苑司樂

(鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450002)

1 概述

隨著中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提升，原有的農(nóng)田灌溉設(shè)施已經(jīng)無法滿足當(dāng)今節(jié)水型社會(huì)的需求。為響應(yīng)國家節(jié)約型社會(huì)建設(shè)的要求，近些年各地根據(jù)自身實(shí)際進(jìn)行了大量的農(nóng)田灌溉設(shè)施的更新和改造，這其中管道輸水則成為了農(nóng)田灌溉輸水設(shè)施中較為常見的一種方式。管道輸水方式有著諸如快速送水、損漏較少、對(duì)環(huán)境適應(yīng)較強(qiáng)、高效便捷等優(yōu)點(diǎn)，但壓力管道在突然斷水的情況下會(huì)出現(xiàn)一種對(duì)管道危害較大的現(xiàn)象：水錘現(xiàn)象，也稱作“水擊”。水錘對(duì)有壓輸水管道的危害較大，當(dāng)管道中產(chǎn)生水錘時(shí)，管道所要承受的壓力會(huì)驟增，當(dāng)壓力突破管道所能承受的極限壓力時(shí)，此時(shí)管道有可能會(huì)爆裂。文中就針對(duì)水錘在管道設(shè)計(jì)中的防護(hù)措施和采取水錘防護(hù)措施后的效果(基于Bentley HAMMER的計(jì)算分析)做簡(jiǎn)要的分析。

2 水錘及水錘預(yù)防的幾類主要防護(hù)措施

2.1 水錘概述

當(dāng)有壓管中流速因某種外界原因而發(fā)生急劇變化時(shí)，將引起管道內(nèi)部壓強(qiáng)產(chǎn)生迅速交替升降的現(xiàn)象，這種交替升降的壓強(qiáng)作用在管壁、閥門或其他管路元件上好像錘擊一樣，故稱為水錘。

在日常生活中水錘時(shí)常會(huì)遇到，比如：水龍頭閥門快速開閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生水錘，有時(shí)還會(huì)聽到管道震動(dòng)聲。在電站輸水管道中若不能很好處理水錘對(duì)管道的影響，輸水管道會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，甚至管道爆裂。與水利工程聯(lián)系比較緊密的則是壓力管道輸水工程中對(duì)水錘的計(jì)算分析，水利工程輸水大多為長距離、大流量、大口徑等特點(diǎn)，由于水錘對(duì)輸水管道具有較大的危害性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞管道的正常運(yùn)行，所以為了盡可能將水錘危害降至最低，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行充分分析，并采取必要降低水錘危害的防護(hù)措施。

2.2 空氣閥

空氣閥又稱排氣閥或通氣閥，空氣閥在防止水錘危害中是比較常見的管件配置，通過調(diào)節(jié)管道中的氣體壓力來防止管道高處出現(xiàn)較大的負(fù)壓，防止產(chǎn)生彌合水錘，從而降低水錘破壞強(qiáng)度的。當(dāng)壓力管道中出現(xiàn)水錘現(xiàn)象時(shí)，位于管道凸起處的高點(diǎn)往往會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，導(dǎo)致管道中水流斷裂形成真空，管道中真空度較高的情況下會(huì)使水體汽化從而演變成彌合水錘，由于彌合水錘所造成的破壞往往是巨大的，甚至爆管。當(dāng)管道中出現(xiàn)水錘且產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，需要盡可能控制負(fù)壓強(qiáng)度，通過空氣閥向管道中快速輸送氣體以減緩負(fù)壓程度，從而可以大大降低彌合水錘的發(fā)生。

空氣閥往往布置在管道高低起伏的凸點(diǎn)位置或者管道壓力相較兩端較小處，且需要放置于管道的上側(cè)，閥體周邊應(yīng)有相應(yīng)空曠的空間以利于空氣的進(jìn)出，不得有雜物包裹堵塞閥體。

2.3 緩閉式止回閥

在停泵的瞬間往往會(huì)產(chǎn)生水錘波，出現(xiàn)水錘效應(yīng)。緩閉式止回閥則是利用自身構(gòu)造，當(dāng)介質(zhì)突然中斷后，閥體并不是瞬間關(guān)閉，而是分兩階段進(jìn)行關(guān)閉，第一階段快速關(guān)閉，此時(shí)閥體關(guān)閉大部分過流通道，第二階段是緩慢關(guān)閉，此階段關(guān)閉剩余小部分過流通道，使管道不至快速完全關(guān)閉。通過采用緩閉式止回閥可以在保證止回閥功能的前提下消減水錘產(chǎn)生的危害，對(duì)保護(hù)管道及管件都有較明顯的作用。

