董 茹，張偉東，閆 朝

(1.榆林學(xué)院 建筑工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.中煤陜西榆林能源化工有限公司公用工程中心，陜西 榆林 719000；3.榆林市水利工程建設(shè)中心，陜西 榆林 719000)

隨著我國用水量的加劇，大型長距離輸水管道成為當(dāng)前輸水的主要形式。在此背景下，由長距離壓力輸水管道水錘而引發(fā)的安全事故也在不斷頻繁，水錘防護(hù)成為當(dāng)前工程人員及國家重點(diǎn)關(guān)注問題，特別是其中斷流彌合水錘這一防護(hù)問題，嚴(yán)重困擾著相關(guān)研究人員[1]。據(jù)目前情形來看，相關(guān)部門雖然在水錘防護(hù)問題方面已有所改善，但斷流彌合水錘這一危害極為嚴(yán)重的防護(hù)工作卻仍存在許多問題，如認(rèn)識(shí)不到位、方式不合理等[2]，從而導(dǎo)致這種危害性極高的水錘問題嚴(yán)重威脅著用水安全及操作人員的生命安全。為此，本文圍繞當(dāng)前長距離壓力輸水管道水錘防護(hù)現(xiàn)狀，對(duì)該防護(hù)問題的有效對(duì)策進(jìn)行研究。

1 水錘概述

(1)水錘的定義。水錘是一種出現(xiàn)于水或其他液體在輸送過程中，由流體速度發(fā)生劇變產(chǎn)生的壓力而造成的水力撞擊現(xiàn)象，因此也被稱作為水擊[3]。從實(shí)質(zhì)上來講，水錘現(xiàn)象其實(shí)就是兩種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在形成對(duì)立統(tǒng)一時(shí)，“水”這一液體充分發(fā)揮了其可壓縮性及慣性兩大顯著特征，使水力在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中迅速達(dá)到最大，從而產(chǎn)生破壞作用。

(2)水錘的危害。水錘發(fā)生時(shí)雖然持續(xù)時(shí)間通常較短，但其造成的危害卻無法估計(jì)，特別是在水錘發(fā)生伴有水柱分離時(shí)，帶來的破壞力更加嚴(yán)重。若在輸水管路中出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，將會(huì)使該管道內(nèi)壓強(qiáng)迅速升高，從而帶來以下危害：①輸水管道被高壓所影響開始出現(xiàn)強(qiáng)烈，管道接口處由于無法承受高壓而斷開，從而使閥門遭到破壞。在此情況下，管道接口若是未斷開，輸水管最終將出現(xiàn)爆管事故。②水錘將會(huì)使正常的水泵出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，從而使泵房內(nèi)的設(shè)備及管道遭到破壞，最終導(dǎo)致管道內(nèi)水源淹沒泵房。③輸水管道在水流與氣壓的雙重逼迫下，有可能會(huì)出現(xiàn)管道爆炸現(xiàn)象。此現(xiàn)象一旦發(fā)生，輕者影響人們生產(chǎn)及生活用戶，重則造成操作人員的傷亡。由此看出，水錘帶來的危害比想像中更為嚴(yán)重，當(dāng)務(wù)之急還需加強(qiáng)對(duì)水錘防護(hù)對(duì)策的研究。

2 長距離壓力輸水管道存在的問題

(1)斷流彌合水錘問題。在揚(yáng)水泵站及是重力流輸水工程的長距離壓力輸水管道中，最為嚴(yán)重的就是伴有水柱分離的水錘現(xiàn)象，也就是斷流彌合水錘。在長距離壓力輸水管道中，氣體通常以氣囊的形式存在其中，當(dāng)管道流量調(diào)節(jié)過快或突然停泵時(shí)，管道內(nèi)壓力驟降將會(huì)使液體與氣囊發(fā)生劇烈震蕩，從而引起較大的水柱撞擊升壓，造成斷流彌合水錘[4]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)前我國長距離壓力輸水管道中，由氣囊引起的斷流水錘升壓最高可形成400 m水柱。同時(shí)，這種水錘現(xiàn)象升壓十分迅速，能夠在水錘形成的1 s內(nèi)升至最高值。因此，斷流彌合水錘的防護(hù)是當(dāng)前長距離壓力輸水水錘防護(hù)工作重點(diǎn)研究問題。

