宋芹,趙星明*,艾典勝

1.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院,山東泰安271018 2.泰安市建筑設計院有限責任公司,山東泰安271000

輸水管道水錘分析與防護技術

宋芹1,趙星明1*,艾典勝2

1.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院,山東泰安271018 2.泰安市建筑設計院有限責任公司,山東泰安271000

水錘會使輸水管道中產(chǎn)生負壓、汽化或液柱分離，導致爆管或設備破壞。分析了水錘產(chǎn)生的原因，根據(jù)特征線法計算簡單管道的關閥水錘，總結闡述水錘防護措施的應用，可為消除水錘提供技術借鑒。

水錘;壓力管道;防護措施

在壓力輸水管道中，水流是一種不穩(wěn)定壓力流，若發(fā)生瞬變，其流速、加速度、動水壓強、密度等運動要素會隨空間和時間變化。水泵突然斷電或設備故障，均會使流速發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生急劇的壓力交替，并引起水錘現(xiàn)象。水錘的產(chǎn)生是由水流自身的慣性和可壓縮性引起的，若采取的防護措施不當，會造成嚴重的水錘事故，引起管道爆裂、水淹泵房，甚至造成人身傷亡等更大的經(jīng)濟損失[1]。因此，研究輸水管道中水錘產(chǎn)生的原因，并對其進行數(shù)學模擬和控制，從而選擇合理的防護措施，是優(yōu)化工程設計、確保工程安全運行的關鍵。

1 水錘的起因

水錘產(chǎn)生的內(nèi)因是由于水具有慣性和可壓縮性，當流動狀態(tài)發(fā)生瞬變會引發(fā)自身能量的轉換和傳遞，通過壓縮形成高壓將動能轉換為勢能，并以波的形式在管道內(nèi)傳遞，經(jīng)過產(chǎn)生、傳播、反射、干涉和消失的物理過程，使管道中的壓力驟然升高或降低，產(chǎn)生水錘。閥門的快速啟閉和泵的動力故障等一些外部邊界條件的變化就會引起管內(nèi)壓力變化，產(chǎn)生水錘。在管道首次運行、檢修放空或非滿管情況下啟動充水時，閥門開啟過快、管路排氣不暢均會產(chǎn)生啟動水錘；關閉閥門過程中操作不當會產(chǎn)生關閥水錘[2]。當水泵機組突然斷電時，若泵站出水管不設止回閥，停泵水錘一般不引起災害，但會使機組反轉過快引起技術事故[3]；為保護設備一般會在水泵出口處設置止回閥，停泵時止回閥快速關閉產(chǎn)生的水錘使壓力驟然升高，可達到工作壓力的2～4倍，嚴重時會造成泵房淹沒等重大危害。

2 水錘計算理論及模型

2.1 水錘計算的特征線法

水錘分析計算方法主要有數(shù)解綜合法、圖解法和特征線法等，其理論基礎都是水錘基本微分方程式。其中特征線法借助于特征線，將基本方程轉化為便于計算機運行的有限差分方程，使計算精度和計算效率得到提高，可解決復雜管路系統(tǒng)和邊界條件的水錘問題[4]。

水錘計算需對不同的邊界條件（水池、泵、閥門及其它過流元件等）和管道參數(shù)構成的輸水系統(tǒng)進行分析。先取一束流動隔離體分析得到水錘的基本方程，是由運動方程和連續(xù)方程組成的雙曲型偏微分方程組，主要反映有壓管道內(nèi)非恒定流體流速和水頭的變化規(guī)律。大多數(shù)的工程管道為剛性壁面材料（如金屬、混凝土等），流速與波速相比，其影響可忽略不計[5]。若不考慮流速的影響，在特征值的約束下，可將偏微分方程轉化為常微分方程（式1和3），式2和4為相容性方程：

式中：V為流速，H為水頭，x為沿管路的距離，t為沿暫態(tài)過程的歷時。

將管道等分為N個長為Δx的步段，以Δx和Δt為單元組成矩形網(wǎng)格，即可得到簡化差分公式的矩形網(wǎng)格（如圖1所示）。網(wǎng)格中的每一條對角線均為特征線，沿特征線即可求解管道的水錘暫態(tài)過程。對常微分方程進行差分，即得到簡化后的有限差分方程（式5和6）。

簡化后的有限差分方程如下,

圖1 簡化差分公式的矩形網(wǎng)格Fig.1 Graphic grid of simplified difference formula

2.2 輸水管道水錘計算分析

實際工程中的管路系統(tǒng)較為復雜，但是多條管道組成的供水系統(tǒng)中每一支管都是一個簡單管路[6]，其計算方法基本相同。下面以單根管道的關閥水錘為例，分析因水錘引起的管道內(nèi)水頭和流量的變化。

