長距離輸水管道出現水錘現象的原因及解決對策研究

王仁江

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽 110036）

0.引言

根據工程實際地形情況，一般情況下，長距離輸水管線輸水方式可選擇重力流和泵送流兩種。通常在工程條件允許的情況下優先選擇重力流輸水方式。但當管線上的閥門關閉操作不當或出現水錘造成爆管事故。泵送流輸水方式是通過泵站加壓的方式輸水，此類管線運行涉及水泵加壓，事故停泵時導致水錘波疊加引發重大爆管事故。因此，大口徑重力流、泵送流混合的長距離輸水管線更為復雜，一旦產生水錘現象引發爆管事故，將導致全線停運中斷供水，且搶修工作困難，搶修周期長，會帶來重大損失。為預防爆管事故的發生，需有針對性地做好防護措施，因此管道薄弱段分析研究至關重要。

文章以某大口徑重力泵送流混合長距離輸水做為供水企業應保證安全、優質、經濟的水源服務于用水戶。在城市化發展的過程中，城市人口數量激增，對城市供水系統施加不小的壓力。在此過程中，爆管現象逐漸增多，無法滿足城市居民對水資源的使用需求，也造成嚴重的水資源浪費問題。因此，當下有必要深入分析城市管道工程的水錘現象，掌握水錘現象出現的原因，在此基礎上選擇預防與控制方法。

1.水錘現象出現原因分析

水錘現象主要誘因為水流在管道內流速出現巨大變化所致，水流擁有可壓縮性與慣性，如果水流在運動中流速出現較大變化，對水體總量形成影響，導致水體總量在短時間內急劇變化，變化部分產生的動能沖擊輸水管內壁，致使輸水管路形狀發生變化。水錘擁有較強的破壞力，就目前輸水管材質對外力的承受能力，難以抵消水錘產生的力，破壞輸水管結構，為工程埋下較大的隱患。對于長距離輸水工程，需要考慮水錘現場，提前選擇防御方法，消除水錘壓力，保護輸水管，其為輸水工程穩定、安全運行的重要保障。經過統計長距離輸水工程出現水錘現象的概率較大，施工單位有必要加強對水錘預防工作的重視程度，需要改變傳統觀念，基于工程數據進行安全設計，確保輸水管工程安全、可靠運行。分析過往工程案例，發現泵站系統容易出現水錘問題，其主要由負壓引起，對輸水工程會形成較大的安全威脅。對于長距離輸水工程，應該鎖定容易出現水錘的部位，在重點部位防御的方式下，消除水錘威脅，為輸水工程運行提供良好的條件[1]。

輸水管內部有一定量的空氣，空氣會占用管道內一部分空間，在管道壓力發生大幅度變化時，空氣受到外部力作用快速膨脹，空氣柱會推動水流動，由此出現氣推水和水推氣的情況，在此過程中會產生較大的沖擊力，破壞管壁。為確保輸水工程安全運行，必須選擇科學的手段消除水錘隱患。施工單位可以在第一次試水時，關注管內是否存在氣體，規范試水行為，將管內的空氣排出去。充水必須在管內氣體排盡后進行，施工單位需要加強此方面工作的控制力度[2]。

2.長距離輸水管道防水錘技術選擇的原則

有壓重力輸水的可利用水頭長距離輸水管道防水錘需要關注的對象，在設計環節需要關注水管起末端的水力高度差，確定輸水設計流量。在設計階段需要確定可利用水頭與輸水管管徑間的關系，兩者呈反比關系，前者大后者小，控制輸水管管徑值，也可以降低工程投資值。如果輸水管流速較大，在輸水工程運行階段，水錘現象出現的概率較大。為防止管道出現水錘現象，破壞管道，需要加強對管道材料與管道水流的控制力度，確保水流可以穩定運行。面對地形條件復雜、管材強度大等情況，需要進行水錘計算，放緩輸水流速，提高管道運行的安全性。在可利用水頭過大時、起端水位變幅較大時、低于設計流量運行3 種情況，在水錘控制方面適合安裝消能裝置。對于第1和第3 種情況，一般將減壓裝置安裝在輸水管中下游處；對于第2 種情況，一般將減壓裝置安裝在輸水管中上游；前者在水錘控制方面，通過減壓閥保護輸水管，同時擁有減少漏失水量功能。重力給水系統應用在水錘控制方面，按照管道的承壓能力、給水區總落差大小，作出是否需要分級減壓的決定[3]。

結合收集得到的數據，管道承壓能力與減壓級數呈反比關系。使用重力流管路系統進行水錘控制，需要將重點集中在減壓措施，重點研究開啟末端閥門時，為規避管道某些部位產生水柱中斷、降壓波等情況，需要選擇預防方法。為了消減關閥水錘，減壓措施的應用尤為重要，可以使用緩閉蝶閥規避安全問題。

3.長距離輸水管道水錘防護對策

3.1 沿線管縱向設計的水錘防護

輸水管內水錘的存在將對管道造成較大的威脅，使用水泵打壓輸水的管道均存在水錘，長距離輸水運輸工程水錘現象較為明顯，管道進行輸水工作時，管內水體流速可能發生較大變化，水錘由此出現并對水管壁釋放一定的能量，破壞水管壁的結構。輸水管內水流速度變化難以解決，在管內會產生較大的壓力變化，為了不影響管道正常輸水，必須選擇科學的方法進行防御，降低水錘現象出現時對輸水管壁形成的沖擊作用，不會對輸水管壁結構造成較大的沖擊。在輸水管內氣與水混合起來運行，氣與水相互作用產生水錘，會對輸水管內壁造成不小的沖擊。因此，需要合理布置輸水管道，縱向布置輸水管道時，為了提高輸水管運行的穩定性與安全性，常在各緩駝峰部位安置排氣閥。在工程施工初期會研究輸水管在不同工況下的運行情況，確定水流在不同工況下的狀態，為排氣閥安裝奠定基礎[4]。

