什么叫作水击

１．什么叫作水击？２．水击时伴随什么样的现象？３．在收发油作业过程式中，有那些操作会引起水击？４．给生产和设备带来什么样的危害？５．防止和减少水击有哪些措施方法？２．1 水击及其危害水击是压力管道中一种重要的非恒定流。

当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强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，称为水击。

水击引发的压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的震动，引起管道严重变形甚至爆裂。

因此，在压力管道引水系统的设计中，必须进行水击压力计算，并研究防止和削弱水击作用的措施。

2 水击压力防护措施为确保管道安全运行，除在设计中慎重考虑外，更应加强管理，制定和遵守严格操作规程。

水击压力计算公式表明：影响水击压力的主要因素有阀门起闭时间、管道长度和管内流速，因此，可针对以上因素在管道工程设计和运行管理中采取以下措施来避免和减小水击危害。

（1）操作运行中应缓慢启闭闸门以延长闸门启闭时间，从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力。

（2）由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。

但有时管道中的流量是一定的，管径一般由动能经济计算确定，减小流速意味着加大管径。

用减小流速的办法降低水击压强，往往是不经济的，一般并不采用。

但在一定的条件下，例如适当的加大管径可以免设调压井时，采用这一措施可能是合理的。

（3）由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，以缩短管道计算长度并消减水击压力。

减压阀适用于引水管道较长和不担任调频任务的中小型水电站是比较经济的。

但由于减压阀在电站机组增加负荷时不起作用，不能改善电站运行的稳定性，电站在变动小负荷（机组额定出力15％以下）时减压阀不动作，因而恶化了机组的速动性，这种一般采用调压井减小水击压强。

３．水击压力计算公式水击压头H=a•△V/g= a•(V0－V)/g其中： V0－水击前的流速，米/秒V－水击后的流速，米/秒g－重力加速度，米/秒2a－水击波传播速度，米/秒，与管径、壁厚、管道材质、管道弹性模量、介质密度、介质的体积弹性系数、管道的固定情况有关可见，对输送某种介质的某条管道，水击压头的大小与水击时管道流速的变化量成正比（注意流速应有方向性，假设某方向为正，即反方向应为负）水击主要原因为疏水不利，还有在设计蒸汽管网的时候，考虑的输送能力问题。

一般水锤现象出现在管道疏水端附近及长输管线的末端。

管道疏水设计的考虑不足，比如疏水管径过小，疏水阀形式选择不利都有可能造成水锤。

管道末端由于输送能力不足，末端全是冷凝水了，很容易产生水锤。

水击基本方程的改进摘要本文首先指出了当前用于水击计算的数学模型中的连续性方程式在恒定流时不能成立的问题并通过进一步的理论推导得到了新的水击波速计算公式和新的连续性方程新的水击波速计算公式表明水击波速并非是一个常量它的大小随流体动能沿程变化率与压强势能沿程变化率之比的变化而变化同时也随管道断面相对变化量与压强相对变化量之比的变化而变化新的连续性方程改善了老方程存在的不合理现象本文还通过对水击现象的计算比较进一步说明了老方程的确存在不合理现象而新方程的计算结果是合理的最后分析指出了当前用于水击计算的连续性方程式在恒定流时不能成立的原因所在二、水击计算的基本公式1、水击压力由于液流速度的瞬时变化所引起的初始水击压力值(压力增值)可按下式计算（5-4-1）式中ΔP——-由于液流速度的瞬时变化所引起的初始水击压力，Pa；ρ——-液体的密度，kg/m3；a——水击波在该管道中的传播速度，m/s；v0——正常输油时液体流速，m/s；v--一突然改变后的液体流速，m/s。

如阀门突然全部关闭，液体的流速立即降为零，此时的初始水击压力值为(5-4-2)用公式(5-4-1)、(5-4-2)可得出流速突然减小或突然降为零时所引起的压力增值。

如起始流速突然增大，则可得出相应的压力降低值。

2、水击波的传播速度水击波的传播速度a可按下式计算(5-4-3)式中 a——压力波的传播速度，m/s；E-——管材弹性模量，Pa；D——管道内径，m；δ——管壁厚度，m；ρ——液体密度，kg/m3；k——液体的体积弹性系数，Pa；C1——管子的约束系数，取决于管子的约束条件：一端固定，另一端自由伸缩，C1=1-μ/2；管子无轴向位移(埋地管段)，C1=1-μ2；管子轴向可自由伸缩(如承插式接头连接)，C1=1；μ——管材的泊松系数。

表5-4-1 常用材料的弹性模量和泊松系数名称E×l09/Pa μ名称E×l09/Pa μ钢206.9 ≈0.30聚氯乙烯 2.76 ≈0.45铜110.3 ≈0.36石棉水泥≈23.4≈0.30铝72.4 ≈0.33混凝土30～107.8 0.08～0.18球墨铸铁165.5 ≈0.28橡胶≈0.07≈0.45表5-4-2 几种液体的体积弹性系数液体名称体积弹性系数，×105/Pa20℃30℃40℃50℃90℃水丙烷丁烷汽油煤油润滑油23900176035609160136001560013703020 2215010402510120507152130760013800 21750原油15℃密度0.8315℃密度0.90 7℃1530019200 21℃1350017350 38℃1225015600对于一般的钢质管道，压力波在油品中的传播速度大约为1000 m/s～1200m/s，在水中的传播速度大约为1200m/s～1400m/s。

