摘要：隨著人們生活水平的不斷提升，對(duì)供水系統(tǒng)運(yùn)作穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，而管道中的水錘現(xiàn)象則是對(duì)供水系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響的重要因素。本文主要結(jié)合廣西百色某供水系統(tǒng)中輸水管道的水錘現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析水錘產(chǎn)生的原因及類型，然后提出相應(yīng)的控制策略。
 
　　關(guān)鍵詞：輸水管道；水錘；分析與控制
　　中圖分類號(hào)：tv697.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1674-0432（2013）-04-0275-2
　　1 工程概況
　　廣西百色市隆林縣者保鄉(xiāng)政府駐地供水工程采用二級(jí)加壓方案，總揚(yáng)程達(dá)693m，一級(jí)加壓站工作揚(yáng)程達(dá)到450m，二級(jí)加壓站為243m，提水流量為20立方米/小時(shí)，提水管為鍍鋅鋼管。由于該工程提水揚(yáng)程高，提水鋼管水錘水擊影響嚴(yán)重，在施工過(guò)程中為減少水錘水擊的影響，采取了設(shè)置必要的逆止閥和管路鎮(zhèn)墩支墩等防護(hù)措施，對(duì)水錘水擊進(jìn)行了有效的控制。該工程運(yùn)行至今，工程運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)提水管路爆管、提水系統(tǒng)受損等現(xiàn)象。下文結(jié)合該工程實(shí)例對(duì)水錘現(xiàn)象進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的防護(hù)控制策略。
　　2 水錘分析
　　所謂水錘是指有壓輸水管道中水的流速突然發(fā)生變化，壓力水流由于自身的慣性產(chǎn)生水流沖擊波，這種沖擊波的力量類似于錘子的敲打，因此稱其為水錘。當(dāng)水流沖擊波的力度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)對(duì)管道中的閥門及水泵產(chǎn)生破壞。水錘會(huì)產(chǎn)生水錘效應(yīng)，為減少水流阻力，通常輸水管道內(nèi)部管壁十分光滑，一旦閥門突然關(guān)閉，水流會(huì)相對(duì)閥門、管壁產(chǎn)生壓力作用，后續(xù)水流受到慣性作用壓力會(huì)迅速增加，對(duì)輸水系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。水錘效應(yīng)也可以稱其為正水錘，而閥門突然打開(kāi)也會(huì)產(chǎn)生具有一定破壞力的負(fù)水錘，不過(guò)與正水錘相比，前者的破壞性相對(duì)較小。
　　之所以會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，主要是由于液體具有可壓縮性的特性，受到慣性作用后改變管內(nèi)水體的流速，水體動(dòng)量發(fā)生變化導(dǎo)致其作用力發(fā)生改變。上述輸水工程中以下幾種現(xiàn)象是水錘發(fā)生的常見(jiàn)因素：首先在水泵的啟停階段，機(jī)組的轉(zhuǎn)速會(huì)迅速發(fā)生變化，或者機(jī)組出現(xiàn)運(yùn)行失穩(wěn)、動(dòng)力故障時(shí)；其次是水泵或者管道系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)入空氣導(dǎo)致泵內(nèi)出現(xiàn)回流，線路分流或者激流等等?；诓煌膭澐纸嵌?，水錘可以分為以下幾種：基于理論的角度，水錘可以分為鋼性與彈性兩種，基于關(guān)閥歷時(shí)與水錘的相位關(guān)系，可以分為直接與間接兩種；基于外部成因的角度，水錘可以分為啟動(dòng)水錘、關(guān)閥水錘以及停泵水錘三種；其他基于水錘波動(dòng)的現(xiàn)象來(lái)劃分，可以將水錘分為水柱連續(xù)與不連續(xù)的水錘等。
