長距離壓力輸水管道水錘防護技術(shù)研究

董 茹，張偉東，閆 朝

(1.榆林學院 建筑工程學院，陜西 榆林 719000；2.中煤陜西榆林能源化工有限公司公用工程中心，陜西 榆林 719000；3.榆林市水利工程建設(shè)中心，陜西 榆林 719000)

隨著我國用水量的加劇，大型長距離輸水管道成為當前輸水的主要形式。在此背景下，由長距離壓力輸水管道水錘而引發(fā)的安全事故也在不斷頻繁，水錘防護成為當前工程人員及國家重點關(guān)注問題，特別是其中斷流彌合水錘這一防護問題，嚴重困擾著相關(guān)研究人員[1]。據(jù)目前情形來看，相關(guān)部門雖然在水錘防護問題方面已有所改善，但斷流彌合水錘這一危害極為嚴重的防護工作卻仍存在許多問題，如認識不到位、方式不合理等[2]，從而導(dǎo)致這種危害性極高的水錘問題嚴重威脅著用水安全及操作人員的生命安全。為此，本文圍繞當前長距離壓力輸水管道水錘防護現(xiàn)狀，對該防護問題的有效對策進行研究。

1 水錘概述

(1)水錘的定義。水錘是一種出現(xiàn)于水或其他液體在輸送過程中，由流體速度發(fā)生劇變產(chǎn)生的壓力而造成的水力撞擊現(xiàn)象，因此也被稱作為水擊[3]。從實質(zhì)上來講，水錘現(xiàn)象其實就是兩種不同運動狀態(tài)在形成對立統(tǒng)一時，“水”這一液體充分發(fā)揮了其可壓縮性及慣性兩大顯著特征，使水力在運動狀態(tài)中迅速達到最大，從而產(chǎn)生破壞作用。

(2)水錘的危害。水錘發(fā)生時雖然持續(xù)時間通常較短，但其造成的危害卻無法估計，特別是在水錘發(fā)生伴有水柱分離時，帶來的破壞力更加嚴重。若在輸水管路中出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，將會使該管道內(nèi)壓強迅速升高，從而帶來以下危害：①輸水管道被高壓所影響開始出現(xiàn)強烈，管道接口處由于無法承受高壓而斷開，從而使閥門遭到破壞。在此情況下，管道接口若是未斷開，輸水管最終將出現(xiàn)爆管事故。②水錘將會使正常的水泵出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，從而使泵房內(nèi)的設(shè)備及管道遭到破壞，最終導(dǎo)致管道內(nèi)水源淹沒泵房。③輸水管道在水流與氣壓的雙重逼迫下，有可能會出現(xiàn)管道爆炸現(xiàn)象。此現(xiàn)象一旦發(fā)生，輕者影響人們生產(chǎn)及生活用戶，重則造成操作人員的傷亡。由此看出，水錘帶來的危害比想像中更為嚴重，當務(wù)之急還需加強對水錘防護對策的研究。

2 長距離壓力輸水管道存在的問題

(1)斷流彌合水錘問題。在揚水泵站及是重力流輸水工程的長距離壓力輸水管道中，最為嚴重的就是伴有水柱分離的水錘現(xiàn)象，也就是斷流彌合水錘。在長距離壓力輸水管道中，氣體通常以氣囊的形式存在其中，當管道流量調(diào)節(jié)過快或突然停泵時，管道內(nèi)壓力驟降將會使液體與氣囊發(fā)生劇烈震蕩，從而引起較大的水柱撞擊升壓，造成斷流彌合水錘[4]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計顯示，當前我國長距離壓力輸水管道中，由氣囊引起的斷流水錘升壓最高可形成400 m水柱。同時，這種水錘現(xiàn)象升壓十分迅速，能夠在水錘形成的1 s內(nèi)升至最高值。因此，斷流彌合水錘的防護是當前長距離壓力輸水水錘防護工作重點研究問題。

