成管路中产生复杂水锤，导致的水锤事故。

①2009年8月6日，中国铝业贵州分公司水电厂因新增井内2#蝶阀关闭密封不严而漏水，施工完成后，逐渐恢复系统运行，但在操作过程中，阀门突然一声闷响，整条管道随地形敷设位置最低点处爆裂，造成爆管。

抢修时长达36小时，影响居民用水30多小时，直接经济损失约10万元；②2010年8月23日早上9点左右，位于美国阿拉巴马州的米勒德冷藏服务公司正在对装有冷冻家禽肉的两艘国际船舶进行装在作业。

此前，米勒德公司发生电力故障持续37小时，在制冷系统重启过程中发生严重的水击事件，造成制冷管线系统发生灾难性失效，约14.6t的无水氨泄漏。

大约同一时间，水击形成的高压还造成了系统内部气流冷冻器的蒸发器盘管破裂，蒸发器盘管失效泄漏造成约3269t的冷冻家禽肉和包装材料受到污染。

氨泄漏事故造成1名米勒德公司员工由于吸入氨气短时间失去意识，位于泄漏地点下风向的9名船舶机组人员和143名在“深水地平线”溢油事故清理场地作业的户外人员遭受不同程度的氨气暴露。

其中，32人需要住院治疗，4人情况严重进入重症监护室；③2013年3月17日晚10时左右，西安市桃园南路附近发生一起热力管道爆炸事件，爆炸没有造成人员伤亡。

“爆炸”的是一根从桃园路到丰庆路的供热气管道，该管道将热气从热力公司供到居民小区的二级站，再用热气把水加热供居民家中使用。

调查结果显示，导致管道“爆炸”的原因是，由于开春以后，
用户家中用热水量减少，导致供气管道内用气量突然减少，进而管道内出现凝结水，凝结水对管道的冲击力非常大，累积到一定程度会形成水锤，从而导致管道由内到外损坏。

管道损坏后，热力公司第一时间关闭了附近的阀门，影响到附近10个小区居民用热水，影响居民用水10小时多。

2 近年来国内外研究
1858年，意大利工程师Menabrea提出了，在进行水锤计算时，水的压缩性和管道的弹性应考虑在内，Menabrea测试了控制水锤的空气室和安全阀的使用；Michaud通过研究解释了空气室的使用和如何控制水锤的安全阀；1898年，俄国空气动力学家Joukowsky发表了著名论文“管道中的水锤”；意大利工程师Allievi 后于儒科夫斯基，在1902年从第一原则中发现了水锤的一般的理论；1933年，ASCE和ASME联合发起在芝加哥召开了一次水锤专题讨论会，1937年，ASME 在年会上召开水锤的讨论会。

我国在水锤方面的研究起步较晚，1962年，过祖源等人发表《给水输水干管中水锤压力的实验研究》；栾鸿儒在国际学术会议上发表了《大型离心泵站水锤特征线解法与应用》；刘竹溪主要结合实际工程分析研究泵系统水锤模型的相似理论；蒋劲对阀防护水锤方面做了大量研究；姚青云解决了我国许多大型水泵站建设中出现的水锤计算问题，如宁夏扶贫扬黄工程红寺堡一、二泵站，固海扩灌一泵站、固海扬水田营泵站、红墩子扬水泵站等大型泵站水锤分析计算任务；杨开林、刘梅清、金锥、索丽生等人对大型泵站、水电站的水锤分析均做了大量研究，并发表了多篇有代表性的论文；朱满林等人首次提出了空气阀组防护压力管道水锤的概念；王守仁、龙期泰等人对水锤消除器做了大量研究；吴建华等人对缓闭式蝶阀的水锤防护效果进行了一定研究；杨丽明等人探讨了缓闭正回阀防护效果及适用范围。

3 常用的减轻或消除水锤的防护措施
为了减轻或消除水锤现象的发生，将水锤危害程度降到最低，除过在实际中要求运行管理者务必使输水系统保持正常工况外，更要求在设计阶段采取安全、合理的水锤防护措施防患于未然。

