田春梅天津大德環(huán)境工程有限公司

噴泉離心泵水錘技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與控制

田春梅
天津大德環(huán)境工程有限公司

摘要：本文主要對(duì)噴泉離心泵水錘現(xiàn)象進(jìn)行理論上的簡(jiǎn)析,從不同角度對(duì)水錘進(jìn)行分類,論述水錘發(fā)生原理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際案例更加直觀的展示了水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及發(fā)生過(guò)程，并通過(guò)一些實(shí)例分析提出風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略，從而盡量減少水錘現(xiàn)象發(fā)生并降低危害性。

關(guān)鍵詞：水錘現(xiàn)象；風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)對(duì)策略

有壓管道非恒定流問(wèn)題，也就是水擊問(wèn)題，而壓力管道系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象就是這種典型現(xiàn)象。水擊現(xiàn)象中交替升降的壓強(qiáng)升高，可以達(dá)到管道恒定流的壓強(qiáng)的幾十倍甚至是數(shù)百倍。水擊的危害非常大，還有可能導(dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，使其劇烈振動(dòng)，引起強(qiáng)大噪音，使閥門(mén)遭到破壞，管件的接口處破裂，從而使管壁爆裂或者產(chǎn)生嚴(yán)重變形的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。

一、水錘原理簡(jiǎn)析

所謂水錘即水擊現(xiàn)象，就是水或者是其他液體在壓力管道輸送過(guò)程中，由于一些突發(fā)的意外事件引起管道內(nèi)水體流速發(fā)生改變，從而引起動(dòng)量交換，致使水體的動(dòng)量發(fā)生急劇變化，急劇沖擊管壁、水泵以及閥門(mén)等附件，在水體慣性和可壓縮性、管壁彈性以及系統(tǒng)阻力作用下，管道內(nèi)水的壓力和密度不斷交替變化，直至穩(wěn)定的這一過(guò)渡過(guò)程的狀態(tài)。

1.水錘現(xiàn)象

在泵系統(tǒng)中，由于輸送距離較長(zhǎng)、揚(yáng)程高、閘閥的開(kāi)啟及關(guān)閉、泵的啟動(dòng)及停機(jī)等原因，使管道中的水流流速突然發(fā)生變化，導(dǎo)致壓力急劇升高或降低，并以波的形式沿著管道不停地來(lái)回傳播和反射，這個(gè)水力過(guò)程又稱為過(guò)渡過(guò)程，這一狀態(tài)就是水錘現(xiàn)象。因?yàn)樗魍蝗话l(fā)生急劇變化，所以對(duì)泵的部件和管壁產(chǎn)生很大的沖擊力，必然會(huì)損壞附件，使管道發(fā)生破裂，以致引起事故的發(fā)生，從而導(dǎo)致泵站不能繼續(xù)安全的運(yùn)行。

在水錘現(xiàn)象發(fā)生時(shí)交替升降的壓強(qiáng)的作用下，我們要考慮到液體的壓縮性以及管壁的彈性。其物理原因主要是液體本身所具備的兩種屬性，即慣性和壓縮性。液體的慣性就是液體本身有著自身的運(yùn)動(dòng)速度，保持著穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而流動(dòng)速度一旦驟變，就會(huì)使液體受到壓縮或發(fā)生膨脹現(xiàn)象，從而導(dǎo)致壓強(qiáng)也發(fā)生巨大變化；同理，如果液體的兩側(cè)突然受到外力的影響而發(fā)生巨變，那么液體流動(dòng)的速度也會(huì)隨之發(fā)生急劇變化。就一般情況來(lái)看，輸水管道系統(tǒng)中過(guò)渡過(guò)程發(fā)生意外變化的原因有以下幾種：泵的啟動(dòng)與停止、機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或運(yùn)行的不穩(wěn)定、動(dòng)力方面發(fā)生問(wèn)題；泵或管道系統(tǒng)中有空氣進(jìn)入，泵內(nèi)發(fā)生回流，液壓伺服閥的開(kāi)啟與關(guān)閉、線路的分流和集流等等。而由動(dòng)力故障所引起的水錘現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