(2)現(xiàn)有的解決對策。當前，長距離壓力輸水管道水錘防護在針對斷流彌合水錘問題時，主要采用2種途徑進行解決：①相關(guān)部門認為，若長距離壓力輸水管道具有較強的排氣功能時，僅通過將管內(nèi)氣體全部排除在外，就能避免出現(xiàn)由氣體與水流形成壓力撞擊的斷流彌合水錘。在此錯誤認知的影響下，相關(guān)部門開始采用排氣閥排氣的方式來進行水錘防護。這種方式雖能夠取得一定的減壓作用，但若是發(fā)生突然停泵情況時，就需要利用單向調(diào)壓塔來對排氣閥的排氣工作進行輔助，從而使水錘防護成本劇增。因此，排氣閥并不是一種直接對水錘進行防護的方法，而是可用于特殊管道或者特殊點上進行水錘防護。②借助能夠吸收水錘升壓波的相關(guān)設(shè)備進行防護工作，如穩(wěn)壓吸壓裝置、氣壓罐等。這種方式具有一定的適用范圍局限性，并不適合應(yīng)用于斷流彌合水錘防護工作中。

3 長距離壓力輸水管道水錘問題解決對策

根據(jù)以上分析可以看出，當前長距離壓力輸水管道水錘防護工作缺乏有效性。基于此，筆者認為應(yīng)從以下幾點進行防護。

3.1 構(gòu)建水量控制模型，加強對水量的控制

要減少水錘的危害，首先是要加強對輸水管道的水流量控制，進而通過對流量的控制，減小水柱壓力。在斷流彌合水錘計算模型方面，目前較為常用的計算模型有3種：①無斷流彌合水錘的計算模型。這種計算模型在水力過渡的過程中，并不將水柱的中斷問題納入模型計算范圍。②定點斷流彌合水錘計算模型。這種計算模型在實際應(yīng)用過程中，需預(yù)先指定出斷流彌合所出現(xiàn)的位置。③斷流彌合水錘計算模型[5]。該計算模型在對斷流彌合水錘的斷流邊界進行處理時，不會受到水錘發(fā)生位置的限制。由此看出，在以上3種斷流彌合水錘計算模型中，無斷流彌合水錘的計算模型與定點斷流彌合水錘計算模型都僅適合應(yīng)用于無斷流的情況。而當出現(xiàn)多處斷流水錘時，斷流彌合水錘計算模型更具有效的實用性。因此，本文將選用斷流彌合水錘計算模型對斷流彌合水錘問題進行計算。

首先根據(jù)彈性水錘理論，以2種方式進行表達：

(1)運動方程為：

(1)

(2)連續(xù)方程為：

(2)

式中，H為管道水頭；V為管中的流速；f為管道摩阻系數(shù)；a為水錘波的傳播速度；α為管路與水平面間夾角；D、g分別管徑、重力加速度；x為水錘傳播距離；t為水錘波傳播時間。

其次采用特征線法求解水錘問題，具體的解決步驟分為3點：①將模型計算過程中無法進行直接求解的流動暫態(tài)偏微分方程式轉(zhuǎn)換為特征線方程；②以對全微分方程組積分的形式計算有限差分方程；③以有限差分方程與管理系統(tǒng)的邊界條件進行運算。根據(jù)以上3個步驟，得出管內(nèi)流動暫態(tài)的特征線方程：

(3)

(4)

3.2 安裝防護設(shè)備

在長距離壓力輸水管道適當位置安裝恒速緩沖排氣閥，作為斷流彌合水錘現(xiàn)象的防護設(shè)備。在具體的安裝過程中，應(yīng)充分吸取相關(guān)工程實際安裝案例的經(jīng)驗。首先，在對較為平坦的農(nóng)業(yè)用長距離壓力輸水管道進行安裝時，應(yīng)將恒速緩沖排氣閥之間的間距設(shè)定為0.5～1.0 km[6]。在對陡坡中的管道進行安裝時，排氣閥僅能設(shè)置在坡頂位置，并且需設(shè)置帶有緩閉功能的排氣閥。在實際設(shè)置過程中，若缺乏帶緩閉裝置的排氣閥時，采用安裝2臺普通排氣法的方式對此進行彌補。其次，排氣閥的口徑應(yīng)設(shè)置為農(nóng)業(yè)用長距離壓力主輸水管道直徑的1/8～1/5。最后，應(yīng)選用性能相對較好的排氣閥，使其在水柱相間的環(huán)境下，還能保持持續(xù)排氣狀態(tài)。由于排氣閥這一產(chǎn)品的特殊性，當前市面上達到合格條件的排氣閥還相對較少，稍不注意就會購買到性能較差的非合格產(chǎn)品，從而給整個農(nóng)業(yè)用長距離壓力輸水管道工程造成難以預(yù)計的后果。

