農村供水管網工程中水錘現象的探討研究

李軍

新疆建筑科學研究院有限責任公司（石河子分院）

農村供水管網工程中水錘現象的探討研究

李軍

新疆建筑科學研究院有限責任公司（石河子分院）

文章主要論述了農村供水管網工程中水錘現象，探討了工程設計中水錘壓力的危害性和具體防護措施，對于工程建設具有重要意義。

管網工程 水錘現象 探討研究

水錘是在突然停電或者在閥門關閉太快時,由于壓力水流的慣性,產生水流沖擊波,就象錘子敲打一樣,所以叫水錘。針對農村供水管網壓力輸水工程特點,水錘計算是一項重要的工作。由于長距離輸水工程管線長,管道起伏大,要求輸水保證率高,因此工程的安全運行問題越來越受到科研、設計、施工及運行管理人員的重視。

本文對農村供水管網壓力輸水工程的水錘防護措施進行了分析，優化了長距離有壓重力輸水工程防護水錘的蝶閥關閉過程，提出了空氣閥組概念。水錘分析表明,采用空氣閥組和兩階段關閉蝶閥聯合作用可有效地防護長距離加壓輸水工程中水錘危害。

一、農村供水管網中的水錘現象

水流沖擊波來回產生的力，有時會很大，從而破壞閥門和水泵。“水錘效應”是指在水管內部，管內壁光滑，水流動自如。當打開的閥門突然關閉，水流對閥門及管壁，主要是閥門會產生一個壓力。由于管壁光滑，后續水流在慣性的作用下，迅速達到最大，并產生破壞作用，這就是水利學當中的“水錘效應”，也就是正水錘。在農村供水管道建設中都要考慮這一因素。相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產生水錘，叫負水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大。電動水泵合電壓起動時，在不到 1秒的時間內，即可從靜止狀態加速到額定轉速，管道內的流量則從零增加到額定流量。由于流體具有動量和一定程度的可壓縮性，所以，流量的急劇變化將在管道內引起壓強過高或過低的沖擊，以及出現“空化”現象。 壓力的沖擊將使管壁受力而產生噪聲，猶如錘子敲擊管子一般，稱為“水錘效應”。水錘效應只和水本身的慣性有關系，和水泵沒有關系。

由于突然開啟和關閉閥門所產生的水錘壓力往往較大，一般可達正常壓力的 1.3～1.4倍或更大，對供水管道和閥門的破壞性極強，甚至出現水柱斷裂現象，造成的后果無法估量。因此，對于工程中長距離、高落差、大口徑的輸水管線，水錘分析就成了工程安全防護設備選型的主要依據。

水錘發生的原因有以下幾點：

1.啟泵、停泵、用啟閉閥門或改變水泵轉速、葉片角度調節流量時；尤其在迅速操作、使水流速度發生急劇變化的情況。

2.事故停泵，即運行中的水泵動力突然中斷時停泵。較多見的是配電系統故障、誤操作、雷擊等情況下的突然停泵。

3.閥門突然開啟或關閉。

4.單管向高處輸水（供水地形高差超過20米）。

5.水泵總揚程（或工作壓力）大。

6.輸水管道中水流速度過大。

7.輸水管道過長，且地形變化大。

水錘破壞主要的表現形式有：

1.水錘壓力過高，引起水泵、閥門和管道破壞；或水錘壓力過低，管道因失 穩而破壞。

2.水泵反轉速過高或與水泵機組的臨界轉速相重合，以及突然停止反轉過程 或電動機再啟動，從而引起電動機轉子的永久變形，水泵機組的劇烈振動和聯結軸的斷裂。

3.水泵倒流量過大，引起管網壓力下降，水量減小，影響正常供水。

二、管網中水錘壓力的特性和危害

1.水錘特性 .

