消除長距離輸水管道水錘壓力的措施

周澤陽(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710065)

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消除長距離輸水管道水錘壓力的措施

周澤陽
(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710065)

【摘 要】近年來我國城市建設(shè)發(fā)展迅速,水利工程建設(shè)也越來越多。特別是城市地下輸水管路工程,所鋪設(shè)的輸水管道較長。這種長距離輸水管路很容易產(chǎn)生水錘壓力,對(duì)鋪設(shè)的管路產(chǎn)生強(qiáng)大的壓強(qiáng),損壞輸水管路設(shè)備。由于近年來水利工程爆管事故頻發(fā),對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大損失,因此這應(yīng)該引起技術(shù)工程人員的高度重視。我們應(yīng)該分析水錘壓力的產(chǎn)生原因,采取合理措施消減水錘壓力,保護(hù)輸水管路設(shè)備。這方面的課題研究對(duì)保證水利工程的安全性和可靠性具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】長距離 輸水管道 防水錘

由于我國特殊的氣候條件和地理環(huán)境的不同，導(dǎo)致我國水資源分布嚴(yán)重不均。這就需要進(jìn)行長距離的輸水工程來緩解水資源匱乏引起的問題。我們選擇管道輸水的方式，是因?yàn)檫@種輸水方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如施工成本低，對(duì)環(huán)境要求不高，施工作業(yè)方便快捷等。但是，在長距離的輸水過程中都普遍存在一個(gè)問題，就是水錘壓力。它的產(chǎn)生嚴(yán)重影響著輸水工程的質(zhì)量安全，這里我們將詳細(xì)進(jìn)行分析。

1 水錘產(chǎn)生的原因及破壞形式

水錘的產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上主要是水流在管道內(nèi)的流速發(fā)生變化造成的。由于水流具有慣性和可壓縮性，在流動(dòng)過程中水流速度發(fā)生變化就會(huì)引起水體的總動(dòng)量發(fā)生急劇變化，這部分變化就會(huì)用力的形式作用于輸水管路內(nèi)壁上，對(duì)輸水管路產(chǎn)生極大的撞擊力，損壞輸水管路。水錘的破壞力極強(qiáng)，是工程最大的安全隱患，因此在長距離的輸水工程中，一定要考慮如何消減，水錘壓力，采取有效的防護(hù)措施。只有這方面做好了，才能保證輸水工程的安全有效運(yùn)行，保證人民的生命財(cái)產(chǎn)不受損失。在水錘引起的輸水工程安全事故中，由負(fù)壓引起的水錘破壞是泵站系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)的。為此，我們要著重考慮這方面的問題，把水錘壓力消減到安全可控的安全范圍之內(nèi)。

除了管路內(nèi)水流速度發(fā)生急劇變化能產(chǎn)生水錘外，還有另一個(gè)原因，就是輸水管道內(nèi)有空氣。空氣在管道內(nèi)占用了一部分空間，當(dāng)內(nèi)部壓力突然發(fā)生變化時(shí)，空氣柱受到擠壓會(huì)急劇膨脹，這時(shí)候空氣柱會(huì)推動(dòng)管道內(nèi)水體流動(dòng)，形成氣推水、水推氣的現(xiàn)象，這就是水錘。由于氣體受力壓縮后，釋放時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的力，因此這種水錘的破壞力很大，我們要想辦法盡量消除它。特別是在第一次試水的時(shí)候，一定要先將空氣排出，排完氣后才能充水。

水錘在輸水工程中的破壞形式主要表現(xiàn)為水錘壓力過高，導(dǎo)致水泵、閥門和輸水管道被破壞；或者是水錘壓力過低，引起輸水管道失去平衡而被破壞。這兩種情況都嚴(yán)重影響輸水工程質(zhì)量，破壞水泵機(jī)組的零部件。比如水泵反轉(zhuǎn)速過高或與水泵機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速相重合，以及突然停止反轉(zhuǎn)過程或電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)，從而引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永久變形，水泵機(jī)組的劇烈振動(dòng)和聯(lián)結(jié)軸的斷裂。另外水泵的倒流量過大會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)壓力下降，水量減小，影響正常供水。

2 水錘的防護(hù)措施

2.1 沿線管道縱向設(shè)計(jì)的水錘防護(hù)

