管道的水击现象及其防护

管道的水击现象及其防护
摘要：水击是指压力瞬变过程，是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。

本文介绍了水击现象的定义、理论、形式和形成原因。

概述了水击现象的危害并论述了管道水击的防护措施。

关键词：管道水击现象危害防护措施
1 水击现象
在日常生活中,我们碰到的水流不稳定现象很多。

当我们快速关闭水龙头或关闭闸阀和水轮机导水叶时,在关闭过程中,随着阀门开度的减少,管道中的流速也逐渐减小,由于水流的动量快速变化,在闸阀的上游部分将产生压力升高;而在下游部分(如在尾水管中)产生压力降低。

当开启阀门或水轮机导水叶时,管道中的流速逐渐增大,在导叶上游部分产生压力降低,而在其下游部分(如在尾水管中)产生压力升高。

特别是在水电站或水泵站的有压引水系统中,通常用导叶或阀门调节流量,以达到适应水电站出力变化或水泵站供水量变化的生产要求。

这种调节往往是快速的,因此必然引起有压引水管道中的流速发生急剧变化,伴随着将产生管道中液体内部压强迅速交替升降的水力现象。

这种交替升降的压强作用在管道、阀门或其他管道元器件上好像锤击一样,故称这种有压非恒定流为水击现象,简称水击。

交替升降的压强称为水击压强[1]。

1.1水击现象的定义
水击是指压力瞬变过程，是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。

当由于某种原因引起管路中流速突然变化时，例如开关阀门过快、突然断电停泵，都会引起管内压力突然变化，造成水击。

当急剧变化的压力波波前通过管路时，产生一种声音，犹如用锤子敲击管路时发出的噪音，故水击亦称水锤[2]。

1.2水击理论
1.2.1弹性水击理论
考虑液体的压缩性和管材的弹性,在管道各个截面上液体的流速是位置与时间的函数,V=f(x,t)。

弹性水击理论适用于长距离和液体流速较大的管道,实践证明,这个理论与实际情况相符。

1.2.2刚性水击理论
忽略液体的压缩性与管材的弹性,把管道内的液体视为一条整体的“刚性水柱”,在管道各个截面上的液体流速只是时间的函数,而与位置无关,V一f(t)。

刚性水击理论仅适用于液体流速变化相当缓慢或长度很短的管道,当管道直径相同时,液体在管道任何截面与时间的流速都相同[3]。

1.3水击现象的形式
在有压管道系统中,常见的水击现象一般分为:
直接水击:当阀门的关闭时间小于或等于一个相长时,也就是水击波从阀门处向水箱方向传播再以常压恢复波形式返回到阀门之前,阀门就已关闭,这种水
击称直接水击。

间接水击:当阀门的关闭时间大于一个相长时,也就是水击波从阀门处向水箱方向传播再以常压恢复波形式返回到阀门之前,阀门尚未完全关闭,这种水击称为间接水击。

正水击:当管道阀门迅速关闭时,管道中流速快速减小,压强会显著增大,这种水击称为正水击。

负水击:当管道阀门迅速开启时,管道中流速快速增大,压强会显著减小,这种水击称为负水击[4]。

1.4水击现象的形成原因
管道发生水击现象,既有外因也有内因。

外因是管道发生水击的条件,内因是管道发生水击的根据,外因通过内因而起作用。

1.4.1水击现象的内因
由于水和管道都不是刚体,而是弹性体,因此在很的水击压强的作用下产生两种形变,即水的压缩及管壁的膨胀。

而管道中水流速度又不是同时变化,形成一种弹性波(又称水击波)进行传递。

从上述的分析不难看出,引起管道水流速度突然变化是水击发生的条件,水流具有惯性和压缩性是发生水击的内在原因[4]。

1.4.2水击现象的外因
瞬时关闭阀门或突然断电停泵,是管道发生水击的主要原因。

当管道中流动的液体因以上原因受到外力作用时,流动速度发生变化,引发水击。

外力与惯性力是水击的外在原因。

当瞬时关闭阀门(或突然停泵)时,流体与阀门(或泵)相互作用。

阀门(泵或停止流动的液体)以外力作用于流体,流体则以惯性力作用于阀门(泵或停止流动的液体)。

外力与惯性力是一对作用力与反作用力,大小相等、方向相反作用在同一条直线上。

2水击现象的危害
如果管道内的水击强度较弱时,就会出现噪音,是因为管道内和其他设备的轻微碰撞;水击严重时因流体在管道内产生瞬变压力的同步和叠加,以致造成管道破裂发生泄露现象;也会导致管件、阀门以及泵机组设备的破坏,从而影响输送过程的安全和稳定,甚至会伤及人体,由此可见水击的破坏性直接影响到石油的正常输送。