由工程資料可知，管道長L=600 m，管徑D=0.6 m，摩阻系數(shù)f=0.019，波速a=1200 m/s。管道上游水庫的恒定水位H0=289 m，下游出口端基準高程作為0，閥門裝在管道下游出口端，全開時的過流面積乘以流量系數(shù)C0=0.009，部分開啟時的流量系數(shù)乘以過流面積C=C0τ，τ為閥門的相對開啟度，，關閥總歷時tc=2.0 s。

采用特征線法求解，將管道均分為4段5個節(jié)點，閥門前一個節(jié)點即第4節(jié)點在歷時8s時的水頭、流量計算數(shù)據(jù)如表1，變化過程如圖2、3所示。

表1 第4節(jié)點流量水頭變化Table 1 Flow and head changes of fourth node

圖2 沿程水頭波動Fig.2 Fluctuating along the head

圖3 沿程流量波動Fig.3 Fluctuation along the flow

關閉閥門后，在1.125 s時第4節(jié)點的管道內(nèi)壓力達到最大值398.172 m，比穩(wěn)態(tài)時管道壓力升高162 m；在1.75 s時，流量為-0.03 m3/s，此時管道內(nèi)的水開始倒流。由此可知，當管道內(nèi)發(fā)生水錘現(xiàn)象時，管內(nèi)壓力會在瞬時升高又迅速降低，甚至產(chǎn)生倒流。迅速產(chǎn)生的壓差會使管道內(nèi)產(chǎn)生波動并不斷傳遞，形成水錘波。

3 水錘危害防護技術

水錘的產(chǎn)生多由降壓開始，在輸水工程中，主要從水錘波的產(chǎn)生和傳播兩個方面考慮，合理地選擇并設置水錘防護裝置，通過降低泵管系統(tǒng)中流速變梯度來消減或消除水錘。

3.1 采用緩閉閥門控制水錘波的產(chǎn)生

水錘波的產(chǎn)生可通過調控閥門啟閉時間和選擇合理的閥門類型來控制。閥門啟閉速度會影響流速的變化梯度[7]，而流速的急劇變化使管道產(chǎn)生大壓差水錘波，水錘波在管道內(nèi)快速傳遞產(chǎn)生水錘。閥門的啟閉動作越慢，流速的變化梯度就越小，越不易產(chǎn)生水錘，因此合理調控閥門的啟閉速度，可控制水錘的產(chǎn)生。當輸水狀態(tài)發(fā)生變化時，普通止回閥突然關閉使管道產(chǎn)生較大的水錘壓力，若換用緩閉止回閥，則可以減小管道內(nèi)的升壓最大值，并避免機組反轉。

但是緩閉閥的設計動作需要不斷調試，對于不同的工況，需要通過詳細的計算，得到閥門啟閉時間的最優(yōu)方案，否則不恰當?shù)木忛]動作所產(chǎn)生的壓力波動會比普通止回閥更為不利[8]。實際工程中緩閉閥的選擇受到管徑的影響[9]，當管徑小于400 mm時，適合選擇遙控浮球閥、減壓閥、緩閉止回閥、泄壓閥等水泵控制閥；當管徑大于1000 mm時，選擇液控蝶閥較為合適[10]。

另外，其它類型的閥門啟閉時間也需控制，以控制水錘產(chǎn)生。

3.2 合理選擇裝置抑制水錘波的傳播

輸水工程在正常運行時，受溫度的影響，溶解于水中的空氣游離出來聚于管道凸部上方形成空穴[11]，影響管內(nèi)波速的傳遞，需及時排出；另外，管內(nèi)壓力隨地勢的起伏升高或降低，當壓力降到蒸氣壓力時會形成蒸氣空穴，使管道的一些高點或折點附近發(fā)生水柱分離，嚴重時會造成斷流彌合水錘。當管道內(nèi)形成空穴，壓力降低就會產(chǎn)生降壓水錘波，此時可通過設置空氣閥、空氣罐和調壓塔等調節(jié)措施進行補水、補氣或緩沖來抑制降壓波的傳播。

空氣閥設置在管道高點或折點，可給管道快速補充空氣，將水錘限制在最低程；也可排出管道內(nèi)初次沖水或運行過程中產(chǎn)生的空氣，使水完全充滿管道而沒有空氣滯留[12]。雙向空氣閥具有快速進氣緩慢排氣的功能，可在水錘降壓波傳播過程快速補氣升壓，并在升壓波傳播過程緩慢排氣降壓，排氣時，通常壓差控制在1.5 m水柱以下，排氣風速控制在45 m/s以下，所以在輸水管道中一般會結合水錘計算設置雙向空氣閥。注氣式單向閥，可在管內(nèi)壓強低于大氣壓時注入空氣防止真空產(chǎn)生負壓；另一方面管內(nèi)空氣不可自由排出，回沖水流及升壓波返回時會壓縮空氣，可以起到一定的緩沖作用，因此其對消減斷流空腔彌合水錘的危害很有效?？諝忾y構造簡單，不受安裝條件限制，造價低廉，是水錘防護中常用的裝置。

