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，使流速發生突然變化，同時壓強產生大幅度波動的現象。長距離輸水工程應進行必要的水錘分析計算，并對管路系統采取水錘綜合防護計算，根據管道縱向布置、管徑、設計水量、功能要求，確定空氣閥的數量、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。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，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水利撞擊現象稱為水錘現象。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，即是產生水錘的根本原因。只要水的流速發生變化，系統壓力必然發生變化。 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： 減緩水在系統中的流速變化，降低機械波的傳遞速度。系統中因事故工況而產生的壓力變化就會減弱，水錘就 得到控制。 停泵水錘的特點：在供水系統中，工程人員廠遇到的水錘工程狂是所謂“停泵水錘“。可能出現的工況為：

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.系統突然停電。

    由于水泵的突然關停，水泵之后的管道內，會出現壓力下降。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)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，會繼續返回，在管道中進行阻尼振蕩，慢慢平穩在靜水壓線上。 如果在開始的壓力下降中，壓力下降至負10m左右時，水會出現冷沸現象。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水，壓力會集聚升高，便是常說的水柱彌合現象。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到控制，否則會產生正向水錘，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。 氣泡的形態主要取決于管道內流速以及管道的粗糙系數。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的防護措施,對提高壓力管道的設計水平、降低工程投資、確保系統安全運行具有十分重要的意義[1]。在長壓力管道輸水系統中,閘閥的啟閉將造成管道中流速和壓力的突變。