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，機械波(此時即壓力波)在水中傳遞的速度為1450m/s。在實際當中，該波速要小于理論值，它與管道的彈性有關系，管道彈性越強波速則越小。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，波速就越快，反之則波速越慢。
關鍵詞：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算，以便進行泵殼、管道、支墩的強度計算，以及選配管道、閥件，復核管道的穩(wěn)定性，選擇水泵出口閥門型式、關閥程序。后提出幾種防護措施供選擇，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閉、水泵突然停車、驟然啟閉導葉等原因，使流速發(fā)生突然變化，同時壓強產(chǎn)生大幅度波動的現(xiàn)象。長距離輸水工程應進行必要的水錘分析計算，并對管路系統(tǒng)采取水錘綜合防護計算，根據(jù)管道縱向布置、管徑、設計水量、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，管道材質為球墨鑄鐵，壁厚分別為13.5mm和11，7mm，設計流量為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 計算軟件 計算軟件采用美國肯塔基大學SURGE2000軟件。該軟件為*邊界條件全，實踐性強的軟件系統(tǒng)。成功應用于世界各地。

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是按照大設計流量的工程進行計算；

2.我們在選擇空氣閥時遵循了以下原則：進氣量的計算按照水錘的計算條件，僅做參考；微量排氣量的計算按照大設計流量計算；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算結果兩者綜合考慮后，提出的設置方案。
 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，機械波(此時即壓力波)在水中傳遞的速度為1450m/s。在實際當中，該波速要小于理論值，它與管道的彈性有關系，管道彈性越強波速則越小。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，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論： 減緩水在系統(tǒng)中的流速變化，降低機械波的傳遞速度。系統(tǒng)中因事故工況而產(chǎn)生的壓力變化就會減弱，水錘就 得到控制。 停泵水錘的特點：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.試運行時，單泵運行關停水泵引起壓力波動。

b.正常運行時，人為事故停泵，單泵或多泵。

c.系統(tǒng)突然停電。

    由于水泵的突然關停，水泵之后的管道內(nèi)，會出現(xiàn)壓力下降。水錘波會快速向水流相同的方向傳遞。到達終點后(或終點閥門，或者水池，或者管網(wǎng))水錘波會返回，返回的壓力波會使水泵后的管道的壓力升高。壓力波遇到止回閥的阻擋后，會繼續(xù)返回，在管道中進行阻尼振蕩，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10m左右時，水會出現(xiàn)冷沸現(xiàn)象。在實際當中，我們看似水斷流了，水柱被拉斷。當壓力波返回時，該管段處的水由氣迅速轉變成液態(tài)水，壓力會集聚升高，便是常說的水柱彌合現(xiàn)象。這樣的水錘在實際當中破壞性大，被稱為“非常水錘”。

2.2.3 空氣閥的選擇

1.關于空氣充水排氣量的計算：

    首先，空管充水的流速應當?shù)娇刂?，否則會產(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行方式的綜合作用。相對來說，在控制充水速度的同時，利用簡單的公式，幾乎均可以通過手算或者軟件計算出閥門的位置及口徑。

  2. 正常排氣量的復核：

    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；再有，便是一段水，一段氣的流動，這種工況存在時間短，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)空氣泡不會滯留，會被水帶走，因此管線中間或兩個臨近的高點可以不全設安全閥。同時，水流速接近臨界流速，氣泡可能越不離散，而越明顯。 3.爆管進氣量復核： 主要依據(jù)Hazen-Welliams公式進行進氣量復核：

其中：     Qburst-----爆管所需補充流量 S-----管線坡度 D--

       水錘計算及防護是長距離壓力輸水管道設計中的一個重要技術問題。正確分析和計算壓力管道水錘并采取適當?shù)姆雷o措施,對提高壓力管道的設計水平、降低工程投資、確保系統(tǒng)安全運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。