另一類調控裝置是空氣罐和調壓塔，其作用原理相似，升壓時壓縮空氣消能緩沖；降壓時補水防負壓[13]。區(qū)別在于空氣罐內(nèi)設置氣囊，利用氣囊的壓縮與膨脹對管道進行注水和排氣，而空氣與水不直接接觸，主要功能是減小水錘壓力，多用于設備流量較小，揚程較高控制壓力變化范圍較廣的情況。調壓塔通過儲存一定容積的水，利用壓差向管道內(nèi)注水，空氣與水直接接觸，主要功能是防止產(chǎn)生負壓。雙向調壓塔不僅能向管道內(nèi)注水防負壓，還在管內(nèi)壓力較高時通過排水來緩沖泄壓；單向調壓塔頂部一般是封閉的，注水管上設有止回閥，使其只能向管道內(nèi)注水[14]。單向調壓塔的安裝高度、水箱體積都較雙向調壓塔要小，經(jīng)濟上較為節(jié)省，更為實用。

4 結語

水錘防護是一項系統(tǒng)工作，在理論研究中使用特征線法計算時，要合理的分析管道特性，選擇適合的方法進行數(shù)值模擬。消除管道水錘的防護設備有很多，除從水錘波的產(chǎn)生和傳播進行防護，還可以采用其他方式如增大水泵機組慣性、設置波動預止閥[15]等方式。在實際工程中必須依靠各種水錘防護措施互相協(xié)調、互相配合才能有效的對水錘進行消減防護。所以，應當認真分析研究輸水管道特性，根據(jù)模擬理論，選擇最符合實際情況的分析方法，并采取綜合的防護措施，才能保證管道安全運行。

[1]饒雪峰,劉海濤,蘇雷,等.長距離壓力輸水管道水錘防護設計[J].給水排水,2013,39(2):123-126

[2]趙紅芳.不同泵閥開啟方式下水泵起動水錘計算分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2005(6):107-108,118

[3]林琦,劉志勇,劉梅清,等.長管道輸水系統(tǒng)停泵水力過渡過程分析與防護[J].中國農(nóng)村水利水電,2011(2):139-141

[4]向蕾.管道工程水錘計算與分析[J].水利科技與經(jīng)濟,2015,21(6):31-33

[5]黃偉,董亮,閆宇翔,等.瞬變流中MIAB摩阻模型的數(shù)值模擬研究[J].人民黃河,2014,36(10):117-119

[6]榮禹,張嘉軍,張乾.有壓管道水錘數(shù)學模型分析和防護技術[J].中國給水排水,2012,28(12):18-20

[7]陳家遠.水力過渡過程的數(shù)學模擬及控制[M].成都:四川大學出版社,2004:52-53

[8]楊祖強,羅希,王文文,等.基于改進型多目標遺傳算法的含氣水錘防護方案優(yōu)化研究[J].水資源與水工程學報,2014,25(1):200-204

[9]葛光環(huán),寇坤.斷流彌合水錘最優(yōu)防護措施的比較與分析[J].給水排水,2015,31(1):52-60

[10]Rezaei V,Calamak M,Bozkus Z.Performance of a Pumped Discharge Line with Combined Application of Protection DevicesAgainst Water Hammer[J/OL].KSCE Journal of Civil Engineering,2016:1-8.doi:10.1007/s12205-016-0747-3

[11]Triki A.Water-hammer control in pressurized-pipe flow using an in-line polymeric short-section[J].Acta Mechanica, 2016,227(3):777-793

[12]梁其東.水錘理論模擬分析與防護技術應用研究[J].城鎮(zhèn)供水,2014(5):89-92

[13]陳湧城.長距離輸水工程的安全性及水錘危害防護技術[J].給水排水,2014,40(3):1-3

[14]金錐,姜乃昌,汪興華,等.停泵水錘及其防護[M].第二版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008:262-280

[15]李建剛,蔣勁,范征,等.長距離輸水管線壓力波動預止閥開閥時間對突然停泵水錘低壓的影響[J].水電能源科學,2014,32(10):155-158

TheAnalysis and the ProtectionTechnology ofWaterHammerin WaterPipeline

SONG Qin1,ZHAO Xing-ming1*,AI Dian-sheng2
1.College of Hydraulic and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China
2.Tai'an Architecture Design Institute Co.,Ltd.,Tai’an271000,China

The water hammer causes negative pressure,vaporization,liquid column separation and destroies pipelines and equipments.Analyzed reasons of the water hammer,calculated the water hammer of simple pipe according to the characteristic line method and summarized the application of water hammer protection measures,which would provide technical reference to eliminate water hammer in water pipelines.

Water hammer;pressure pipeline;protection measures

TU991.39

:A

:1000-2324(2017)01-0084-04

2016-10-16

:2016-11-07

宋芹(1991-),女,碩士研究生,研究方向為城市給排水管道系統(tǒng)優(yōu)化.E-mail:1849553323@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xmzhao@sdau.edu.cn