BQ供水工程自壓輸水管道水錘防護(hù)措施淺析

黨力群

（陜西省西安水務(wù)（集團(tuán)）李家河水庫管理有限公司，陜西 西安 710061）

0 前言

BQ供水工程利用地形高差，自壓供水，輸水管道為壓力流。輸水管道進(jìn)口沉沙池水位446.2m，管道出口高程398.021m，高差68.179m，管線長12335.42m。采用雙排管，一條備用，兩條管中心距為1.2m。

供水規(guī)模W=2.1×104m3/d，輸水管道設(shè)計(jì)流量Q=1300m3/h=0.361m3/s，管道全線采用DN600 mm預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土輸水管，流速V=1.285m/s。

該輸水管道工程由于管線長，地形高差大，靜水壓力大，為減小管道工作壓力并保證管道安全運(yùn)行，本文結(jié)合工程實(shí)際，對其水錘防護(hù)措施進(jìn)行分析。

1 輸水管道的水力計(jì)算

為了選管材、管徑、壓力及進(jìn)行水錘消除及防護(hù)，管道需要進(jìn)行水力計(jì)算。通常管道壓力的確定，需計(jì)算下面幾種工況壓力，然后采用最大值。

1.1 輸水管道通過設(shè)計(jì)流量時的測管水頭

如前所述，該工程輸水管道設(shè)計(jì)流量Q=0.361m3/s,全線采用DN600mm預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土輸水管。用謝才公式進(jìn)行管道水力計(jì)算，粗糙系數(shù)n=0.013，管道局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)，水力坡降i=0.004013,整個管道總水頭損失hw=49.50m，管末端水頭為18.677m，要求管末端壓力不小于5~10m水頭，結(jié)果偏大。在設(shè)計(jì)流量時大部分管段工作壓力為20～30m水頭，管道壓力偏高，長期作用對管道不利，如與水錘壓力疊加，則壓力更高。

當(dāng)管道輸水流量小于設(shè)計(jì)流量時，則水頭損失減小，壓力更高。

1.2 靜水壓力的計(jì)算

當(dāng)關(guān)閉管道出口閘閥而停止供水時，管道全線要承受靜水壓力，管末端承受最大靜水壓力68.179m水頭。靜水壓力比設(shè)計(jì)流量時動水壓力大的多，管道位置越低越大，這對管道是不利的。

1.3 未采用水錘消除及防護(hù)措施時輸水管道非穩(wěn)定流壓力計(jì)算結(jié)果

（1）直接水錘

如果末端閥門在27 s內(nèi)關(guān)閉，經(jīng)計(jì)算直接水錘升壓值為117m水頭，總壓力為170m水頭。

（2）間接水錘

一般電動閥門在3～5min內(nèi)關(guān)閉，經(jīng)計(jì)算間接水錘升壓值為70m水頭，總壓力為98m水頭。

（3）氣爆型水錘分析

根據(jù)本系統(tǒng)管路走勢，如在最不利點(diǎn)3+800處產(chǎn)生氣爆型水錘，其最大沖擊流速為2.4m/s，最大水錘升壓值為220 m水頭。安裝性能好的排氣閥可完全消除氣爆。

2 輸水管道系統(tǒng)正常運(yùn)行時減壓消能設(shè)計(jì)

2.1 減壓消能方案的確定

由于該輸水管道系統(tǒng)在設(shè)計(jì)狀態(tài)運(yùn)行時，有20～30 m的富余水頭。當(dāng)該輸水管道系統(tǒng)關(guān)閉后靜水壓力還大，超過動水壓力，管道壓力大，既不經(jīng)濟(jì)也不安全，需要減壓。采用合理的消能措施，對保證系統(tǒng)正常運(yùn)行是非常必要的。

目前，水力系統(tǒng)常用的減壓消能方法主要有兩種，即消力池（減壓池）和減壓閥。前者為露天開敞式，占地面積大，管理不便，尤其是與下游流量不好調(diào)節(jié)配合；而減壓閥減壓消能則不增加占地面積，一次調(diào)整后無需管理，與下游流量易調(diào)節(jié)配合，且出水壓力也可根據(jù)需要調(diào)整，造價低于消力池。故本系統(tǒng)減壓消能方案采用減壓閥。

2.2 減壓閥減壓消能設(shè)計(jì)

（1）減壓閥位置確定

根據(jù)該輸水管道的地形情況，管道進(jìn)口端水位為466.2m，先經(jīng)約0.7 km長緩坡，后急降，在4.8 km處管中心標(biāo)高為420m，即4.1 km急降40多m，而后為緩坡地形。兼顧管道設(shè)計(jì)狀態(tài)消能的水錘防護(hù)要求，減壓閥選定位置樁號為3+783，規(guī)格為DN600mm,與輸水管同徑，以便安裝及保持正常的輸水能力。

（2）減壓閥的類型選擇

目前工程上應(yīng)用的減壓閥有比例式減壓閥、活塞式減壓閥、AD減壓閥及減壓恒壓閥等。比例式減壓閥出口壓力不穩(wěn)定且無法根據(jù)需要調(diào)節(jié)，故不適于本工程；活塞式減壓閥過流能力小，水頭損失大，無法保證流量及壓力需要而不宜采用；AD減壓閥一般僅適用于小管徑（DN＜100mm）的輸水管道系統(tǒng)；而減壓恒壓閥適用于大口徑輸水系統(tǒng)的減壓消能，且具有不論流量和進(jìn)口壓力怎樣變化，都能保持出水壓力恒定的特點(diǎn)，且出水壓力可方便地調(diào)整，故最適于本輸水管道系統(tǒng)減壓消能的需要。