只要是通過水泵打壓的方式進(jìn)行輸水的，在輸水管道內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生水錘。特別是長距離的輸水運(yùn)輸中，管道內(nèi)的水體流速經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。水流速度的改變也必然會(huì)引起管道內(nèi)壓力的大小變化，這就決定了水錘是不可能完全消除的。我們可以做的，就是盡量消弱管道內(nèi)部的這種壓力的極具變化，從而消減水錘的破壞性。在實(shí)際的輸水過程中，輸水管道內(nèi)是水氣兩相流，它們混合在一起一塊運(yùn)行。而氣體的存在更有利于形成水錘，這是我們所不希望的。因此，我們要結(jié)合輸水管道的縱向布置情況，在每個(gè)較緩的駝峰處布置排氣閥。最好在工程施工初期就研究計(jì)算好不同工況下的水流狀態(tài)，為以后安裝排氣閥做好準(zhǔn)備。在鋪設(shè)輸水管道時(shí)，水平段的排氣問題尤為重要。這里沒有先天的駝峰地勢，沒有制高點(diǎn)安裝排氣閥。因此，在施工時(shí)要人為的把管線布置成隔一段設(shè)置一個(gè)高點(diǎn)，用來安裝排氣閥。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，水平段應(yīng)該每隔600～1000m的距離設(shè)置一個(gè)排氣閥。另外，由于水在管路內(nèi)的狀態(tài)十分復(fù)雜，因此排氣閥的選擇和安裝非常重要，它直接影響管路內(nèi)的排氣情況。由于水流流態(tài)的復(fù)雜性，也就造成了排氣的困難，因此不但要確定排氣閥的合理數(shù)量，合適位置，還要對(duì)排氣閥種類和性能高度重視。

2.2 停泵水錘防護(hù)分析

停泵時(shí)管路內(nèi)水體流速發(fā)生極大變化，產(chǎn)生的水錘破壞力非常強(qiáng)，對(duì)水泵站和整個(gè)輸水系統(tǒng)危害很大，并非常有可能引發(fā)安全事故。所以說，對(duì)停泵水錘的防護(hù)一定要做到位，全面考慮，根據(jù)實(shí)際情況制定具體有效的防護(hù)措施來消除或者降低停泵水錘。

(1)減壓閥恒壓閥防護(hù)。減壓閥的優(yōu)點(diǎn)是它能有效消減水錘的破壞，缺點(diǎn)是輸水管道完全放空，再次啟動(dòng)充水時(shí)非常困難，用時(shí)較長，并且具有一定的危險(xiǎn)性；恒壓閥的優(yōu)點(diǎn)是始終保持管道滿管水流，再次運(yùn)行時(shí)打開閥門即可，非常方便，但易產(chǎn)生關(guān)閥水錘。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)多采用關(guān)閉下游出口閥的方法。

(2)緩閉蝶閥防護(hù)。消減關(guān)閥水錘最簡單有效的方法是延長閥門關(guān)閉時(shí)間，減緩水體流速的突然改變，讓管道內(nèi)壓力平穩(wěn)變化。這些方法包括：采用雙速閥門；在閥門處布置旁通管；對(duì)閥門最后15%-20%開度提供緩沖保護(hù)；在某些情況下，可以考慮安裝進(jìn)氣閥或液壓氣室。這種延長閥門打開和關(guān)閉時(shí)間的方法對(duì)大型閥門來說是簡單易行的。對(duì)長管道的水錘危害問題應(yīng)進(jìn)行專門研究，綜合采用多種手段，也許可能開發(fā)出某些特種閥類產(chǎn)品。

2.3 分段減壓消能

在長距離的輸水管道中，由于管道的長度很長，每一段的壓力變化都不相同，因此要進(jìn)行分段減壓才能夠有效消除水錘。具體方法是：按照工程所鋪設(shè)的管道長度，將其截取成若干個(gè)不連續(xù)的部分，在每個(gè)管道的末端都安裝閘閥和消能設(shè)備，通過減壓設(shè)施的調(diào)節(jié)，可以有效保證各段管道所承受的壓差不會(huì)過大，這樣很大程度上消減了水錘的壓力，進(jìn)而減弱了水錘對(duì)輸水管道的損害。比如在萬家寨引黃工程的聯(lián)接段，就是將整個(gè)輸水管線劃分為三個(gè)區(qū)段，使得每段管道的最大工作壓力不超過1MPa。

3 結(jié)語

綜上所述，輸水工程的主要投資集中在輸水管道和泵房機(jī)組上。而輸水過程中產(chǎn)生的水錘對(duì)這兩方面的影響極大，控制不好很容易損壞輸水設(shè)備，造成經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生供水事故。因此，在長距離輸水管道工程設(shè)計(jì)中，一定要全面考慮，采取安全可靠的措施來消減水錘壓力、去除安全隱患。對(duì)于輸水工程水錘的防治是沒有終點(diǎn)的，是需要所有技術(shù)人員和水利工作人員的不斷努力，提高自身知識(shí)水平，積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，努力提高實(shí)踐作業(yè)效率，保證長距離輸水工程的順利開展。

參考文獻(xiàn):

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