2.水錘的種類

根據(jù)不同的劃分角度，水錘可以分為不同的種類：

（1）從關(guān)閥歷時(shí)和水錘相位的關(guān)系來(lái)看，可以分為直接水錘和間接水錘。水泵站中所發(fā)生的水錘現(xiàn)象通常屬于間接水錘，其過(guò)程相對(duì)而言比較繁瑣。

（2）按照水錘特性來(lái)分，分為剛性水錘理論和彈性水錘理論。剛性水錘理論計(jì)算比較容易，計(jì)算結(jié)果偏大；而彈性水錘理論計(jì)算雖然繁瑣但是結(jié)果更貼近實(shí)際情況。

為了減少意外事件的發(fā)生，相關(guān)研究專家要能夠牢固的掌握泵站水錘水力學(xué)機(jī)理及其技術(shù)，在此基礎(chǔ)上認(rèn)真鉆研泵站水錘的計(jì)算方法并學(xué)以致用，及時(shí)有效地將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程中。

3.水錘現(xiàn)象發(fā)生的原理

壓力管道中水錘現(xiàn)象形成原理可以描述如下：受某些外因的影響，管道內(nèi)的液體的流量或者流速突然發(fā)生變化，因?yàn)橐后w本身流動(dòng)有一定的慣性，所以管道內(nèi)壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生急劇上升或下降，液體的壓縮性和管壁的彈性又使波動(dòng)在管道中急劇往返波動(dòng)。水錘現(xiàn)象在管道內(nèi)發(fā)生時(shí)，壓力會(huì)升高，水錘以波的形式在管道內(nèi)迅速傳遞，使管道發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)并形成噪音。

三、設(shè)計(jì)實(shí)例分析

1.案例背景

2007年Kangwonland大型噴泉工程，應(yīng)用大功率離心泵集中供水方式的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)多種水形不同開(kāi)啟狀態(tài)組合，Kang?wonland大型噴泉工程，應(yīng)客戶要求根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)貒?guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在距噴泉30m湖岸處設(shè)置離心泵房，共使用5臺(tái)大功率離心泵（75KW以上）控制40余種水形，每臺(tái)離心泵供水管系中，配置不同規(guī)格型號(hào)液壓伺服閥以控制多種水形組合造型表演。就目前國(guó)內(nèi)噴泉行業(yè)大型工程項(xiàng)目中，使用離心泵控制多種水形表演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)很少;在該項(xiàng)目中的水形調(diào)試過(guò)程中，要求平均每臺(tái)離心泵通過(guò)20-30個(gè)不同規(guī)格液壓伺服閥的控制，實(shí)現(xiàn)7-8種水形不同組合變化。發(fā)現(xiàn)某些供水系統(tǒng)的管路存在有嚴(yán)重的“水錘”現(xiàn)象。與預(yù)埋主管路連接的泵房墻體出現(xiàn)晃動(dòng)，情況危急，后果不堪設(shè)想。這個(gè)問(wèn)題引起我公司高度重視，并組織有關(guān)人員立即著手研究、解決這個(gè)問(wèn)題。公司啟動(dòng)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)措施體系。由技術(shù)總工及項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)總監(jiān)組成技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)小組，經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)人員配合試驗(yàn)，提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)，晝夜奮戰(zhàn)，剖析原因，找出癥結(jié)，解決問(wèn)題，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工項(xiàng)目經(jīng)理為首的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在保證工期情況下，最終解決了大功率離心泵控制多種不同規(guī)格液壓伺服閥引起的水錘現(xiàn)象，其噴泉效果受到當(dāng)?shù)孛癖姷暮迷u(píng)。

2.理論計(jì)算

一般簡(jiǎn)單管路中由于閥門(mén)關(guān)閉所引起的水壓壓強(qiáng)計(jì)算舉例如下：設(shè)管路如下圖所示

當(dāng)閥門(mén)逐漸關(guān)閉時(shí)間接水壓強(qiáng)度最大值計(jì)算---公式說(shuō)明

式中：式中△H：直接水壓壓強(qiáng)增高值。

V：關(guān)閥后發(fā)生水壓時(shí)管中流速。

v0：關(guān)閥前管內(nèi)流速。

C：水壓波速。

E：液體的彈性模量。

E0：管壁的彈性模量。假如液體為水，管子為一般鋼管E/E0≈0.01

D：管子內(nèi)徑。

C0：液體中聲波的傳遞速度C0=1435m/s(100C,1～25大氣壓)

