紹興民用建筑水擊破壞研究

1 引言

1.1 研究背景

2013年區啟升[1]等人就先導式水擊泄壓閥在華南管網遇到的問題進行了分析，并對先導式水擊泄壓閥進行了介紹，隨后還列舉了一些華南管網中先導式水擊泄壓閥出現的失效情況，還對閥門提出了改進建議。所以這引起了人們對水擊泄壓閥的關注，所以對于水機破壞的研究顯得重要起來。

1.2 研究的目的及意義

本課題以解決紹興當地水擊破壞問題為基本目的，既可以說是一個環保類的課題，因為研究的成果可減少水擊破壞帶來的噪音對紹興環境的影響。對于紹興民用建筑的水擊破壞的研究的意義有三:減少水擊破壞帶來的噪音;提高水擊預防閥的技術;采取水擊預防的措施，合理布置供水管道系統。

2 水機破壞的研究現狀

蘭景玲等人對長距離多起伏輸水管道水錘防護進行了研究，并對在實際工程中，根據輸水系統的實際特點，設計合理、有效、經濟的水錘防護措施進行了探索。

3 水擊的概念

水擊又稱水錘:水(或其他液體)輸送過程中，由于閥門突然開啟或關閉、水泵突然停車、驟然啟閉導葉等原因，使流速發生突然變化，同時壓強產生大幅度波動的現象。水錘效應是一種形象的說法。它是指給水泵在起動和停車時，水流沖擊管道，產生的一種嚴重水擊。由于在水管內部，管內壁是光滑的，水流動自如。當打開的閥門突然關閉或給水泵停車，水流對閥門及管壁，主要是閥門或泵會產生一個壓力。由于管壁光滑，后續水流在慣性的作用下，水力迅速達到最大，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。相反，關閉的閥門在突然打開或給水泵啟動后，也會產生水錘，叫負水錘，但沒有前者大。

4 產生水擊破壞的原因研究

有壓管道中，液體流速發生急劇變化所引起的壓強大幅度波動的現象。管道系統中閘門急劇啟閉，輸水管水泵突然停機，水輪機啟閉導水葉，室內衛生用具關閉水龍頭，都會產生水擊。

水擊可導致管道系統的強烈震動，間接水擊的計算需要知道流速隨時間變化的關系，產生噪聲和氣穴。掌握水擊壓強的變化規律對輸水管道的設計，對消減水擊的破壞作用，有很大的實際意義。水擊的基本問題是最大壓強的計算，最大壓強一般出現在發射波斷面(如閥門處)。

水擊事故的現象及產生原因:(1)鍋爐局部汽化引起的水擊事故，在爐外可聽到撞擊聲，嚴重時產生水擊的爐管劇烈抖動;(2)蒸汽竄入供水管產生水擊時，可聽到熱水引出管內有汽水撞擊聲，有時熱水引出管有振動現象。蒸汽竄入供水管多在以下二種情況下發生:①熱水引出管結構或布置位置不當;②鍋爐運行中水位控制不當，水位過低;(3)由于停電或突然停泵發生水擊事故時，系統回水管的壓力大幅度上升，而水泵出口處壓力大幅度下降;(4)運輸管道過長，導致壓力波的傳播時間過長，形成水擊現象。

5 預防(消除)水擊破壞的措施研究

5.1 泄壓保護

(1)氣壓罐:氣壓罐會根據管路中的壓力變化而自動調整壓力。壓力過低時自動向管道中補水進行增壓;壓力過高時自動吸收管路中的過高壓力進行泄壓。(2)水錘消除器:水錘消除器主要防止管道泵的停泵水錘，當管路中壓力高于設定(高壓)值時，會自動排水進行泄壓，以此來平衡局部管道的壓力。(3)泄壓保護閥:泄壓保護閥工作原理和水錘消除器相同，當管路中壓力高于設定值時，會自動排水進行泄壓。

5.2 流速控制

(1)控制水流流速:應對管道內水流流速進項相應的控制。當DN≤40mm時，流速應當控制在0.6-1.0m/s之間，當DN＞40mm時，流速應當控制在1.0-1.2m/s之間。(2)水力控制閥:水力控制閥利用管道泵出口與供水管網的壓力差實現自動啟閉，通過活塞缸或膜片室來減緩閥板關閉速度，從而減少水錘發生的可能性。(3)快閉式止回閥:快閉式止回閥在快閉閥板前采用導流結構，停泵時，閥板同時關閉，依靠快閉閥板支撐住回流水柱，使其沒有沖擊位移，從而避免產生停泵水錘。

5.3 空氣閥

空氣閥是一種用于防止管道泵停泵水錘過程中產生負壓的特殊閥門，當管網內壓力過低時吸入空氣，而當管道中壓力過高時排出空氣。空氣閥不允許液體泄入大氣，在排除空氣時具有自動關閉的功能。

5.4 鎮墩防護

使用大體積素混凝土構件作為鎮墩，其主要作用是依靠自身重力保持管道的穩定性，這也是一種成本低，效果好的防護措施，得到的應用也最為廣泛。

5.5 逆止閥與旁通管聯合防護法

采用逆止閥與旁通管聯合防護的方法，要將旁通管管徑控制停泵后的倒轉轉速確定下來，也可以將逆止閥、旁通管與蝶閥進行配套應用，即使將逆止閥關閉，由于設置有旁通管，所以倒流并未被完全切斷，倒流穩定后，再用蝶閥把出水管道勻速關閉，此時倒流流量只有水泵額定流量的五分之一到三分之一，所以不會導致水管路出現大的壓力波動。[2]

此外，還有一些其他的防護和消除措施，這里不一一列出。

6 存在的問題及研究趨勢

現在紹興的民用建筑還是多以水擊預防閥來消除實際破壞，但是近些年市面上的水擊預防閥大多造價昂貴。所以對于水擊預防閥的造價、性能等方面還有諸多問題需要有待研究。現在也有很多學者從優化管道系統方面研究，希望從這方面來減小水擊破壞。胡祥偉，胡明[3]等人對調壓室連接管尺寸對水擊壓力的影響的研究，這對水擊破壞的研究也提供了一些方向。

7 紹興水擊破壞的結論及建議

通過調查發現，現在造成紹興民用建筑水擊現象主要在于一些高層建筑里，由于高差很大，導致水壓過大，造成的水機破壞。還有就是出現蒸汽系統中，在蒸汽系統發生水擊時，系統內會產生很多刺耳的噪音甚至是震動。綜上所述，對紹興民用建筑消除水擊破壞的建議有:(1)適當加大紹興民用建筑的輸水管管徑，限制管道流速。一般在液壓系統中把速度控制在4.5m/s以內，△P不超過5MPa就可以認為是安全的;(2)可以適當縮短管長，以減小壓力沖擊波的傳播時間;(3)根據紹興當地情況正確設計閥口或設置制動裝置，使運動部件制動時速度變化比較均勻;(4)延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間，可采用換向時間可調的換向閥;(5)在容易發生液壓沖擊的部位采用橡膠軟管或設置蓄能器，以吸收沖擊壓力;也可以在這些部位安裝水擊預防閥，以限制壓力升高。

[1]區啟升.先導式水擊泄壓閥在華南管網遇到的問題分析[J].化工管理，2013，2.

[2]劉競艷.農村飲水安全工程中提水管道水錘水擊的分析與控制[J].吉林農業，2013，4.

[3]胡祥偉，胡明.調壓室連接管尺寸對水位波動和水擊壓力的影響分析[J].水電能源科學，2013，4.