管道工程設(shè)計中的水錘分析及應(yīng)對策略論文
1.水錘的危害
水錘的危害主要有以下幾種形式：（1）由于水錘的產(chǎn)生，使得管道中壓力急劇增大至超過正常壓力的幾倍甚至十幾倍（正水錘），其危害很大，會引起水泵、閥門和管道破壞；或水錘壓力過低時（負(fù)水錘），應(yīng)力交替變化，會引起管道和設(shè)備振動，管道因失穩(wěn)而破壞。發(fā)生負(fù)水錘時，管中產(chǎn)生不利的真空，造成水柱斷流，和再次結(jié)合形成的彌合水錘，對管道破壞更為嚴(yán)重。（2）水泵及閥門的啟閉、運行工況改變及其事故緊急停機(jī)等動態(tài)過渡過程造成的輸水管道內(nèi)壓力急劇變化和水錘作用等，常常導(dǎo)致泵房和機(jī)組產(chǎn)生振動。（3）水泵反轉(zhuǎn)速度過高或與水泵機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速相重合，以及突然停止反轉(zhuǎn)過程或電動機(jī)再啟動，從而引起電動機(jī)轉(zhuǎn)子的永久變形，水泵機(jī)組的劇烈震動和聯(lián)結(jié)軸的斷裂。（4）水泵倒流量過大，引起管網(wǎng)壓力下降，水量減小，影響正常供水。
2.影響水錘的因素
2.1管道流速
管道流速越低對于防止水錘發(fā)生越有利。管道流速越低，水流慣性越小，速度的微分變化率就越低，從而降低水錘升壓和降壓。流量相同時，管徑越大，流速越低，但投資費用越高。在短距離輸水管道系統(tǒng)中，可以選用較大的管徑來獲得較低的流速以達(dá)到控制瞬變壓力。而長距離輸水管道系統(tǒng)，管徑應(yīng)從投資成本及運營成本綜合考慮，一般需要設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備。
2.2管道平、縱布置
通常管道的縱向布置需要與現(xiàn)狀地面高程相匹配。在管道系統(tǒng)中較高的節(jié)點是容易產(chǎn)生負(fù)壓甚至由于壓力降低使管道內(nèi)的水汽化形成水柱分離，當(dāng)水柱再次彌合時會產(chǎn)生很大的水壓沖擊，造成嚴(yán)重危害。所以對于管道系統(tǒng)，最理想的情況是通過改變管道平、縱（可以加大局部管道埋深，降低管道高程，可以有效降低節(jié)點高程）布置，可以避免管道內(nèi)空氣的積累或形成負(fù)壓。
2.3管道材料
當(dāng)流量快速降低時，壓力傳遞速度對于瞬變作用非常重要；較軟的管道材料壓力傳遞速度比較硬的管道小。所以使用能夠抵抗水力沖擊的軟管，對于消除水錘非常有效。這也是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和球墨鑄鐵管被廣泛用于長距離輸水管道工程中的原因。
2.4管道固定方式
架空管道比埋地管道更容易受到水錘破壞，這是因為埋地管道的管道基礎(chǔ)及覆土為其提供了額外的力量以阻止管道的變形和管道的結(jié)構(gòu)性毀壞。而架空管道則必須加固，才能抵抗本身存在的和水力瞬變產(chǎn)生的應(yīng)力。
2.5事故停電及誤操作
停泵水錘多數(shù)是由于事故停電及誤操作造成的，由于管路系統(tǒng)水流速度突然急劇變化，產(chǎn)生較大的水錘壓力波動，有時可達(dá)到工作壓力的數(shù)倍，將會對系統(tǒng)造成重大破壞性事故。
2.6水泵轉(zhuǎn)動慣量
轉(zhuǎn)動慣量反映轉(zhuǎn)動剛體的慣性大小，它是剛體繞定軸轉(zhuǎn)動時慣性的度量，如同剛體做平動時質(zhì)量是其慣性的度量一樣[2]。剛體內(nèi)各質(zhì)點的質(zhì)量與它們到轉(zhuǎn)軸距離平方的乘積之總和，稱為剛體對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。而剛體的轉(zhuǎn)動慣量與角向加速度的乘積等于作用在剛體上的所有外力對轉(zhuǎn)軸之矩的代數(shù)和。由此可知，在轉(zhuǎn)矩一定的情況下，轉(zhuǎn)動慣量越大的剛體所獲得的角向加速度越小，即越不容易使剛體轉(zhuǎn)動或改變它的轉(zhuǎn)動狀態(tài)；而轉(zhuǎn)動慣量越小的剛體所獲得的角向加速度越大，即越容易使剛體轉(zhuǎn)動或改變它的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。因此，增大水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量可以使水泵斷電后轉(zhuǎn)速下降的速率減小，這在停泵水錘防護(hù)中是具有積極意義的。
3.工程上常用的防護(hù)措施
上述對影響水錘發(fā)生的諸多因素進(jìn)行了翔實的分析，知道可以通過設(shè)計中對設(shè)計流速的合理控制、管道平縱走線的合理布置、管材的合理選擇以及對系統(tǒng)的正確操作過程降低甚至避免產(chǎn)生水錘危害。下面再介紹些工程上常用的防護(hù)水錘設(shè)備及操作方法。
3.1空氣閥