輸水管鋪設環節，在水平段排氣問題較為嚴重。在輸水工程施工環節需要關注管線布置工作，每隔一段間距布置一個高點并完成排氣閥的安裝任務。基于以往工作數據，對于處在水平段的輸水管而言，可以每隔600m ～1000m安置一個排氣閥，由此可以控制水管內水體流速。研究水在輸水管內的運行情況，水在管路中的狀態難以評估判斷，在水錘預防方面，需要重點關注排氣閥，提高其在選擇與安裝方面的合理性。水管內水流狀態比較復雜，不利于管路進行排氣操作。在水管水流狀態較為復雜的情況下，很難準確地敲定排氣閥安裝的位置與安設的數量。沿線管縱向設計必須考慮到影響水流速度的因素，為了加大輸水管在水錘防控方面的能力，排氣閥的設計非常關鍵，設計人員需要加強對此方面的關注度，引入信息技術，在動態模擬、數據分析等操作下，提高輸水管運行的穩定性與安全性[5]。

3.2 分段減壓消能

長距離輸水管較長，每段水管承受的壓力存在差別，在水錘預防方面，需要明確每段水管在水錘方面的防護需求，在此基礎上選擇分段減壓的方式控制水錘。對長距離輸水管進行水錘控制工作，必須明確工程每段管道的長度，按照一定長度將管道劃分為多個部分，在每段截割的管道尾端安裝消能設備與閘閥，調節減壓設施，對各段管道進行有效的控制，保證每段管道承受的壓差均在合理范圍內，由此可以規避水錘現象，不會對管道造成過大的傷害。比如，對南方某城市長距離輸水管道進行水錘預防的工作，在確定管道總長度后將其分為3 個區段，保證各段管道工作壓力均在1MPa 以內，不會對管壁造成實質性的傷害，確保輸水管可靠、安全的運行[6]。

3.3 停泵水錘防護

停泵時管路內水體流速在短時間內發生較大變化，產生的水錘擁有較大的破壞力，會破壞水管壁，對輸水系統和水泵站造成較大的沖擊，還可能引發安全事故。在停泵時需要做好水錘的防護工作，需要從多方面進行考量，立足實際情況，給出切實、可行的方法，降低停泵水錘、消除停泵水錘。減壓閥應用在水錘防護中，可以消除水錘對水管壁的沖擊力，但是也存在一定的缺陷，使用減壓閥導致輸水管完全放空，不利于下次充水啟動，存在較大的危險性。恒壓閥與減壓閥應用到輸水工程中的效果不同，讓管道內水流保持持續流動狀態，下次運行直接打開水閥即可，在操作方面不會出現阻礙。在輸水工程中使用恒壓閥也存在一定缺陷，在應用中容易出現管閥水錘的情況[7]。因此，使用恒壓閥時，常使用關閉下游出口閥的方式，規避關閥水錘情況。

在輸水工程中使用環比蝶閥防護的方法，在水錘預防方面可以獲得不錯的效果。延長閥門關閉的時間，在消減關閥水錘現象方面操作較為簡單，可以減緩水體流速，控制水體流速不會在管內形成較大沖力，讓管內壓力一直處于平穩的狀態，不會對輸水管運行造成不良的影響。在閥門處理上需要從實際出發，使用雙速閥門、對閥門最后開度提供一定緩沖、在閥門周邊設置通管。在部分情況下，需要考慮安裝液壓氣室或進氣閥的方法，使用延長閥門關閉時間與開打時間的方法，對于大型閥門是一種簡單的方法。長管道在水錘預防方面存在較大難度，為了消除水管內存在的水錘問題，需要基于長管道實際情況，進行針對性研究，基于水管水錘防護需求，依托多樣化的研究手段，整理研究數據，在此基礎上設計具備實用效果的閥類產品。

3.4 故障預防處理

管道堵脫管發生前，有其明顯的跡象，那就是管道的壓力比正常工作時壓力大很多。所以，操作員必須非常留意管道上壓力表的讀數，當壓力明顯過高時，就必須立即停止泵送，來回巡查管路接頭有無松動，如有松動必須馬上緊固。并拆開管道，進行試泵送，觀察壓力下降到正常位置時，再繼續泵送。在泵送過程中，堵管一般發生在管彎、上坡和管道末端等處。當故障發生時，用木錘連續敲擊，使之松動，如果仍未解決，則應立即停止泵送作業，從管道末段開始分段拆管，逐一排查堵管，并進行清理或更換。清除堵塞后，擰緊接頭方可重新泵送；脫管一般發生在彎管、上坡和管道開始等接頭處。當發生脫管時，應立即停止泵送，緊固或重接脫管接頭，并巡查管路一遍，對發生松脫的接頭進行緊固。

4.結語

城市供水管網關系到民眾日常生活，一旦出現爆管現象，將會對民眾造成很多困擾，為了規避此情況出現，需要做好水錘預防與控制工作。輸水管內部氣與水相互作用并形成一定的沖力破壞輸水管。為了解決該問題應該將關注點投放在管道氣體排放方面。此外，管道內水流不穩定也會產生沖擊力，破壞輸水管。技術人員需要做好輸水管內部氣體排放與水流速度控制的工作，觀察輸水工程運行情況，明確水錘控制要求并給出科學的控制方法，按照方案落實控制任務，確保長距離輸水工程穩定、安全的運行，為民眾提供良好的供水服務。