(2)現(xiàn)有的解決對(duì)策。當(dāng)前，長距離壓力輸水管道水錘防護(hù)在針對(duì)斷流彌合水錘問題時(shí)，主要采用2種途徑進(jìn)行解決：①相關(guān)部門認(rèn)為，若長距離壓力輸水管道具有較強(qiáng)的排氣功能時(shí)，僅通過將管內(nèi)氣體全部排除在外，就能避免出現(xiàn)由氣體與水流形成壓力撞擊的斷流彌合水錘。在此錯(cuò)誤認(rèn)知的影響下，相關(guān)部門開始采用排氣閥排氣的方式來進(jìn)行水錘防護(hù)。這種方式雖能夠取得一定的減壓作用，但若是發(fā)生突然停泵情況時(shí)，就需要利用單向調(diào)壓塔來對(duì)排氣閥的排氣工作進(jìn)行輔助，從而使水錘防護(hù)成本劇增。因此，排氣閥并不是一種直接對(duì)水錘進(jìn)行防護(hù)的方法，而是可用于特殊管道或者特殊點(diǎn)上進(jìn)行水錘防護(hù)。②借助能夠吸收水錘升壓波的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行防護(hù)工作，如穩(wěn)壓吸壓裝置、氣壓罐等。這種方式具有一定的適用范圍局限性，并不適合應(yīng)用于斷流彌合水錘防護(hù)工作中。

3 長距離壓力輸水管道水錘問題解決對(duì)策

根據(jù)以上分析可以看出，當(dāng)前長距離壓力輸水管道水錘防護(hù)工作缺乏有效性?；诖耍P者認(rèn)為應(yīng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。

3.1 構(gòu)建水量控制模型，加強(qiáng)對(duì)水量的控制

要減少水錘的危害，首先是要加強(qiáng)對(duì)輸水管道的水流量控制，進(jìn)而通過對(duì)流量的控制，減小水柱壓力。在斷流彌合水錘計(jì)算模型方面，目前較為常用的計(jì)算模型有3種：①無斷流彌合水錘的計(jì)算模型。這種計(jì)算模型在水力過渡的過程中，并不將水柱的中斷問題納入模型計(jì)算范圍。②定點(diǎn)斷流彌合水錘計(jì)算模型。這種計(jì)算模型在實(shí)際應(yīng)用過程中，需預(yù)先指定出斷流彌合所出現(xiàn)的位置。③斷流彌合水錘計(jì)算模型[5]。該計(jì)算模型在對(duì)斷流彌合水錘的斷流邊界進(jìn)行處理時(shí)，不會(huì)受到水錘發(fā)生位置的限制。由此看出，在以上3種斷流彌合水錘計(jì)算模型中，無斷流彌合水錘的計(jì)算模型與定點(diǎn)斷流彌合水錘計(jì)算模型都僅適合應(yīng)用于無斷流的情況。而當(dāng)出現(xiàn)多處斷流水錘時(shí)，斷流彌合水錘計(jì)算模型更具有效的實(shí)用性。因此，本文將選用斷流彌合水錘計(jì)算模型對(duì)斷流彌合水錘問題進(jìn)行計(jì)算。

首先根據(jù)彈性水錘理論，以2種方式進(jìn)行表達(dá)：

(1)運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

(2)連續(xù)方程為：

(2)

式中，H為管道水頭；V為管中的流速；f為管道摩阻系數(shù)；a為水錘波的傳播速度；α為管路與水平面間夾角；D、g分別管徑、重力加速度；x為水錘傳播距離；t為水錘波傳播時(shí)間。