假如水击现象连续产生,就会使得管道和管道内的设备一直处于不稳定的环境下工作,虽然泄压系统会在一定程度上确保管道系统的稳定性,但是由于管道系统内的压力一直是不断地发生变化中,油田的化工流体具有腐蚀性也会给设备带来损伤,致使管道和设备一直处于疲劳运行的状态下更容易遭受破坏[5]。

下面是一些管道水击破坏现象。

2.1长距离输油管道水击
“大庆—秦皇岛”输油管道是由两条平行的720×8的管线组成,全长974km,沿线各站均有两个泵房。

密闭输油具有突出特点,它的应用已成为管道输送工艺的一个发展方向。

采用密闭输油工艺就存在着水击事故预测和保护的问题,由于对这一问题认识不够,改进后的密闭输油管线曾发生过严重水击事故,造成原油大量泄漏。

不仅影响到油厂的正常生产,而且对泄漏地的生态环境造成了极其严
重的破坏。

2.2 热水、蒸汽管道水击
哈尔滨市某工厂4台SHL10-113-A型蒸汽锅炉在并联运行期间突然发生水击,巨大的冲击力将连接4台锅的蒸汽主管道(管径273mm)一端的平封头冲掉。

调查表明3号锅炉有严重满水现象,致使水从主汽阀溢出流至连接4台锅炉的主蒸汽管道,与另3台锅炉输出的蒸汽相遇发生水击。

实践证明:供热系统因水击而产生的增压波和减压波交替作用所造成的危害是十分严重的。

管道系统剧烈振动会使保温层脱落,或产生噪音以及从补给水箱或高位膨胀管中大量冒水。

特别是高温热水、蒸汽为热媒的供热系统在停泵时所产生的水击现象比低温水、蒸汽系统更具有破坏性。

因此,对热水、蒸汽供热系统水击问题应予以足够的重视。

2.3日本核电厂水击问题
2004年11月7日,日本静冈县中部电力(公司)滨冈核电厂发生管线破裂事故,在一号发电机组紧急反应堆冷却系统中的“L”形管线内发现一些积水,这些积水和水蒸气相遇时急速膨胀并产生强烈冲击波,从而造成“水击现象”使管线破裂。

当场造成4人死亡,7人受伤。

3管道水击的防护措施
由于水击可能对管道或设备等造成很大破坏，因此有必要根据具体情况采取相应的措施来消除水击或减少水水击压力。

3.1增设防止水击的设备
(1)安装水击消除器。

当管路中压力升高时弹簧受到压缩,于是打开了水的通路,水被排出而泄压,因此降低了水击压力；
(2)在水泵出口处增设泄压阀,采用被动的泄压方法让水击产生的压力增值释放掉,从而达到保护管道及水泵的目的；
(3)在循环泵前、后的管路之间安装止回阀的旁通管,可防止由于突然停泵引发的水击；
(4)可适当增设缓闭单向阀,延长阀全部关闭所需的时间；
(5)在较长管道中设置调压室,缩短管道长度,减小相长,可以缓和水击；
(6)在管系上按规定安装排气阀,避免管道产生集气；
(7)适当加大管径,限制管中流速可减小水锤强度。

3.2建立安全操作规程
通过完善的管理制度和严格的执行操作规程,对管道和设计加以合理优化设计,并在运行过程中及时有效的进行保护和维修,把水击影响掌握在可控范围之内。

(1)合理延长管路阀门关闭时间,缓慢操作,禁止突然关闭阀门；
(2)水泵启动、停车前完全关闭出水阀门；
(3)加强巡视,确保管道及设备工况良好；
(4)完善管理制度和严格执行操作规程、及时维修排除管系运行故障[6]。

如果能做好以上防护措施，就可以最大限度地避免水击现象的发生。

参考文献
[1]王树人等.水击理论与水击计算[M].背景：清华大学出版社，1980
[2]袁恩熙.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，2010:174
[3]赵竟奇.管道产生水击的原因分析[J].油气储运，1999，18(5):35
[4]王文婷，路宏. 浅析压力管道中水击现象的危害及预防[J].内蒙古石油化工，2013，（8）：
93
[5]黄小军.压力管道系统的水击危害及其防治研究[J].中国石油和化工标准与质量，2012，
（8）：109
[6]陈贵清等.压力管道水击危害及其防治[J].河北理工学院学报，2005，27(1):129～131。