2.4 調(diào)壓塔

調(diào)壓塔是位于地面以上對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)的一種構(gòu)筑物。其主要是為了防止由管道壓力變小而導(dǎo)致的介質(zhì)斷裂分離現(xiàn)象，常設(shè)置在管道壓力容易出現(xiàn)負(fù)壓的部位。

在輸水管道中，尤其長距離輸水管道沿線地形起伏變化比較大，局部需要穿越障礙物等特定節(jié)點(diǎn)，當(dāng)突然停泵時(shí)管線凸起部分易出現(xiàn)負(fù)壓從而導(dǎo)致水柱分離，從而對(duì)管道及線路上的管件易造成嚴(yán)重的破壞，通過在“凸點(diǎn)”設(shè)置調(diào)壓塔，當(dāng)管道產(chǎn)生水錘且在“凸點(diǎn)”壓力快速降低時(shí)，調(diào)壓塔的水可以快速向管道內(nèi)補(bǔ)水，避免水柱分離和巨大的水錘升壓，降低水錘對(duì)管道的破壞作用。

2.5 空氣罐

當(dāng)前而言利用空氣罐對(duì)水錘進(jìn)行預(yù)防的工程實(shí)例較少，國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)也較少?？諝夤拗饕譃槠匀环蛛x式、隔膜式、氣囊式三種。空氣罐運(yùn)行的主要原理是利用空氣的彈性，既可吸收管道中的正壓，又可向管道內(nèi)補(bǔ)水來改善管線中的負(fù)壓，從而可達(dá)到消減水錘的效果?？諝夤尥贾迷谒贸隹?，可結(jié)合泵房布置來解決其冬季防凍問題。

空氣罐主要對(duì)保護(hù)泵房內(nèi)的儀器設(shè)備進(jìn)行水錘的保護(hù)，當(dāng)水泵突然斷電停泵時(shí)，輸水管線中的水壓力將會(huì)有急劇變化，當(dāng)水體的壓力波傳輸?shù)奖梅繒r(shí)，空氣罐就利用罐體中的空間來緩沖管道中陡增的水壓力，當(dāng)管道中的水體由于慣性反向傳播時(shí)，空氣罐中的液體就會(huì)及時(shí)補(bǔ)充管道，避免出現(xiàn)真空，從而抑制了彌合水錘的產(chǎn)生。

3 基于Hammer的水錘預(yù)防措施應(yīng)用分析

3.1 案例概況

工程為地下水補(bǔ)源項(xiàng)目中的一部分，通過本工程設(shè)置的泵站將河道的水輸送至補(bǔ)源點(diǎn)，泵站設(shè)計(jì)流量為0.80 m3/s，設(shè)置三臺(tái)水泵(兩用一備)，單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為0.40 m3/s，水泵額定功率為315 kW，水泵楊程為45.00 m。通過水泵將位于高程70.50 m處的水源輸送至高程102.96 m處的補(bǔ)源點(diǎn)，輸水管道采用DN800普通鋼管。

工程通過采用Bentley HAMMER軟件建立輸水管線模型，對(duì)輸水管道的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進(jìn)行分析模擬，通過對(duì)停泵水錘(瞬態(tài))工況的分析，采取相應(yīng)的水錘預(yù)防措施來緩解(或消除)管道的水錘。

3.2 穩(wěn)態(tài)模型分析

工程采用Bentley HAMMER計(jì)算分析泵站在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的管道輸水狀況，此時(shí)兩臺(tái)水泵同時(shí)開啟并持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，水泵及管道均在額定的工況下運(yùn)行，此時(shí)管道內(nèi)的水流流態(tài)屬于恒定流，管道壓力起點(diǎn)為45.00 m，管道末端自由水頭為8.50 m，管道內(nèi)的水壓力從水泵后開始至管道末端逐漸減小，此時(shí)管道的最大壓力包絡(luò)線和管道的最小壓力包絡(luò)線是重合的，都均勻降低。由此可知，此時(shí)的管道承受的壓力是與設(shè)計(jì)壓力一致的，管道內(nèi)的壓力并沒有波動(dòng)，計(jì)算結(jié)果詳見圖1。

圖1 穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算圖

3.3 瞬態(tài)模型分析

在管道模型穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上，基于工程實(shí)例設(shè)置瞬間停泵情況下運(yùn)行工況，兩臺(tái)水泵按照設(shè)計(jì)工況正常運(yùn)行至某一時(shí)刻突然斷電，兩臺(tái)水泵同時(shí)停泵，此時(shí)管道上并沒有安裝任何水錘預(yù)防設(shè)施，管道上安裝的其余管件都按照設(shè)計(jì)工況正常運(yùn)行。