其次采用特征線法求解水錘問題，具體的解決步驟分為3點(diǎn)：①將模型計(jì)算過程中無法進(jìn)行直接求解的流動(dòng)暫態(tài)偏微分方程式轉(zhuǎn)換為特征線方程；②以對(duì)全微分方程組積分的形式計(jì)算有限差分方程；③以有限差分方程與管理系統(tǒng)的邊界條件進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)以上3個(gè)步驟，得出管內(nèi)流動(dòng)暫態(tài)的特征線方程：

(3)

(4)

3.2 安裝防護(hù)設(shè)備

在長距離壓力輸水管道適當(dāng)位置安裝恒速緩沖排氣閥，作為斷流彌合水錘現(xiàn)象的防護(hù)設(shè)備。在具體的安裝過程中，應(yīng)充分吸取相關(guān)工程實(shí)際安裝案例的經(jīng)驗(yàn)。首先，在對(duì)較為平坦的農(nóng)業(yè)用長距離壓力輸水管道進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)將恒速緩沖排氣閥之間的間距設(shè)定為0.5～1.0 km[6]。在對(duì)陡坡中的管道進(jìn)行安裝時(shí)，排氣閥僅能設(shè)置在坡頂位置，并且需設(shè)置帶有緩閉功能的排氣閥。在實(shí)際設(shè)置過程中，若缺乏帶緩閉裝置的排氣閥時(shí)，采用安裝2臺(tái)普通排氣法的方式對(duì)此進(jìn)行彌補(bǔ)。其次，排氣閥的口徑應(yīng)設(shè)置為農(nóng)業(yè)用長距離壓力主輸水管道直徑的1/8～1/5。最后，應(yīng)選用性能相對(duì)較好的排氣閥，使其在水柱相間的環(huán)境下，還能保持持續(xù)排氣狀態(tài)。由于排氣閥這一產(chǎn)品的特殊性，當(dāng)前市面上達(dá)到合格條件的排氣閥還相對(duì)較少，稍不注意就會(huì)購買到性能較差的非合格產(chǎn)品，從而給整個(gè)農(nóng)業(yè)用長距離壓力輸水管道工程造成難以預(yù)計(jì)的后果。

對(duì)此，筆者認(rèn)為可從3方面進(jìn)行排氣閥的選擇：①求助具備豐富排氣閥安裝經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)院或個(gè)人，參照專業(yè)人士給出的意見，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行排氣閥選擇；②在有條件的情況下，聘請(qǐng)相關(guān)專家加入到防護(hù)項(xiàng)目中，對(duì)排氣閥的安裝及選擇環(huán)節(jié)進(jìn)行專題論證；③對(duì)排氣閥進(jìn)行安裝前進(jìn)行性能測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果覺得是否選用。

3.3 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

3.3.1 排氣閥設(shè)計(jì)要求

根據(jù)當(dāng)前市面上較為常用的排氣閥構(gòu)造來看，若是微量排氣孔直徑在3 mm以上，該排氣閥的排氣性能將無法得到保障。同時(shí)，在此情況下，管道內(nèi)的氣囊相對(duì)較小，分布于管道頂部的各個(gè)部位中，需在管內(nèi)聚集成為一個(gè)較大氣囊時(shí)才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而大氣囊經(jīng)過排氣閥時(shí)時(shí)間極短，從而使該排氣閥無法對(duì)大氣囊產(chǎn)生太大的排氣作用。由此看出，在面對(duì)大管徑的管道排氣時(shí)，微量排氣閥將無法發(fā)揮作用。排氣閥若在某些管道流態(tài)下無法做到迅速排氣，不僅無法降低管內(nèi)氣壓，反而還會(huì)使該管道存氣增多，從而導(dǎo)致輸水管道無法達(dá)到預(yù)計(jì)輸送流量，情形嚴(yán)重還會(huì)造成管道爆破事故，威脅操作人員生命安全。因此，在對(duì)排氣閥進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，排氣工作不受任何流態(tài)限制是該設(shè)備應(yīng)具備的基本功能[7-8]。

