浅析水锤分析计算和防护措施

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摘要：在水泵正常运行时，如果突然断电，在供水管道中将形成大于水泵正常工作压力数倍的水锤压力，造成水泵和供水管道破坏。采用特征线法对取水泵站进行了水锤分析。计算结果表明：水锤压力较大，影响水泵及管路的安全稳定运行。本文主要对水锤产生的原因、危害及一些常见的防护措施进行了介绍。

关键词：水锤；水柱脱流；水锤防护

一、水锤现象

水锤现象在压力管路中，由于流体的流速剧烈变化而引起一系列急骤地压力交替升降的水力撞击现象，称为水锤（水击）现象，也称水力瞬变。目前，国内外普遍将压力输水管路中所发生的各种水锤现象，通称为输水管路的水力过渡过程。管路中发生水锤现象时，随着压力的交替升降，液体分子质点将相应地呈现密疏状态交替变化，这种变化以纵波形式沿管路往复传播，因此水锤现象是一种波动。在有压管路中，由于流速的剧烈变化和水流的惯性而引起一系列急骤的压力变化和密度变化。它们的综合作用结果，在物理现象上表现为快速传播的水锤波动。水锤波动全过程包括压力波的产生、传播、反射、干涉以及消失的整个物理过程。水锤的传播只限于连续的水流中，当管路中出现水柱分离时，水锤波的传播受到影响，将会引起更加复杂的物理过程。

引起水锤的主要原因有：

1）启泵、停泵、启闭阀门或改变水泵转速、叶片角度调节流量时；尤其在迅速操作，水流速度发生急剧变化的情况下。

2）事故停泵，即运行中的水泵动力突然中断时，较多是由于配电系统故障、误操作、雷击等情况下的突然停泵。

图1-1 供水系统水锤过程线图

二、水锤的危害

长距离高扬程输水工程中，水锤事故的发生是较为普遍的现象，尤其是管线高差起伏较大、地形复杂的工程。事故产生的实例也是多种多样的，例如，水电站内因关闭水轮机导叶时操作失误，而造成压力管内水压上升；泵站系统中，因断电或其他原因而使水泵突然停泵，压水管内的压力在下降之后又产生不同程度的压力上升，导致停泵水锤。水锤事故都会造成不同程度的灾害，轻则造成水管破裂（即爆管），致使供水中断，影响正常的生产生活；重则造成淹毁泵站、泵船沉没等严重后果。个别情况下，还会因水锤事故破坏管线，造成水流冲坏建筑物、损坏设备、伤及操作人员等次生灾害。在各种水锤事故中，以管路中水柱分离以及随后产生的断流再弥合水锤的危害最大，据有关资料显示，生产实践中长距离输水工程的管路破裂，70%一80%与管路中水柱分离有关。断流弥合水锤的升压很大，根据有关理论计算，排气不畅引起气爆压力最高可达20一40个大气压，其破坏力相当于静压40一80个大气压，足以破坏任何供水管道。鉴于压力供水系统中水锤事故的普遍性与严重性，在泵站供水系统的工程设计过程中必须考虑并认真研究水锤事故的危险性，分析管线正常运行以及事故停泵过程中的压力变化情况，采取安全、合理、经济的防护措施，保证压力管路的运行安全。

长距离输水工程往往由于不合理的运行操作或工程本身设计考虑不周，使管线发生水锤事故，造成重大损失；或者，因担心水锤事故而盲目选用水锤防护措施，致使事倍功半。因此，设计选择合理的水锤防护措施，使输水管线安全、经济、可靠，是本工程设计的重要内容。

三、水锤计算方法

停泵水锤的计算方法主要分为简易计算法和电算法。

简易计算法：

水锤简易计算方法是将大量的水锤图解计算和电算的成果，绘制成各种图表，计算时直接查阅的方法。由于计算简单，可以很快得出水锤过程中各种最不利的参数。因此，工程上应用十分广泛。主要有阿列维（Allivei）法、魁克（Quick）法、帕马金（Parmakian）算法、刘竹溪算法、富泽清治算法。

电算法；

根据简化水锤方程即数学物理中的波动方程导出的水锤计算连锁方程曾广泛用于计算管道水锤压力，其缺点是不能用于分析复杂管路和复杂边界的水锤，并且不能计入管道摩擦阻力的影响。计算机的飞速发展和应用研究带来了计算上的革命，Gray和Streeter合作首先介绍了用计算机计算管道水锤的特征线法，随后Streeter出版了瞬变流专著奠定了用计算机分析管道水锤的基础。用特征线法计算水锤可分析复杂管路也可处理复杂的边界条件，也可以计入摩擦阻力的影响。

四、常用的水锤防护措施

目前，工程中常用的水锤防护措施可以分为以下几种：利用阀门防护，如缓闭止回阀、两阶段关闭液控蝶阀等；管道补气或补水稳压，防止断流弥合水锤发生，常用的有调压塔、空气罐等；泄水降压，如设置旁通管、水锤消除器等；增大水泵机组的转动惯量，防止停泵时水流压力、流速的剧降，如在水泵机组主轴上增设惯性飞轮。

通过优化管线的布置形式，增加水锤防护措施等方面对水锤进行充分的防护设计。

1）加强泵房底板用地锚钢筋锚固设备基础， 对水泵的稳定性起着很重要的作用。

2）设缓闭止回闸阀其目的是为了减少由于止回阀关闭过快而产生的水锤压力。关闭过程中， 先快速关闭70 % 左右；既留有回流泄压通导，又可避免大量回水使水泵快速倒转； 然后依靠阀体侧设置的摆动式变阻尼油缸，控制其余30 %再缓慢关闭，以免发生较大的关阀水锤。

3）安全阀当水锤压力超过安全阀规定压力时， 安全阀自动打开向外泄水，使水锤压力限制在一定的限度内。由于安全阀口径只有100mm，泄水开度受到限制，因此在每根管道上设三个安全阀同时泄水，以保证个别安全阀失效时不致发生事故。

4）加大设备及承压管道的强度在泵房承受水锤的关键设备的抗压等级。

5）通过经济技术经济比较适当增加管道直径和壁厚。

6）在管路上设置自动排进气阀和调压水箱。

7）在泵站内设置旁通管和水锤消除器。

8）优化管路设计，尽量垂直于等高线布置并布置在压坡线以下。

参考文献：

[1] 给水排水设计手册（第二版）.第3册城镇给水.上海市政工程设计研究院主编.中国建筑工业出版社

[2] 停泵水锤及其防护（第二版）.金锥等. 中国建筑工业出版社