长距离输水管线断流弥合水锤防护措施探讨

科技创
新
收稿日期：2019-06-18
作者简介：张彦航，男，汉族，河北天和咨询有限公司，工程师。

摘要
结合工程实例，分析长距离输水管线断流弥合水锤发生机理、防护措施，为类似工程设计、施工、管理提供借
鉴。

关键词
输水管线；断流弥合水锤；防护机理□张彦航
在长距离有压管道输水中，停泵水
锤危害巨大，可能造成管道破裂、设备损坏，甚至造成人员伤亡一直以来都是一个需要解决的难题。

当发生停泵水锤时，整个水系统压力骤降，大部分压力降至输水管线轴线以下，管道内产生负压，负压过大从而导致水体由液态向汽态转化，管道沿线多处发生水柱分离现象，形成“蒸汽空腔”或“空气腔”，极易发生断流空腔再弥合水锤，它是水泵供水系统中最具有危害的一种水锤撞击波动。

降压波造成的断流弥合水锤产生的破坏远高于升压波造成的水锤破坏，在生产实践中长输水管线出现的管道破裂，70%～80%与水柱分离有关。

由于断流弥合水锤发生机理与传统的关阀停泵水锤有所区别，且发生断流弥合的位置难以预料，传统的防停泵水锤技术措施和设备（停泵减压阀、缓闭止回阀、阀门控制技术）对其见效甚微，甚至无效。

为解决降压波产生的断流弥合水锤问题，当前采取的防护措施主要有单项调压塔、箱式双向调压塔、空气压力罐等。

现以内蒙多伦县新城区引水工程为例，对输水管线断流弥合水锤防护措施进行探讨。

1.发生机理
在长距离输水管路中产生的断流弥合水锤分两种：一种是蒸汽空腔溃灭产生的弥合水锤；另一种是空气腔溃灭产生的弥合水锤。

“蒸汽空腔”断流弥合水锤为传统的汽液两相流学科中液态→汽态的转换机理，该种情况是由输水管路中降压波造成的。

随着输水系统压力骤降，管道内产生负压，负压过大导致水体由液态向汽态转化，管内完全被细小气泡、泡沫和液体的两相混合物充满，随后蒸汽空腔慢慢形成，最终产生水柱分离，此时空腔内充满水蒸气。

特别是在管
线纵剖面上纵坡变化较大的位置，如
“膝关部位”、“小丘顶部”等处，更容易产生一些大空腔。

当这些空腔下游具有足够大的背压时，分离的水柱会快速闭合，空腔溃灭，原来的水蒸气快速凝结，分离的两股水柱相互猛烈碰撞，造成升压很高的断流弥合水锤。

“蒸汽空腔”断流弥合水锤是在输水管路的密封性非常完好的前提下产生的，实际上长距离输水管道沿线设有一定数量的空气阀，经空气阀吸入管内大量空气，形成充满空气的大空腔，从而造成水柱分离。

受管路系统压缩波的影响，腔内空气自由无阻地排出管道，空腔缩小乃至消失的瞬间，分离的两股水柱猛烈碰撞到一起，使管中水压骤增，产生“空气腔”断流弥合水锤，其危害常比传统的“蒸汽空腔”断流弥合水锤要大得多，因此，我们在输水线路上布设空气阀时，要求快速补气缓慢排气。

有些国家规定：空气阀向大气中排气时，要求排气速度应保证气流通过空气阀产生的压差在1.5m 水柱以内，并采取一些防碰撞措施。

2.防护措施
对于上述的断流弥合水锤，究其原因是停泵后管路系统中产生的降压波造成的，通过对断流弥合水锤的产生机理研究和近几年工程实践经验，本文就空气压力罐进行了分析。

2.1空气压力罐工作机理
空气压力罐是一种十分有效的水锤防护设备，一般安装于水泵的出口处，用于保护水泵及整个管线免受水锤压力波的破坏。

当突然断电停泵时，水泵出口处的管道压力下降，压力罐内初始的气体压力大于管道中的液体压力，压力罐中的水被压入管道中，以补充管道内液体的流量，从而缓解水泵出口处的压力下降；当正压波到达水泵的出口
处时，管道内的压力大于压力罐内气体
的压力，管道内的液体由于压差的作用下被压入罐体内，从而缓解水泵出口处的压力升高。

由此可见，空气压力罐不但可以缓解管道中的升压过高，而且可以抑制管道中的压力下降过低。

气体
水
水襄
图2-1空气压力罐基本结构图（立式
）
图2-2空气压力罐工作机理图2.2计算机理输水管道上，求解各节点水锤压力的方法普遍采用特征线法，此外，在泵站正常运行时，管道各处压力处于稳态时刻，满足以下条件：
空气罐底部节点P 的压力平衡，即：
H A =H P +H b +H so 式中：
图3-1两阶段关闭法管道水锤压力包络线图3-2
两阶段关闭法管道蒸汽体积
图3-3两阶段关闭法水泵转速—时间关系图
图3-4设气压罐后管道水锤压力包络线图3-5设气压罐后管道蒸汽体积
图3-6
设气压罐后水泵转速—时间关系图
H A —稳态时刻，罐体内气体绝对压力水头（m ）；
H P —稳态时刻，罐底部节点P 的测压管水头（m ）；
H b —当地大气压值，当为1个标准大气压时，H b ≈10.33m ；
H so —稳态时刻，罐体内水位高度（m ）；
空气罐底部节点P 的流量平衡，即：
Q=Q T +Q S
式中：
（转第47页）
为3～5cm ，经计算复核本治理方案拆除重建的11座桥梁的雍水高度为0.5～4.6cm ，因此推求水面线时，过桥损失统一取为4cm 。