　　在輸水系統(tǒng)中，水錘的危害很大，因?yàn)樗N可以產(chǎn)生幾十倍于管道正常工作壓強(qiáng)的瞬時(shí)壓強(qiáng)，導(dǎo)致管道系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，如果情況嚴(yán)重，還有可能對(duì)輸水系統(tǒng)的相關(guān)部件產(chǎn)生破壞，引起水泵反轉(zhuǎn)、降低管網(wǎng)壓力等等。
　　3 水錘現(xiàn)象的控制策略
　　3.1 鎮(zhèn)墩防護(hù)
　　鎮(zhèn)墩通常為大體積素混凝土構(gòu)件，其主要作用是依靠自身重力保持管道的穩(wěn)定性，這種防護(hù)措施成本低，效果好，得到的應(yīng)用也最為廣泛。在進(jìn)行鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)時(shí)要注意幾點(diǎn)，首先要進(jìn)行合理的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，保證其在受到水錘壓力作用時(shí)其抗滑安全系數(shù)大于工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)；其次，鎮(zhèn)墩的地基承載力要低于地基的運(yùn)行承載力；在管道受力不對(duì)稱的位置，或者轉(zhuǎn)彎位置，不得出現(xiàn)鎮(zhèn)墩扭轉(zhuǎn)位移的問(wèn)題；再次，如果鎮(zhèn)墩設(shè)置于陡坡上，如果基巖面以下有諸如斷層、裂縫等不利結(jié)構(gòu)面，要滿足基面穩(wěn)定要求；最后，如果鎮(zhèn)墩較高，建基面與管道合力作用點(diǎn)距離比較遠(yuǎn)，要注意進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。
　　3.2 逆止閥與旁通管聯(lián)合防護(hù)法
　　采用逆止閥與旁通管聯(lián)合防護(hù)的方法，要將旁通管管徑控制停泵后的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速確定下來(lái)，也可以將逆止閥、旁通管與蝶閥進(jìn)行配套應(yīng)用，即使將逆止閥關(guān)閉，由于設(shè)置有旁通管，所以倒流并未被完全切斷，倒流穩(wěn)定后，再用蝶閥把出水管道勻速關(guān)閉，此時(shí)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(huì)導(dǎo)致水管路出現(xiàn)大的壓力波動(dòng)。有些管路系統(tǒng)設(shè)置有水泵提升裝置，從而導(dǎo)致水柱分離，此時(shí)需要把逆止閥和旁通管設(shè)置在水柱分離段的末端位置，此時(shí)逆止閥主要起到一個(gè)阻力作用，一旦出水管路發(fā)生倒流，管道中大量的動(dòng)能被消耗掉，壓力脈沖被進(jìn)一步削弱，所以不易出現(xiàn)水柱分離的現(xiàn)象，水柱彌合升壓的機(jī)率也降低了。
　　3.3 單向調(diào)壓塔防護(hù)
　　在管道系統(tǒng)易產(chǎn)生負(fù)壓的位置可以采用單向調(diào)壓塔進(jìn)行防護(hù)。該措施包括一個(gè)水塔、輔助支管以及相關(guān)閥件等結(jié)構(gòu)，利用逆止閥把水塔與泵站主管道連接起來(lái)，出水管道的壓力大小可以對(duì)逆止閥的啟閉狀態(tài)進(jìn)行控制；起動(dòng)水泵時(shí)逆止閥關(guān)閉，補(bǔ)水管向水塔補(bǔ)水直至達(dá)到正常水位，關(guān)閉補(bǔ)水管口的浮球閥后，水塔中水位保持不變；如果發(fā)生非常態(tài)停泵，出水管道壓力小于調(diào)壓塔正常水位以下，則逆止閥會(huì)處于開(kāi)啟狀態(tài)，輔助支管會(huì)自動(dòng)補(bǔ)水，即使管道內(nèi)壓力下降，也不會(huì)發(fā)生水柱分離的現(xiàn)象。不過(guò)在實(shí)際工程中應(yīng)用單向調(diào)壓塔需要注意：首先，只有管道位于塔內(nèi)最高水位以下，調(diào)壓塔才能起到有效的保護(hù)作用，否則高于塔內(nèi)水位仍可能出現(xiàn)水柱分離的現(xiàn)象，此時(shí)要結(jié)合管道的實(shí)際情況采取增設(shè)調(diào)壓塔的措施；此外，由于調(diào)壓塔可以在補(bǔ)水后迅速充分，為下次動(dòng)作做準(zhǔn)備，所以要保證補(bǔ)水管的直徑可以滿足補(bǔ)水要求，并且要保證水塔頂端球閥動(dòng)作的可靠性。