δ：管子壁厚

②當(dāng)閥門(mén)逐漸關(guān)閉時(shí)間接水壓強(qiáng)度最大值計(jì)算：

水壓波傳播周期：Tw=2L/c

閥門(mén)逐漸關(guān)閉時(shí)的間接水壓壓強(qiáng)計(jì)算，即關(guān)閥時(shí)間Ts＞Tw=2L/c時(shí)的間接水壓壓強(qiáng)計(jì)算,用以延長(zhǎng)關(guān)閉時(shí)間，若能使關(guān)閉閥門(mén)的時(shí)間Ts＞Tw=0.98s

如設(shè)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間Ts=3s＞Tw=0.98s

當(dāng)閥門(mén)逐漸關(guān)閉時(shí)間接水壓強(qiáng)度最大值計(jì)算---公式說(shuō)明

式中：△H：間接水壓壓強(qiáng)增高值。

L：管路長(zhǎng)度。

g：重力加速度，g=9.81m/s2

Ts：閥門(mén)關(guān)閉的時(shí)間。

Tw：水壓波傳播周期。

③閥門(mén)突然全部關(guān)閉時(shí)直接水壓壓強(qiáng)最大值與閥門(mén)逐漸關(guān)閉時(shí)間接水壓強(qiáng)度最大值計(jì)算——對(duì)比

閥門(mén)突然全部關(guān)閉時(shí)直接水壓壓強(qiáng)最大值：△H=19.7kgf/cm2；閥門(mén)逐漸關(guān)閉時(shí)間接水壓強(qiáng)度最大值計(jì)算：如設(shè)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間Ts=3s＞Tw=0.98s情況下

△H=0.64kgf/cm2

一般說(shuō)來(lái)，可以從延長(zhǎng)關(guān)閉閥門(mén)的時(shí)間，可以避免直接水擊的發(fā)生。

3.應(yīng)對(duì)策略

Kangwonland噴泉中由于諸多液壓伺服閥同時(shí)快速關(guān)閉在管路中引起巨大水壓現(xiàn)象消除方法：

該噴泉管路為復(fù)雜管路系統(tǒng)（同一管路系統(tǒng)中存在不同管徑管子的串聯(lián)、并聯(lián)、匯流、分叉等）在管路中存在多路水壓壓力波疊加的問(wèn)題，閥門(mén)不是一個(gè)而是一組數(shù)量巨大的并以某種形式分布的液壓伺服閥，液壓伺服閥關(guān)閉的程序復(fù)雜多變，所以極難準(zhǔn)確的計(jì)算出管路中一個(gè)確定的水壓壓強(qiáng)值。此外，泵的特性、管路的固定方式、管系的激振頻率、管路的高低變化等因素都會(huì)影響管中水壓強(qiáng)度的數(shù)值，大大增加了計(jì)算的復(fù)雜性。但不管怎樣上述第一部分所闡述的簡(jiǎn)單管路中閥門(mén)關(guān)閉情況對(duì)水壓強(qiáng)度影響的比較仍可從理性上起到根本性的指導(dǎo)作用。

首選方式為在不影響噴泉表演視覺(jué)效果前提下進(jìn)行合理的編程，使液壓伺服閥實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的關(guān)閉程序，延長(zhǎng)各噴泉系統(tǒng)中液壓伺服閥組的全程關(guān)閉時(shí)間使管系中水壓陡增（水錘）現(xiàn)象盡量減少。其次在管路的適當(dāng)位置配置調(diào)壓裝置，設(shè)置儀表等監(jiān)控措施。使水壓陡增（水錘）現(xiàn)象進(jìn)一步減緩，水壓裝置中的充氣壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)定。在管路的適當(dāng)位置配置調(diào)壓裝置，設(shè)置儀表等監(jiān)控措施。使水壓陡增（水錘）現(xiàn)象進(jìn)一步減緩，水壓裝置中的充氣壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)定。

四、結(jié)論

壓力管道系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象是難以避免的，水錘的危害性很大，為此在設(shè)計(jì)上考慮水錘作用的影響是很有必要的。另外，很多事故是由于現(xiàn)場(chǎng)水泵或閥門(mén)操作不當(dāng)造成的，因此管理、操作人員要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，力求將水錘發(fā)生的頻率和水錘所造成的損失降至最低。

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