4.结果分析
港河本支口设计水位为5.603m ，左右两岸高程分别为6.60m 、6.70m ；港河东支口设计水位为5.685m ，左右两岸高程分别为6.13m 、6.20m ；港河中支口设计水位为5.772m ，左右两岸高程
分别为6.17m 、6.66m ；港河中支口设计
水位为5.972m ，左右两岸高程分别为7.58m 、7.76m ；抛庄闸上设计水位为8.856m ，左右两岸高程分别为9.86m 、9.80m ；隋庄设计水位为11.688m ，左右两岸高程分别为12.48m 、12.54m 。

根据《治涝标准》（SL723—2016），平原坡水区的排涝河道设计排涝水位宜为地面高程以下0.3～0.5m ，大部分河段岸顶超高均能满足要求，局部河段超高不满足，应结合清淤土适当填筑。

水面线计算结果表明末端水位的确定和制定的
清淤治理方案比较合理。

北排河入海口段（海河新村～防潮闸段）位于天津市境内，入海口为泥质河口，坡度较缓，排沥受高潮水位顶托，回淤严重。

河道淤积严重，闸前8km 出现倒坡，歧口处已淤积3.5m ，现状过流能力仅为设计流量的82%，入海口段不治理会导致河道水位抬高，对河道排涝影响很大，建议有关部门协调进行治理。

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Q —在管道中流出节点P 的流量（m 3
/s ）。

Q T —在管道中流入节点P 的流量（m 3
/s ）；
Q S —在罐体与管道的连接管中流入节点P 的流量（m 3/s ）；
图2-3空气压力罐计算简图
罐内的气体压力变化符合波义耳
定律，即：
H *C n =H *0C n 0式中：H *
0—气体的初始压力，一般为管道的正常压力值（m ）；
C 0—空气罐内气体的初始容积（cm 3
）；
H *—水锤过程中气体的瞬时压力（可能是最大或最小）（m ）；
C —与H *
相对应的罐内气体容积（cm 3
）；
n —气体膨胀多方指数，（一般为1.2，当所冲气体为氮气时取1.4；
节点P 的测压管水头HP 、罐内初
始气体压力H *
0和抗水锤压力罐内水体高度H S 满足如下关系：
由上述关系式，代入特征线方程进行推导，应用计算机编程模拟可得出各节点的水锤压力。

目前对水锤计算的
软件很多，对压力罐的模拟也逐渐成
熟，采用水锤分析软件（美国Bentley HAMMER ）对案例进行分析，该软件即采用上述的特征线法进行模拟计算。

3.案例分析
3.1基本情况
多伦县新城区2030年规划人口为12万，其中7万人的生活用水靠地下水解决，另外5万人靠从水库引水解决。

新城区规划水处理厂位于南和村附近，水厂周围没有可供的水源，需要从大河
口水库引水475.0万m 3
/a ，提水管道设计最大流量为0.24m 3/s 。

提水管道长度为1.20km （0+000~1+200），从泵站开始向东南方敷设至八楞山处的高位水池。

加压提水管道采用DN600铸铁管，管道进口中心线高程为1220.9m ，管道出口中心线高程为1319.12m 。

高位水池内最高水位为1320.00m 。

水泵参数：水泵型号：DFSS200-5/2；水泵设计流量：296m 3/h （82.2L/s ）；水泵扬程：114m ；水泵额定转速：2960r/min ；水泵轴功率：114.5KW ；电机功率：132KW ；水泵效率：73%；水泵+电机转动惯量： 1.32kg/m 2。

3.2停泵水锤防护方案分析水泵出口设置多功能控制阀，沿线适当位置设置进排气阀。

停泵时，采用两阶段关闭，快关（关闭90%）5s ，慢关75s （全关），计算结果如下：
由以上计算可知：加压提水段管线最大水锤压力为2.29Mpa ，最小水锤压力为-0.1Mpa ；在桩号0+400～1+200段负压大，会出现水柱拉断现象，产生弥合断流水锤；水泵出现倒转，最大倒转转速为-3521r /min ，超额定转速时间
70s 。

计算结果表明，常规的两阶段关闭方法不能解决由于负压造成的断流弥合水锤，同样造成了水泵倒转严重，不符合规范要求。

在管道沿线适当位置设进排气阀，水泵出口处设置8000L 抗水锤空气罐，泵出口处阀门在停泵后5s 快速关闭，计算结果如下：
由以上计算可知：管线最大水锤压力为 1.54Mpa ，最小水锤压力为0.01Mpa ；整条管线未产生负压，不会出现水柱拉断现象；水泵出现倒转，最大倒转转速为-948r/min ，未出现超额定转速情况，计算表明各项计算指标均满足规范要求。

3.3结果分析
通过上述计算结果可以看出：输水管线由于地形起伏大，单靠阀门调节管道最大升压太大，超过管道承受压力，管道可能发生爆管；管内负压过大，以致管道内外压力差急剧增大，导致水体由液态向汽态转化，管道沿线发生水柱分离现象，应采取其它相应的抗水锤措施。

停泵时，在水泵出口设置抗水锤空气罐能够有效起到减低负压，防止弥合断流水锤现象产生。

采用抗水锤空气罐时，由于停泵管道中产生的升压波或降压波能够得到有效释放，故可以缩短水泵关阀时间，极大的降低水泵倒转转速，避免了水体倒流对水机的破坏。

4.结论
在长距离输水工程设计时，应结合工程实际，通过综合比较，选取合理的水锤防护措施，切实降低水锤产生的危害。

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（接第45页）。