　　3.4 其他防護(hù)措施
　　除上述方法外，還可以采取一些其他的防護(hù)措施，具體如下：
　　（1）防爆膜防護(hù)：這種防護(hù)措施主要是在管道上連接一根支管，用塑性金屬膜片將支管的端部密封好，一旦主管道中的壓力上升至警戒水平，膜片受到壓力作用會(huì)自動(dòng)爆破，將一部分高壓水泄掉，保持主管道內(nèi)的壓力均衡，起到防護(hù)水錘的效果，保證主管道的安全性。通常在一些流量小、揚(yáng)程高的泵站，可以采用防爆膜防護(hù)作為其他防護(hù)措施的輔助方法。（2）慣性飛輪：慣性飛輪一般設(shè)置于水泵機(jī)組的主軸上，其主要作用是提高水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，延長(zhǎng)其正轉(zhuǎn)時(shí)間，從而防止管路中水流的速度及水壓發(fā)生急劇變化，對(duì)水錘壓力猛烈波動(dòng)的情況進(jìn)行改善，采用增設(shè)慣性飛輪的方法可以在一定程度上削弱管道負(fù)壓，防止出現(xiàn)水柱分離的現(xiàn)象。（3）緩閉止回閥：目前緩閉止回閥有兩種，即重錘式及蓄能式，根據(jù)輸水系統(tǒng)的實(shí)際需要，在一定范圍內(nèi)調(diào)整閥門的閉合時(shí)間。與普通的止回閥相比，緩閉止回閥體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：首先，啟動(dòng)水泵后閥門打開(kāi)的時(shí)間更短；其次，系統(tǒng)處于正常的運(yùn)行狀態(tài)下，閥瓣的開(kāi)啟角盡量加大，且要求其穩(wěn)定在全開(kāi)位置；最后，在水泵突然停止時(shí)，由于緩閉止回閥具備良好的關(guān)閉特性，因此不僅可以有效的阻止水倒流，防止水泵發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，保護(hù)水泵，而且可以在閥門關(guān)閉的最后階段實(shí)現(xiàn)緩閉，此時(shí)管道中的水錘可以得到有效緩解，保護(hù)管道。（4）內(nèi)置式水錘消除器：內(nèi)置式水錘消除器與下開(kāi)式水錘消除器的工作原理相同，其根據(jù)管道的壓力變化對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，可以多次、有效的消除管道停機(jī)水錘對(duì)系統(tǒng)的破壞；消除器的控制動(dòng)力采用儲(chǔ)能壓力油，因此管內(nèi)水質(zhì)不會(huì)對(duì)消除器的工作可靠性產(chǎn)生影響。（5）液控緩閉蝶閥：該裝置最大的特點(diǎn)就是在斷電時(shí)，其關(guān)閉過(guò)程是根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間、角度分階段關(guān)閉，可以有效降低管道中的壓力波動(dòng)，消除危害，并且可以有效控制水泵發(fā)生反轉(zhuǎn)，提高了水泵及輸水管道的安全性與可靠性。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　本文分析了水錘的形成原因，結(jié)合筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性地提出了切實(shí)可行的水錘防護(hù)措施，以為同類工程提供參考借鑒。
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　　作者簡(jiǎn)介：劉競(jìng)艷（1980-），女，漢族，本科，就職于百色市水利工程管理站，研究方向：農(nóng)村飲水安全工程和高效節(jié)水灌溉。