3.3.2 設(shè)置緩沖開關(guān)

在長距離壓力輸水管道水錘防護(hù)的相關(guān)設(shè)計(jì)中，加入緩沖開關(guān)這一環(huán)節(jié)，將會(huì)在排氣閥完成排氣工作時(shí)，對(duì)其起到3個(gè)方面的作用：①利用緩沖開關(guān)可一定程度上降低水流對(duì)排氣閥板的沖擊，避免出現(xiàn)由水流強(qiáng)烈沖擊而影響管道穩(wěn)定運(yùn)行的情況，延長管道的使用期限；②緩沖開關(guān)可緩解關(guān)閉閥門時(shí)造成的沖撞型噪聲，符合當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)遵照的環(huán)保原則；③可降低排氣閥由于關(guān)閉水錘而引起的升壓[9-10]。

4 輸水工程斷流彌合水錘防護(hù)實(shí)例

4.1 工程基本概況

4.1.1 管線基本情況

輸水管線具體設(shè)計(jì)規(guī)模及管線布置為：設(shè)計(jì)流量1.273 m3/s，管線全長50.6 km，采用DN1400的PCCP預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。該輸水工程管道全線較長，達(dá)50 km，且管線起伏較大，輸水管線采用DN1400的PCCP管，因此本輸水工程 屬于長距離、高揚(yáng)程、多起伏、大管徑輸水工程。

4.1.2 加壓泵站基本情況

某輸水管線主要為泵站加壓壓力流輸水管線，泵站加壓輸水管線全線僅設(shè)置一級(jí)加壓，加壓泵站水泵參數(shù)：站名為七家子泵站，型號(hào)為300-710A，臺(tái)數(shù)為4臺(tái)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為100 kg/m2，流量分別為900、1 573、2 000 m3/h，進(jìn)/出水池水位分別為150.0、232.0 m，揚(yáng)程分別為140、119、100 m，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，效率分別為65%、83%、70%，軸功率(電機(jī)功率)為800 kW，比轉(zhuǎn)速為97.7，1臺(tái)備用。

4.1.3 管道縱斷圖及泵站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力

加壓泵站管道縱斷圖及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力如圖1所示。

圖1 加壓泵站管道縱斷圖及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力

4.2 防護(hù)方案比選

(1)方案1：只在水泵出口處安裝緩閉止回閥防護(hù)方案(圖2)。

圖2 緩閉止回閥防護(hù)時(shí)水錘壓力線

管路不采取其他防護(hù)措施時(shí)，水泵出口緩閉止回閥快關(guān)角度為60°時(shí)，快關(guān)10、20 s，總關(guān)60、120 s不同快慢關(guān)閥時(shí)間組合下管路中水錘最大水頭包絡(luò)線和最小水頭包絡(luò)線壓力的變化情況如圖2所示。

緩閉止回閥快關(guān)60°時(shí)不同快慢關(guān)時(shí)間下的水錘升壓線可以得出：在不采取其他防護(hù)措施，只在水泵出口處安裝緩閉止回閥時(shí)，輸水管線全線水柱中斷，水柱再彌合時(shí)導(dǎo)致斷流彌合水錘升壓，水泵出口處升壓最高達(dá)450 m左右，最大升壓處達(dá)600 m，其余管線水錘升壓也均在300 m以上，升壓極高，管道安全運(yùn)行存在極大隱患，在不同快慢關(guān)閥時(shí)間的組合下管線水錘升壓曲線有所波動(dòng)，但差別不大，且均不能降低水錘升壓。

(2)方案2：緩閉止回閥+緩沖排氣閥防護(hù)方案。水泵出口處安裝緩閉止回閥，在0+850 m、1+690 m、2+530 m、3+370 m、5+240 m等樁號(hào)處安裝51處緩沖排氣閥。緩沖排氣閥閉合流速為0.3、0.5 m/s，水泵出口處緩閉止回閥快關(guān)角度為60°，緩閉止回閥快關(guān)10、20 s，總關(guān)60、120 s不同組合情況下最大水頭包絡(luò)線和最小水頭包絡(luò)線管道水錘升壓的變化情況如圖3所示。