根据当前水锤防护的技术水平和通用防护措施，从水锤防护设备的可靠性、管理方便、制造工艺水平、自动化程度等角度综合考虑后，实际中常采用的水锤防护措施主要有以下几种，根据输水管道的距离长短可单独设计使用或组合设计使用以达到最优效果：
3.1 安装水锤消除器
水锤消除器在国内是应用比较多的水锤防护措施，主要是为了防止停泵时产生的水锤，通常安装在水泵出口管道附近，当事故发生停泵后，管道中压力变化到水锤消除器的开启压力时，消除器开启，管道中水流由泄水管排入与大气连通的水槽或水池，从而起到降压泄流、控制管路压力的作用。

3.2 安装缓闭止回阀
缓闭止回阀是止回阀的一种，它是通过缓闭作用来进行水锤防护的，解决了普通止回阀快速关闭易产生水锤的问题，具有缓慢打开和缓慢关闭及消除水锤的技术特性，實现了轻载启泵并防止停泵时水锤的产生。

当水泵启动时，阀门进口端压力促使阀瓣克服弹簧力迅速开启，同时，主阀进口端的介质经过针形阀和止回阀进入隔膜上腔。

调节针形阀的开度，使进入隔膜上腔的介质作用在隔膜压板上，对阀瓣产生反力，保证阀瓣缓慢开启。

调节主阀进口端针形阀的开度，控制阀门的开启速度，保证主阀的开启时间大于水泵电机的启动时间，实现轻载启泵，防止电机启动电流过大。

当水泵关闭时，阀门进口端压力突然减小，阀瓣在出口端压力作用下，将会突然关闭，使得阀门出口端压力突然骤升。

此时容易产生水锤现象，造成阀后管路和设备损坏，并产生很大噪声。

由于在阀门出口端安装了回流系统，阀后介质通过球阀进入隔膜上腔，由于止回阀的止回作用，介质不能进入进口端，同时，隔膜下腔内也充满了介质。

虽然上腔的介质压力促使阀瓣关闭，但是下腔内的介质在隔膜座上小孔的节流作用下不能迅速排出，产生一个缓冲过程，阻止了阀瓣关闭速度，达到了缓闭、静音的效果，防止了水锤现象。

通过调节球阀的开度，可以有效控制阀瓣的关闭速度（即阀门的关闭时间）。

3.3 设置调压塔
調压塔分为单向调压塔和双向调压塔。

单向调压塔由水箱、带有普通止回阀的向主干管注水的注水管以及向调压塔充水的满水管组成，系统正常工作时，管道中的正常水头高于单向调压塔内的水位，输水管道与单向调压塔之间被逆止阀隔离开来，停泵后，当管道中的压力低于单向调压塔内的水位时，逆止阀被打开，单向调压塔中的水体通过注水管向主管道中补水，防止主管道中因压力降低而出现水柱分离的现象。

双向调压塔是一种兼有注水和泄水缓冲的水锤防护设备，管道中压力降低时，调压塔向管道补水，管道中压力升高时，高压水泄入调压塔，双向调压塔结构简单，安全可行性高，但一方面造价较高，另一方面受制于地形、压力、水质及防冻等因素影响较多。

3.4 安装空气阀组
在较长的输水管路中，为了防止水锤现象的出现，可采取在管道上装设空气阀组，以管控压力突然升高或降低。

所谓空气阀组，是指安装一个过流面积大和一个过流面积小的两个空气阀，当管道中的压力小于外界大气压时，进气任务主要由过流面积大的空气阀负担，以阻止管道内压力的降低；当管道中的压力大于外界大气压时，排气任务主要由过流面积小的空气阀负担，以阻止管道内压力的升高。

与消除器、止回阀、调压塔相比较，空气阀具有结构简单、性价比高、安装便利等优点。

但经过实验及实践证明，由于空气阀进排气过程是一个复杂的动态过程，且目前市场空气阀的型式多样，不同型式的空气阀其进排气系数等设计参数差别明显，空气阀进排气性能也差异较多，这将直接影响到空气阀组的水锤防护效果。

4 结语
由此可见，输水工程对工程安全性要求很高，对输水工程中水锤防护问题的研究对实际工程具有重大意义。

为了确保输水系统的运行安全，选择安全可靠、经济有效、合理的水锤防护措施就显得尤为重要。

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王玲（1971- ），女，汉族，山东招远人，甘肃天业节水有限公司，助理工程师，大专，研究方向：工业工程。