(1)水錘壓力實際上是由于水流速度變化而產生的慣性力。當突然啟閉閥門時，由于啟閉時間短、流量變化快，因而水錘壓力往往較大，而且整個變化過程是較快的。

(2)由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水錘壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。注：水錘波在管中傳播一個來回的時間 tr=2L／a，之為相兩個相為一個周期2tr=T=2L／a。

(3)水錘波同其它彈性波一樣，在波的傳播過程中，在外部條件發生變化處(即邊界處)均要發生波的反射。其反射特性(指反射波的數值及方向)決定于邊界處的物理特性。

2.水錘的危害

水錘引起的壓強升高，可達管道正常工作壓強的幾倍，甚至幾十倍。這種大幅度的壓強波動，造成的危害有：

(1)壓強升高過大，引起管道強烈振動，管道接頭斷開，破壞閥門，嚴重的造成管道爆管；

(2)引起水泵反轉，破壞泵房內設備或管道，嚴重的造成泵房淹沒；

(3)造成人身傷亡等重大事故，影響生產和生活。

三、水錘壓力的預防措施

利用計算機數值模擬計算水錘壓力，可以提供管路內水壓力分布狀況，即最大水錘壓力上升值、最低壓力線，校核設計方案的合理性，提出供水系統壓力管路安全防護的最優關閉行程和安全運行的保護措施。利用計算機數值模擬計算水錘壓力不但能縮短供水工程設計周期，降低試驗費用，而且可為供水工程安全運行和優化設計方案提供技術依據。一般情況下，取快關時間等于或接近于正轉正流水泵工況達到流量為零的時間，慢關時間約為快關時間的1.4～1.7倍。

預防水錘壓力有以下幾種措施：

1.離心泵、混流泵應在閥門關至15％～30％時而不是全關時停泵，這樣可以 降低水泵出口壓力，防止水泵振動及延長閥門使用壽命。對于軸流泵在泵出口一 般不應設閥門。排除管道空氣，使管道充滿水后再開啟水泵。

2.進排氣閥、安全閥的使用。

凡是長距離輸水管道的隆起處各點應設置自動排氣閥或設置充水設施。

一般采取技術工程措施加以防護，在水泵出口處設置水錘消除器、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。進排氣閥門或者超壓泄壓閥門的選用及數量，按照相關規范要求選取即可實現。

排氣閥的設置：管道初次輸水時，管道內存有空氣，管道運行時，實際上是水汽兩相流。因此在長距離輸水管道設計時，必須重視排氣閥的設置，其數量應根據沿線地形、地質情況，合理確定管道的縱向布置，一般認為每隔一定距離布置成一個高點，在駝峰處布設排氣閥，防止管道的氣蝕和振動，以影響管道輸水及安全。

3.緩閉蝶閥防護在系統中的使用

在管網系統運行中，必須配置一定數量的進排氣閥門或者超壓泄壓閥門聯合防護才有可能實現系統運行的安全。緩閉止回閥、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。

4.通過水錘計算，停泵水錘的大小主要與泵房的幾何揚程有關，幾何揚程愈高，停泵水錘值也愈大。因此，應根據當地實際情況選用合理的水泵揚程。

5.管道工作壓力的選擇

農村供水輸水管道各段工作壓力不同，管道進口（泵站出口）壓力最大，管道出口壓力最小，并受地形起伏的影響。設計過程中應根據工程具體情況計算出管道沿線的工作壓力，包括水錘壓力和檢修情況，以選擇管材壓力值。設計中盡量縮短管路長度，限制管道內流速在2.5～3米／秒。

6.嚴格系統運行操作規程

為保證運行安全，灌水時一定要按輪灌順序進行工作，以防系統內壓力不均而影響灌水均勻甚至破壞系統，且應盡量延長關閉閥門的時間。只要嚴格按照操作規程工作，不會產生水錘壓力破壞。

7.安裝泄壓保護閥，該設備安裝在管道的任何位置，和水錘消除器工作原理一樣，只是設定的動作壓力是高壓，當管路中壓力高于設定保護值時，排水口會自動打開泄壓。為了滿足城鄉人民的正常生產和生活用水需求，減少供水管網及設施的維修費用，降低供水管網壓力低造成的社會影響，預防供水事故的發生，認識及消除不安全隱患，是非常有必要的。

綜上所述，管道的水錘壓力計算在微灌設計中占有重要的位置，尤其是與管道的保護設施的具體安裝位置密切相關。因而分析水錘現象對管網工程具有很好的實際工程意義。

[1]李遠華.節水灌溉理論與技術[M].武漢水利電力大學出版社，1998.