通過Bentley HAMMER對(duì)停泵水錘的分析計(jì)算，詳見圖2，管道的最大壓力包絡(luò)線波動(dòng)較大，且變化較為劇烈，不同管段的最大壓力水頭也差別較大，另外瞬態(tài)工況下管道的最大壓力要比穩(wěn)態(tài)工況下的最大壓力高81.89 m，達(dá)到了126.89 m，相當(dāng)于設(shè)計(jì)水壓的2.82倍，此時(shí)對(duì)管道的抗壓要求非常高，管道在運(yùn)行過程中存在爆管風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 瞬態(tài)分析計(jì)算圖

從最小壓力包絡(luò)線可以看出，管道沿線均存在一定的負(fù)壓，部分管段產(chǎn)生了汽化的現(xiàn)場(chǎng)，使管道產(chǎn)生了彌合水錘，以至于產(chǎn)生了更大的水錘壓力波動(dòng)，增加了對(duì)管道的破壞力。

3.4 預(yù)加水錘防護(hù)措施

由于文中主要是針對(duì)農(nóng)田水利等常規(guī)的輸水管道為對(duì)象進(jìn)行研究的，所以在此次的水錘防護(hù)措施案例分析中，選用較為常用、設(shè)備簡(jiǎn)單、安拆方便、易于后期管理的預(yù)防措施，從上文提到的幾種水錘防護(hù)措施中選擇空氣閥做為此次案例分析的水錘防護(hù)措施進(jìn)行分析計(jì)算。

圖3 預(yù)加水錘防護(hù)措施分析計(jì)算圖

工程實(shí)例根據(jù)輸水線路的高程和空氣閥的工作原理，在輸水線路的凸點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)J-8、J-9、J-14、J-15這四處分別設(shè)置空氣閥，空氣閥標(biāo)號(hào)依次為AV-8、AV-9、AV-14、AV-15。當(dāng)管道中發(fā)生水錘后，為了能夠快速的填充管道內(nèi)的真空，防止液體汽化，同時(shí)當(dāng)管道壓力升高時(shí)又能使管道的氣體緩慢的釋放，工程采用空氣閥的進(jìn)氣口直徑為200 mm，出氣口直徑為15 mm。

管道設(shè)置水錘防護(hù)措施后，同樣基于Bentley HAMMER軟件對(duì)管道的瞬態(tài)進(jìn)行分析模擬，通過瞬態(tài)分析計(jì)算成果圖可知，管道增設(shè)空氣閥之后，管道的最大壓力包絡(luò)線由劇烈浮動(dòng)變成了平順的坡線，且由加防護(hù)措施前的最大壓力水頭126.89 m減小至加防護(hù)措施后的最大壓力水頭62.11 m。另外管道的最小壓力包絡(luò)線均位于管道中心線以上，在瞬態(tài)工況下管道中基本消除了負(fù)壓情況，避免了管道內(nèi)因真空度過大而產(chǎn)生汽化。

從工程中可以看出，通過在管道的高點(diǎn)設(shè)置空氣閥可以很好地控制水錘的危害，避免輸水管道內(nèi)壓力的巨大變化，說明空氣閥對(duì)抑制停泵水錘是有明顯效果的。

3.5 其他防護(hù)措施

僅就空氣閥對(duì)停泵水錘的有效防護(hù)作用進(jìn)行了具體分析，對(duì)于其它形式的水錘防護(hù)措施，基于Bentley HAMMER模型分析結(jié)果表明它們對(duì)水錘防護(hù)均有較好的效果，限于篇幅不再贅述。

4 結(jié)語

水錘分析是壓力輸水管道設(shè)計(jì)中的重要工作，文中首先結(jié)合實(shí)際工程中幾類典型的水錘防護(hù)措施進(jìn)行分析，分析了各類水錘防護(hù)措施的特點(diǎn)以及使用情況。其次基于Bentley HAMMER模型對(duì)某一實(shí)際工程案例采取的水錘防護(hù)措施進(jìn)行分析，結(jié)果表明在壓力輸水管道上設(shè)置適當(dāng)?shù)乃N防護(hù)措施可以起到抑制水錘破壞的明顯效果。希望通過對(duì)水錘防護(hù)及工程案例的分析，對(duì)同行進(jìn)行輸水管線設(shè)計(jì)時(shí)起到一定的借鑒意義，同時(shí)也為進(jìn)一步研究水錘提供參考。