對此，筆者認為可從3方面進行排氣閥的選擇：①求助具備豐富排氣閥安裝經(jīng)驗的設(shè)計院或個人，參照專業(yè)人士給出的意見，結(jié)合實際情況進行排氣閥選擇；②在有條件的情況下，聘請相關(guān)專家加入到防護項目中，對排氣閥的安裝及選擇環(huán)節(jié)進行專題論證；③對排氣閥進行安裝前進行性能測試，根據(jù)測試結(jié)果覺得是否選用。

3.3 設(shè)計技術(shù)要求

3.3.1 排氣閥設(shè)計要求

根據(jù)當前市面上較為常用的排氣閥構(gòu)造來看，若是微量排氣孔直徑在3 mm以上，該排氣閥的排氣性能將無法得到保障。同時，在此情況下，管道內(nèi)的氣囊相對較小，分布于管道頂部的各個部位中，需在管內(nèi)聚集成為一個較大氣囊時才能進行運動，而大氣囊經(jīng)過排氣閥時時間極短，從而使該排氣閥無法對大氣囊產(chǎn)生太大的排氣作用。由此看出，在面對大管徑的管道排氣時，微量排氣閥將無法發(fā)揮作用。排氣閥若在某些管道流態(tài)下無法做到迅速排氣，不僅無法降低管內(nèi)氣壓，反而還會使該管道存氣增多，從而導(dǎo)致輸水管道無法達到預(yù)計輸送流量，情形嚴重還會造成管道爆破事故，威脅操作人員生命安全。因此，在對排氣閥進行設(shè)計時，排氣工作不受任何流態(tài)限制是該設(shè)備應(yīng)具備的基本功能[7-8]。

3.3.2 設(shè)置緩沖開關(guān)

在長距離壓力輸水管道水錘防護的相關(guān)設(shè)計中，加入緩沖開關(guān)這一環(huán)節(jié)，將會在排氣閥完成排氣工作時，對其起到3個方面的作用：①利用緩沖開關(guān)可一定程度上降低水流對排氣閥板的沖擊，避免出現(xiàn)由水流強烈沖擊而影響管道穩(wěn)定運行的情況，延長管道的使用期限；②緩沖開關(guān)可緩解關(guān)閉閥門時造成的沖撞型噪聲，符合當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)遵照的環(huán)保原則；③可降低排氣閥由于關(guān)閉水錘而引起的升壓[9-10]。

4 輸水工程斷流彌合水錘防護實例

4.1 工程基本概況

4.1.1 管線基本情況

輸水管線具體設(shè)計規(guī)模及管線布置為：設(shè)計流量1.273 m3/s，管線全長50.6 km，采用DN1400的PCCP預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。該輸水工程管道全線較長，達50 km，且管線起伏較大，輸水管線采用DN1400的PCCP管，因此本輸水工程 屬于長距離、高揚程、多起伏、大管徑輸水工程。

4.1.2 加壓泵站基本情況

某輸水管線主要為泵站加壓壓力流輸水管線，泵站加壓輸水管線全線僅設(shè)置一級加壓，加壓泵站水泵參數(shù)：站名為七家子泵站，型號為300-710A，臺數(shù)為4臺，電動機轉(zhuǎn)動慣量為100 kg/m2，流量分別為900、1 573、2 000 m3/h，進/出水池水位分別為150.0、232.0 m，揚程分別為140、119、100 m，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，效率分別為65%、83%、70%，軸功率(電機功率)為800 kW，比轉(zhuǎn)速為97.7，1臺備用。

4.1.3 管道縱斷圖及泵站穩(wěn)態(tài)運行壓力

加壓泵站管道縱斷圖及穩(wěn)態(tài)運行壓力如圖1所示。

圖1 加壓泵站管道縱斷圖及穩(wěn)態(tài)運行壓力

4.2 防護方案比選

(1)方案1：只在水泵出口處安裝緩閉止回閥防護方案(圖2)。

圖2 緩閉止回閥防護時水錘壓力線

管路不采取其他防護措施時，水泵出口緩閉止回閥快關(guān)角度為60°時，快關(guān)10、20 s，總關(guān)60、120 s不同快慢關(guān)閥時間組合下管路中水錘最大水頭包絡(luò)線和最小水頭包絡(luò)線壓力的變化情況如圖2所示。

