輸水管道水錘分析

摘 要：水錘的大小與水錘波的波速成正比。即水錘波速愈大，在同樣水流速度變化的工況下，水錘就愈大，即壓力變化也愈大。水錘波在系統(tǒng)起到很重要的作用。在理論的情況下，機(jī)械波(此時(shí)即壓力波)在水中傳遞的速度為1450m/s。在實(shí)際當(dāng)中，該波速要小于理論值，它與管道的彈性有關(guān)系，管道彈性越強(qiáng)波速則越小。在鋼管中一般為800-1200m/s。在砼管中一般為600-800m/s，在塑料管中則為250-500m/s，管徑越大，波速則越慢。管壁越厚，剛性越強(qiáng)，波速就越快，反之則波速越慢。
關(guān)鍵詞：輸水管道 水錘分析 排氣閥 

［摘要］介紹了輸水管道輸送水的過程中引起水錘的幾種原因，以及產(chǎn)生水錘的初步分析計(jì)算，以便進(jìn)行泵殼、管道、支墩的強(qiáng)度計(jì)算，以及選配管道、閥件，復(fù)核管道的穩(wěn)定性，選擇水泵出口閥門型式、關(guān)閥程序。后提出幾種防護(hù)措施供選擇，以消除輸水過程中水錘造成的破壞。水錘又稱水擊。水（或其他液體）輸送過程中，由于閥門突然開啟或關(guān)閉、水泵突然停車、驟然啟閉導(dǎo)葉等原因，使流速發(fā)生突然變化，同時(shí)壓強(qiáng)產(chǎn)生大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。長距離輸水工程應(yīng)進(jìn)行必要的水錘分析計(jì)算，并對(duì)管路系統(tǒng)采取水錘綜合防護(hù)計(jì)算，根據(jù)管道縱向布置、管徑、設(shè)計(jì)水量、功能要求，確定空氣閥的數(shù)量、型式、口徑。本工程管線全長20Km，管徑為DN1000mm和DN800mm，管道材質(zhì)為球墨鑄鐵，壁厚分別為13.5mm和11，7mm，設(shè)計(jì)流量為13.2x104m3/d。輸水管道沿線地勢起伏較大，高程為8-60m。

2.水錘分析

2.1 計(jì)算軟件 計(jì)算軟件采用美國肯塔基大學(xué)SURGE2000軟件。該軟件為*邊界條件全，實(shí)踐性強(qiáng)的軟件系統(tǒng)。成功應(yīng)用于世界各地。

2.2 水錘簡介

2.2.1 分析條件

1.根據(jù)輸水管道的工況條件，我們在做水錘分析時(shí)是按照大設(shè)計(jì)流量的工程進(jìn)行計(jì)算；

2.我們在選擇空氣閥時(shí)遵循了以下原則：進(jìn)氣量的計(jì)算按照水錘的計(jì)算條件，僅做參考；微量排氣量的計(jì)算按照大設(shè)計(jì)流量計(jì)算；空氣閥安裝的位置及間距我們是根據(jù)地流量工況和水錘的計(jì)算結(jié)果兩者綜合考慮后，提出的設(shè)置方案。
 2.2.2 水錘說明

   水錘的定義，參照國內(nèi)成熟的理論：在壓力管道中因流速劇烈變化，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水利撞擊現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象。此時(shí)液體顯示出它的慣性和可壓縮性。 需要指明的是因流速的變化而長生的壓力變化，其傳遞形式是以機(jī)械波的形式傳遞的。

水錘的約克夫斯基公式:

△H=△V×C/g

其中： △H  表示壓力升高 △V  表示水流速度的變化率 C 表示水錘波的波速 g 表示重力加速度      上述公式基本上解釋了水錘，即壓力波，產(chǎn)生的原因和影響其大小的因素。 水流速度的突然變化，即是產(chǎn)生水錘的根本原因。只要水的流速發(fā)生變化，系統(tǒng)壓力必然發(fā)生變化。 水錘的大小與水錘波的波速成正比。即水錘波速愈大，在同樣水流速度變化的工況下，水錘就愈大，即壓力變化也愈大。水錘波在系統(tǒng)起到很重要的作用。在理論的情況下，機(jī)械波(此時(shí)即壓力波)在水中傳遞的速度為1450m/s。在實(shí)際當(dāng)中，該波速要小于理論值，它與管道的彈性有關(guān)系，管道彈性越強(qiáng)波速則越小。在鋼管中一般為800-1200m/s。在砼管中一般為600-800m/s，在塑料管中則為250-500m/s，管徑越大，波速則越慢。管壁越厚，剛性越強(qiáng)，波速就越快，反之則波速越慢。 根據(jù)上述的理論公式，我們可以簡潔地得到以下結(jié)論： 減緩水在系統(tǒng)中的流速變化，降低機(jī)械波的傳遞速度。系統(tǒng)中因事故工況而產(chǎn)生的壓力變化就會(huì)減弱，水錘就 得到控制。 停泵水錘的特點(diǎn)：在供水系統(tǒng)中，工程人員廠遇到的水錘工程狂是所謂“停泵水錘“?？赡艹霈F(xiàn)的工況為：