但需要特別指出的是，選定減壓閥尤其是規(guī)格大于DN400 mm時，不僅類型不能選錯，而且應(yīng)注意質(zhì)量，個別生產(chǎn)或經(jīng)銷單位的產(chǎn)品，未掌握減壓閥內(nèi)紊流運(yùn)動消能的原理及特性，動閥心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在運(yùn)行中振動劇烈，減壓效果不穩(wěn)定，給系統(tǒng)安全帶來危險，也使閥門使用壽命降低。

（3）安裝減壓閥后輸水管道運(yùn)行水壓的調(diào)節(jié)建議

當(dāng)設(shè)計(jì)流量Q=1300m3/h時，如減壓閥安裝在3+783處，該處管道中心高程為425.41m，則閥前壓力：

設(shè)定閥后壓力h2=15m，則閥后壓力線高程：

管末端中心高程為398.021m，則管末端水壓力：

管末端壓力在5～10m水頭范圍內(nèi)，滿足要求。

當(dāng)管道流量Q=0時，則管道最大靜水壓力在減壓閥進(jìn)口處為466.2-425.41=40.79 m水頭，管道末端出口壓力為440.41-398.021=42.389m水頭。當(dāng)輸水管道流量在0～1300m3/h之間時，管道壓力介于上述兩者之間。

3 輸水管道排氣及防斷流空腔的水錘設(shè)計(jì)

大量工程實(shí)例證明，輸水管道排氣不暢極易產(chǎn)生氣爆型水錘事故，危害極大。技術(shù)上要求輸水管道在一般情況下每隔1.0 km左右設(shè)置一處排氣閥，所以本設(shè)計(jì)在12.3 km長管道上設(shè)11處排氣閥。

此外，分析本系統(tǒng)管道高程情況，如果在最不利3+800處發(fā)生氣爆型水錘，最大沖擊流速可達(dá)220m水頭，因此，本輸水管道排氣通暢對管道安全運(yùn)行是非常重要的。

3.1 各種排氣方案比較

一般輸水管道的排氣方法主要有三種：即排氣豎井、手動排氣閥、自動排氣閥。排氣豎井造價甚高且管理不便，一般工程上很少采用；手動排氣閥造價最低，但單獨(dú)采用極不可靠，工程上僅作為輔助方法；自動排氣閥是工程上最常用也是最科學(xué)的方法，本設(shè)計(jì)經(jīng)分析選定此法，該方案可經(jīng)濟(jì)合理的滿足

管道排氣的需要，并具有防管道氣堵和氣爆型水錘的作用。

3.2 排氣閥結(jié)構(gòu)型式、口徑選擇

目前，國內(nèi)外市場上，主要有三種類型排氣閥：第一種為浮球式排氣閥，第二種為杠桿浮球式排氣閥；第三種為氣缸式排氣閥。浮球式排氣閥結(jié)構(gòu)簡單，為最老式排氣閥，但性能很差，很多輸水管道安裝這種排氣閥后仍造成爆管事故；杠桿浮球式排氣閥，有效排氣口徑較小，一般僅適用于主管道直徑DN≤300mm的情況；氣缸式排氣閥具有良好的排氣功能，有效排氣口徑大，同樣排氣壓力下，其排氣量是前兩種排氣閥的幾十倍，且具緩閉功能，因此本設(shè)計(jì)選用氣缸式排氣閥，其型號為QSP10型全壓高速排氣閥。

根據(jù)有關(guān)技術(shù)資料，排氣閥口徑DN為管道直徑的1/5～1/8，本設(shè)計(jì)取1/6，排氣閥口徑定為DN100mm。

4 充實(shí)水柱關(guān)閥水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

由于本輸水管道末端依靠電動蝶閥調(diào)節(jié)水量及關(guān)閉與開啟，電動蝶閥一般關(guān)閥速度較快，且由于蝶閥關(guān)閉角度與其阻力系數(shù)是非線性的，本輸水系統(tǒng)閥門關(guān)閉至65°前流量變化很小，而主要截流作用將發(fā)生在65°～80°的15°角范圍內(nèi)，如果調(diào)解流量操作不當(dāng)，易發(fā)生快速關(guān)閥水錘，其升壓值可能超過管道承壓能力而使管道爆裂。

為保護(hù)管道安全，消減快速關(guān)閥產(chǎn)生的水錘壓力峰值，本設(shè)計(jì)采用三處安裝超壓泄壓閥進(jìn)行保護(hù)，其位置如下：3+8009、9+486.68、11+516.72，規(guī)格為DN150mm。其釋放壓力分別整定為 0.54 MPa、0.40 MPa、0.42 MPa，可保證壓力峰值不超過0.55MPa，對管道安全運(yùn)行有較可靠的保護(hù)作用。

5 結(jié)語

本工程利用水庫地形高差，采用自壓自流供水，輸水管道為有壓流。由于輸水管線長，靜水壓力大及水錘壓力大，故采用下面減壓及水錘防護(hù)措施，以減小管道工作壓力，并保障管道的安全運(yùn)行。

（1）在樁號3+783處安裝減壓恒壓閥。

（2）輸水管道每1km安裝1臺雙口氣缸式進(jìn)排氣閥。

（3）為消減塊速關(guān)閥產(chǎn)生的水錘壓力，本工程在樁號3+800、9+486.68、11+516.72處安裝超壓泄壓閥，以保證壓力峰值不超過0.55MPa。

該工程2002年投入運(yùn)行至今，管道安全未出現(xiàn)問題，說明上述防護(hù)措施是有效的。