緩閉止回閥快關(guān)60°時不同快慢關(guān)時間下的水錘升壓線可以得出：在不采取其他防護措施，只在水泵出口處安裝緩閉止回閥時，輸水管線全線水柱中斷，水柱再彌合時導(dǎo)致斷流彌合水錘升壓，水泵出口處升壓最高達450 m左右，最大升壓處達600 m，其余管線水錘升壓也均在300 m以上，升壓極高，管道安全運行存在極大隱患，在不同快慢關(guān)閥時間的組合下管線水錘升壓曲線有所波動，但差別不大，且均不能降低水錘升壓。

(2)方案2：緩閉止回閥+緩沖排氣閥防護方案。水泵出口處安裝緩閉止回閥，在0+850 m、1+690 m、2+530 m、3+370 m、5+240 m等樁號處安裝51處緩沖排氣閥。緩沖排氣閥閉合流速為0.3、0.5 m/s，水泵出口處緩閉止回閥快關(guān)角度為60°，緩閉止回閥快關(guān)10、20 s，總關(guān)60、120 s不同組合情況下最大水頭包絡(luò)線和最小水頭包絡(luò)線管道水錘升壓的變化情況如圖3所示。

圖3 緩閉止回閥+緩沖排氣閥防護時水錘壓力線

水泵出口處安裝緩閉止回閥，安裝5處緩沖排氣閥緩沖閉合流速0.3、0.5 m/s緩閉止回閥不同快慢關(guān)時間及角度時水錘壓力線中圖可以得到如下結(jié)論：管道水錘升壓較方案1有所降低，當緩閉止回閥總關(guān)時間為120 s時，水泵出口至樁號8+000 m之間管道壓力降至安全承壓范圍(接近穩(wěn)態(tài)運行壓力)，但其余管道仍水柱中斷并發(fā)生斷流彌合水錘升壓，水錘升壓在400～500 m。

(3)方案3：緩閉止回閥+緩沖排氣閥+箱式雙向調(diào)壓塔防護方案。水泵出口處安裝緩閉止回閥，在水泵出口處、樁號8+300 m、41+500 m處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，管路原樁號處安裝緩沖排氣閥，緩沖排氣閥閉合流速為0.3、0.5 m/s水泵出口處緩閉止回閥快關(guān)角度為60°，緩閉止回閥快關(guān)10、20 s，總關(guān)60、120 s不同組合情況下最大水頭包絡(luò)線和最小水頭包絡(luò)線管道水錘升壓的變化情況如圖4所示。

水泵出口處安裝緩閉止回閥，在水泵出口處、樁號8+300 m、41+500 m處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，安裝緩沖排氣閥，以上為緩沖閉合流速為0.3、0.5m/s，緩閉止回閥快關(guān)10、20 s，快關(guān)角度60°，總關(guān)時間60、120 s的情況下，管道中的水錘最大和最低包絡(luò)線。通過圖4可以看出：①不同緩沖閉合流速下及緩閉止回閥關(guān)閥時間及角度下，所有管段的水錘升壓降低至安全承壓范圍之內(nèi)；②緩沖排氣閥不同的緩沖閉合流速以及水泵出口處緩閉止回閥不同的快慢關(guān)時間和角度，對于管道中的水錘升壓影響不大，管道壓力都符合安全承壓要求，管道中壓力很穩(wěn)定；③方案3采用水泵出口處安裝緩閉止回閥，在水泵出口處、樁號8+300 m、41+500 m處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，安裝51處緩沖排氣閥，采取這些措施，管道中壓力均降至安全承壓范圍之內(nèi)，有效地對突然停泵時的管道水錘升壓進行防護，使管道運行安全穩(wěn)定。因此，建議選用方案3為水錘防護最佳方案，選用該方案中的水錘防護措施進行管道水錘防護。

圖4 緩閉止回閥+緩沖排氣閥+箱式雙向調(diào)壓塔防護時水錘壓力線

5 結(jié)語

本文提出選擇計算模型、安裝防護設(shè)備以及設(shè)計技術(shù)要求，可作為長距離壓力輸水管道斷流彌合水錘防護對策。通過工程實例，應(yīng)用緩閉止回閥+緩沖排氣閥+箱式雙向調(diào)壓塔的防護方案，可將輸水管線的斷流彌合水錘升壓降至管道承壓范圍之內(nèi)，確保了管線的安全運行。筆者認為，以此方式能夠填補當前相關(guān)部門在斷流彌合水錘防護方面的空缺，對長距離壓力輸水管水錘防護工作具有實際意義，可為長距離壓力輸水管道的安全性帶來保障。