圖3 緩閉止回閥+緩沖排氣閥防護(hù)時(shí)水錘壓力線

水泵出口處安裝緩閉止回閥，安裝5處緩沖排氣閥緩沖閉合流速0.3、0.5 m/s緩閉止回閥不同快慢關(guān)時(shí)間及角度時(shí)水錘壓力線中圖可以得到如下結(jié)論：管道水錘升壓較方案1有所降低，當(dāng)緩閉止回閥總關(guān)時(shí)間為120 s時(shí)，水泵出口至樁號(hào)8+000 m之間管道壓力降至安全承壓范圍(接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力)，但其余管道仍水柱中斷并發(fā)生斷流彌合水錘升壓，水錘升壓在400～500 m。

(3)方案3：緩閉止回閥+緩沖排氣閥+箱式雙向調(diào)壓塔防護(hù)方案。水泵出口處安裝緩閉止回閥，在水泵出口處、樁號(hào)8+300 m、41+500 m處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，管路原樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，緩沖排氣閥閉合流速為0.3、0.5 m/s水泵出口處緩閉止回閥快關(guān)角度為60°，緩閉止回閥快關(guān)10、20 s，總關(guān)60、120 s不同組合情況下最大水頭包絡(luò)線和最小水頭包絡(luò)線管道水錘升壓的變化情況如圖4所示。

水泵出口處安裝緩閉止回閥，在水泵出口處、樁號(hào)8+300 m、41+500 m處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，安裝緩沖排氣閥，以上為緩沖閉合流速為0.3、0.5m/s，緩閉止回閥快關(guān)10、20 s，快關(guān)角度60°，總關(guān)時(shí)間60、120 s的情況下，管道中的水錘最大和最低包絡(luò)線。通過圖4可以看出：①不同緩沖閉合流速下及緩閉止回閥關(guān)閥時(shí)間及角度下，所有管段的水錘升壓降低至安全承壓范圍之內(nèi)；②緩沖排氣閥不同的緩沖閉合流速以及水泵出口處緩閉止回閥不同的快慢關(guān)時(shí)間和角度，對(duì)于管道中的水錘升壓影響不大，管道壓力都符合安全承壓要求，管道中壓力很穩(wěn)定；③方案3采用水泵出口處安裝緩閉止回閥，在水泵出口處、樁號(hào)8+300 m、41+500 m處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，安裝51處緩沖排氣閥，采取這些措施，管道中壓力均降至安全承壓范圍之內(nèi)，有效地對(duì)突然停泵時(shí)的管道水錘升壓進(jìn)行防護(hù)，使管道運(yùn)行安全穩(wěn)定。因此，建議選用方案3為水錘防護(hù)最佳方案，選用該方案中的水錘防護(hù)措施進(jìn)行管道水錘防護(hù)。

圖4 緩閉止回閥+緩沖排氣閥+箱式雙向調(diào)壓塔防護(hù)時(shí)水錘壓力線

5 結(jié)語

本文提出選擇計(jì)算模型、安裝防護(hù)設(shè)備以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，可作為長距離壓力輸水管道斷流彌合水錘防護(hù)對(duì)策。通過工程實(shí)例，應(yīng)用緩閉止回閥+緩沖排氣閥+箱式雙向調(diào)壓塔的防護(hù)方案，可將輸水管線的斷流彌合水錘升壓降至管道承壓范圍之內(nèi)，確保了管線的安全運(yùn)行。筆者認(rèn)為，以此方式能夠填補(bǔ)當(dāng)前相關(guān)部門在斷流彌合水錘防護(hù)方面的空缺，對(duì)長距離壓力輸水管水錘防護(hù)工作具有實(shí)際意義，可為長距離壓力輸水管道的安全性帶來保障。