几种常用材料的弹性模量和泊松系数列于表5-4-1。

液体的体积弹性系数随其组成、温度和压力而不同。

但在4.OMPa以下，弹性系数随压力的变化较小，随温度的变化较大。

表5-4-2列出了国外测定的几种液体的体积弹性系数。

由表5-4-2可见，随着温度的升高，液体的体积弹性系数减小。

温度升高，液体的密度也减小，意味着液体的可压缩性增大，压力波的传播速度减小。

三、水击波的传播过程现以等直径简单管道中的水击波传播过程为例，来说明阀门突然关闭时所引起的水击现象。

如图5-4-1所示，液体自具有固定液面的大水池，沿长为L，直径为d的等直径管道流向大气中，管道出口装有阀门。

当阀门开启一定大小的正常情况下，管道中的流速为v0。

如将阀门突然关闭，则阀门处的液体流速从v0突然减少到零。

但由于惯性作用，液体还企图以v0的速度流动，因而将有一惯性力作用于阀门。

根据作用力和反作用力的关系，阀门对液体也有一个大小相等方向相反的反作用力作用于液体并传递给管壁，从而使这层液体被压缩，密度增加，压力增高了ΔP，同时管壁也发生膨胀。

在分析水击现象时，尽管液体和管子的弹性都不大，即压缩性很小，但绝对不能忽视。

水击传播的一个循环可分为四个阶段：1、水击波传播的第一阶段——管中增压波从阀门向管道进口传播的阶段。

图5-4-1 阀门瞬时关闭后一个周期内管内压力的变化过程如图5-4-1(a)所示。

设阀门在t=0时突然全部关闭。

此时，紧靠阀门的一层液体在很短的时间内，首先停止流动，速度由v0降到零，产生水击增压ΔP，使该层液体受压缩，密度增加，而管壁发生膨胀。

此后，第二层液体相继停止流动，同时压力升高，液体受压缩，使密度增加，管壁膨胀。

这样，由于液体停止而形成的高低压区分界面，依次向上游传播。

传播的速度为a，实际上接近于液体中的音速。

当阀门关闭后t1=L/a时刻，压力波面传到了管道人口处。

这时全管内液体都已停止流动，液体处于被压缩状态，压强增高了ΔP，密度增加，管壁膨胀。

2、水击波传播的第二阶段——管中减压波向下游传播的阶段如图5-4-1(b)所示。

当t1=L/a时，压力波传到了管道人口，由于管道中的压力高于水池压力，所以紧靠水池的一层液体将以速度v0开始向水池流动，而使水击压力消失，压力恢复正常，液体密度和管壁也恢复原状。

从此刻开始，管中的液体高低压分界面又将以速度a自水池向阀门传播，直到t2=2L/a时刻，高低压分界面又传到了阀门处，这时全管道内液体压力和体积都已恢复原状，而且液体以-v0的流速向水池方向流动。

3、水击波传播的第三阶段——减压波向上游传播的阶段如图5-4-1(c)所示。

在t2=2L/a时，全管道恢复正常，但因液流的惯性作用，紧邻阀门的一层液体仍然企图以速度v0向水池方向流动，而后面又没有液体补充，使靠近阀门的微小流段内的液体发生膨胀，因而该段的压力下降ΔP，进而使液体加倍膨胀，管子处于收缩状态。

同样，第二层、第三层液体依次膨胀，形成的减压波面仍以速度a向水池方向传播。

当t3=3L/a 时刻，减压波面传到管子人口处，这时全管道内液流流速为零，压力降低了ΔP液体膨胀，管子收缩。

4、水击波传播的第四阶段——增压波向下游传播的阶段如图5-4-1(d)所示。

在t3=3L/a时，减压波面传到了管道人口处，由于管道中的压力比水池液面静压低ΔP，因而液体又以速度v0向管道中流动，使紧邻管道人口处的一层液体压力恢复正常，液体密度和管道也恢复正常。

这种情况又依次以速度a向阀门方向传播，直到t4=4L/a 时刻，减压波面传到了阀门外，这时液体以v0的流速向阀门方向流动。

图5-4-2 阀门上游侧压力随时间的变化在t4=4L/a时，全管内的压力正常，但仍有一个向下游的流速v0，呈现出开始关阀瞬间同样的状态。

这时，同样会由于液流的惯性作用而产生一个增压波ΔP，从此又开始了压力传播的第二个循环。

如果没有水流摩擦及因管壁和液体的变形所产生的能量损失，这种水击现象将会反复继续下去。

图5-4-3 长输管道的水击压力传播由以上分析可以看出，在水击发生和发展过程中，其流速和压强沿管道每一瞬间都在变化，而在阀门处的B点，压强最先增高和降低，并且时间最长，变化最激烈。

图5-4-2表示阀门B处的水击压力随时间周期变化图。

从图中可看出，从阀门开始关闭的时间起，在t<2L/a 的时间内，由上游反射回来的减压波，还没有到达阀门处，因此阀门在(0～2L/a)时间内，所受的压力比静压高。

而在t>2L/a时，由上游反射回来的减压波已经到达了阀门处，一直到t=4L/a为止，因此阀门在(2L/a～4L/a)内所受的压力比静压低，并且在t=4L/a这一瞬向，压强水头又增高了，回到了t=0的情况，以后即重复上述过程，呈周期性变化。

由于这些原因，阀门处的压力增减幅度为2ΔP，因此阀门处的水击最为严重。

但实际上，由于在传播过程中伴随有水力阻力和管壁变形，发生能量消耗，使水击压力逐渐减少，延续—段时间后，会逐渐消失。

摘自:黄春芳编著《原油管道输送技术》，中国石化出版社出版黄春芳主编《输油工》石油工业出版社出版四、管道充装与压力波的衰减1、管道充装由于稳态流动时摩阻损失引起的压力坡降的存在，在管道水力瞬变过程中，增压波前峰经过后，管道容积和管内压力继续增加的过程称为管道充装，如图5-4-3所示。