a.試運(yùn)行時(shí)，單泵運(yùn)行關(guān)停水泵引起壓力波動(dòng)。

b.正常運(yùn)行時(shí)，人為事故停泵，單泵或多泵。

c.系統(tǒng)突然停電。

    由于水泵的突然關(guān)停，水泵之后的管道內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)壓力下降。水錘波會(huì)快速向水流相同的方向傳遞。到達(dá)終點(diǎn)后(或終點(diǎn)閥門，或者水池，或者管網(wǎng))水錘波會(huì)返回，返回的壓力波會(huì)使水泵后的管道的壓力升高。壓力波遇到止回閥的阻擋后，會(huì)繼續(xù)返回，在管道中進(jìn)行阻尼振蕩，慢慢平穩(wěn)在靜水壓線上。 如果在開始的壓力下降中，壓力下降至負(fù)10m左右時(shí)，水會(huì)出現(xiàn)冷沸現(xiàn)象。在實(shí)際當(dāng)中，我們看似水?dāng)嗔髁耍焕瓟?。?dāng)壓力波返回時(shí)，該管段處的水由氣迅速轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，壓力會(huì)集聚升高，便是常說的水柱彌合現(xiàn)象。這樣的水錘在實(shí)際當(dāng)中破壞性大，被稱為“非常水錘”。

2.2.3 空氣閥的選擇

1.關(guān)于空氣充水排氣量的計(jì)算：

    首先，空管充水的流速應(yīng)當(dāng)?shù)娇刂?，否則會(huì)產(chǎn)生正向水錘，可能威脅管道的安全。這也是不提倡所謂“高速”、“快速”等商業(yè)推廣的原因所在。其次，空管充水不能單單依靠空氣閥來控制。而是水泵控制，管線隔離閥門等各種運(yùn)行方式的綜合作用。相對(duì)來說，在控制充水速度的同時(shí)，利用簡單的公式，幾乎均可以通過手算或者軟件計(jì)算出閥門的位置及口徑。

  2. 正常排氣量的復(fù)核：

    正常有壓水流的狀態(tài)中，氣泡有的是游離狀，氣泡不明顯，不凝聚，水水流流動(dòng)；再有，便是一段水，一段氣的流動(dòng)，這種工況存在時(shí)間短，屬較為的工況。 氣泡的形態(tài)主要取決于管道內(nèi)流速以及管道的粗糙系數(shù)。那么氣泡能夠移動(dòng)的臨界速度為：

Vc-----臨界流速 θ-----管線坡度 g-----重力加速度 D-----管線直徑

   如果水流的速度大于臨界流速，則在這一段管線內(nèi)空氣泡不會(huì)滯留，會(huì)被水帶走，因此管線中間或兩個(gè)臨近的高點(diǎn)可以不全設(shè)安全閥。同時(shí)，水流速接近臨界流速，氣泡可能越不離散，而越明顯。 3.爆管進(jìn)氣量復(fù)核： 主要依據(jù)Hazen-Welliams公式進(jìn)行進(jìn)氣量復(fù)核：

其中：     Qburst-----爆管所需補(bǔ)充流量 S-----管線坡度 D--

       水錘計(jì)算及防護(hù)是長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要技術(shù)問題。正確分析和計(jì)算壓力管道水錘并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施,對(duì)提高壓力管道的設(shè)計(jì)水平、降低工程投資、確保系統(tǒng)安全運(yùn)行具有十分重要的意義[1]。在長壓力管道輸水系統(tǒng)中,閘閥的啟閉將造成管道中流速和壓力的突變。