長距離輸水管道在開始通水、停止通水、流量調(diào)節(jié)及事故停泵的不同工況下，需要將管內(nèi)空氣排出或者將管外空氣補充至管內(nèi)，保證管道系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。針對空氣閥的不同作用，空氣閥主要分為以下幾類：（1）空氣（真空）閥空氣（真空）閥是在低壓下運行，大量進(jìn)氣或者排氣的閥門。主要作用是空管道通水時及時排除管內(nèi)空氣，以免產(chǎn)生氣阻而引發(fā)啟泵水錘；管道發(fā)生水錘事故產(chǎn)生負(fù)壓時，能夠及時補充空氣，避免負(fù)壓過大產(chǎn)生水柱分離。這種閥門的特點是進(jìn)排氣孔大，一般與閥門公稱直徑相同或者略小，但當(dāng)系統(tǒng)有壓運行時，保持關(guān)閉狀態(tài)。（2）排氣閥排氣閥是在管道系統(tǒng)有壓運行時，自動排放管道沿線某些較高位置聚集的小團(tuán)空氣的流體力學(xué)設(shè)備。排氣不暢會造成通水困難、水阻增大、流量達(dá)不到設(shè)計值甚至造成運行期間爆管。因此排除管道系統(tǒng)有壓運行中產(chǎn)生的微量氣體至關(guān)重要，排氣閥就是為解決這個問題而產(chǎn)生。與空氣（真空）閥門相比，該類型閥門進(jìn)排氣口很小，因其通氣孔很小，所以盡管在進(jìn)氣的時候也起到作用，但一般不考慮它的進(jìn)氣效果。（3）組合式空氣閥組合式空氣閥既能夠完成低壓進(jìn)排氣的功能，又可以在有壓工況時將少量的析出氣體排出，兼具空氣（真空）閥門和排氣閥兩種功能。
3.2增大水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量
通過3.1.6對水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量的分析可知，水泵機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量越大，其轉(zhuǎn)子的角向加速度就越小，即機(jī)組轉(zhuǎn)速降低的速率越慢，轉(zhuǎn)速下降速率就越小，使機(jī)組的正常水泵工況歷時延長。機(jī)組事故停泵后，水泵繼續(xù)在慣性作用下以緩慢降低的速率繼續(xù)向管路系統(tǒng)中供水，減小了管路中發(fā)生水柱分離的危險性，避免了水壓和水流速度的急劇降低，能夠有效地降低停泵水錘的危害。3.3安全泄壓閥安全泄壓閥一般設(shè)置在水泵附近，是否需要設(shè)置超壓泄壓閥以及在何處設(shè)置超壓泄壓閥，需經(jīng)計算機(jī)模擬分析計算。超壓泄壓閥的公稱直徑宜為主管道直徑的1/5～1/4，或經(jīng)水力計算確定。超壓泄壓閥的主要作用是當(dāng)管道中發(fā)生水力瞬變流時，當(dāng)某點的.壓力過高時，在此點的超壓泄壓閥自動打開，泄流掉一定流量，維持管道在此點的壓力，保持管道在此點的壓力，當(dāng)壓力降到安全值后，泄壓閥再自動關(guān)閉。
3.4空氣罐
空氣罐是一種內(nèi)部充有壓縮空氣的金屬水罐，其頂部為空氣，下部為水，一般安裝于水泵出口附近的壓力管道上。當(dāng)突然停機(jī)管內(nèi)壓力降低時，罐內(nèi)的壓縮空氣膨脹向管內(nèi)注水，減小管內(nèi)壓力減小值；當(dāng)管道中壓力升高時，空氣罐中氣體被壓縮，從而減小管道中壓力的升高值。
3.5合理選擇閥門形式及閥門關(guān)閉時間
閥門的形式不同，在不同開度情況下的損失系數(shù)也不相同。在相同的關(guān)閥條件下，全閉點附近特性變化較均勻的閥門（如蝶閥、針閥等），其壓力上升較小。普通止回閥在關(guān)閉時產(chǎn)生很高的升壓，應(yīng)盡可能的少采用或者不采用。閥門慢慢的開啟和關(guān)閉，可減小流速的變化率，從而可以減小水錘壓力的升高和降低；閥門的開啟和關(guān)閉歷時必要情況下必須通過計算機(jī)模擬進(jìn)行水力分析后確定，這種類型的設(shè)備有普通緩閉止回閥、兩階段關(guān)閉蝶閥、多功能水泵控制閥等。
4.工程實例
以柳州市古嘗河原水輸水工程為例，著重分析長距離重力流輸水管道關(guān)閥水錘的保護(hù)措施。工程總設(shè)計規(guī)模為42.6萬m3/d；管道設(shè)計工作壓力為1.0MPa；管道線路總長度為50.650km。以末端閥門在10s內(nèi)勻速關(guān)閉（速閉），末端閥門在250s內(nèi)分兩階段關(guān)閉（前100s相對快速關(guān)閉80%；后150s內(nèi)緩慢關(guān)閉另外的20%）為例，分析不同的閥門關(guān)閉時間對水錘的影響。
5.結(jié)論
通過上述對影響水錘發(fā)生諸多因素的深入分析，可以獲知，在工程設(shè)計中工程師可以通過對設(shè)計流速的合理控制、管道平縱走線的優(yōu)化布置、管材的合理選擇等優(yōu)化設(shè)計從源頭來降低甚至避免發(fā)生水錘危害。并且總結(jié)了一些常用的防護(hù)水錘設(shè)備及操作方法，可以為工程師作為設(shè)計參考。
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