供水管网水锤形成与危害研究

雷鹏

【摘要】水锤是输水管路中由于系统水流的突变而形成的，水锤会引起一系列的压力交替变化，严重的影响到了水泵和管网的安全。论文通过对水锤现象的分析，利用水锤基本方程分析了水锤的危害，最后为预防水锤提供一些建议。

【关键词】给水管；水锤；危害；预防

1、引言

供水管网管道平均压力在0.5-2MPa之间，由于水泵系统负荷有时发生变化（如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷），会导致水泵的突然停止或加速，当水泵流量发生变化的时，管路中的流量Q和流速V均会发生剧烈的变化，由于水属于牛顿流体，其具有一定的惯性，而管道是一个相对密闭的空间，当流速突然发生变化的时候，会使得管路中的压力也发生变化，此时容易产生水锤现象，使得管路中的压力超过2 MPa，供水管网容易出现爆管或者管道借口破裂的现象。

水锤是破坏水泵和管道的重要因素之一，对泵的零配件和管道周围会产生极大的冲击波，导致管道明漏和暗漏的流量增加，浪费水资源，危害到饮水安全。分析水-管网系统中水锤的形成机制、危害与防治做事，对于保证饮水安全有着十分重要的意义。

2、水锤现象的形成机制解析

2.1 水锤现象与特性

在供水管网输水过程中，由于停电或者检修等原因，有时候会突然关闭水泵，由于水流具有一定的惯性，进入管网的水流速度会有一定的突变，水流的突变会导致管内压力瞬间增加，而这种变化是交替波动的，这种现象称为水锤，其变化量计算公式为：

△H=（a/g）△V

其中，△H—压力水头增量；a—水锤的传播速度；g—重力加速度；△V— 速度的变化量。通过以往的经验发现，水锤的压力大约在3.5MPa左右，因此如果在年久失修的管路中，很容易导致事故的发生，导致水管破裂、尾气管气蚀发生，水泵运行产生剧烈振动、管网稳定性和安全性急剧下降。

我们可以把水锤的特性归结为以下几个方面：（1）水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力，即当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。（2）由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。（3）水击波传播过程中，在外部条件发生变化处（即边界处）均要发生波的反射。其反射特性（指反射波的數值及方向）决定于边界处的物理特性。

导致水锤产生的主要由于由以下几个：（1）阀门瞬间启闭；（2）水泵机组突然停止或者开启；（3）单独的管道向高地输水（高差大于20m）；（4）水泵扬尘H较大；（5）输配上管路流速过大；（6）阀门没有设置排气阀。

2.2 水锤基本方程

水锤现象的物理本质是属于牛顿二定律的范围。因此可依据水流的连续性方程和动量方程导出水锤的基本方程：

方程（5）和（6）称为水锤基本方程。F、f称为任意波函数。其量纲与水头H量纲相同，故可视为压力波。F是以速度c沿x轴负方向，向上游传播的水击波，称为逆流波，它是所有逆流波的总和；同理，以速度c度c沿x轴正方向，向下游传播的水击波，称为顺流波，它是所有顺流波的总和。这两个波的性质是 t 和x的组合不变，函数值不变。

因为波函数f=0，所以方程（5）和（6）联立消去F，可得直接水击的计算公式（7）：

从上式可看出：（1）关闭阀门，流速减小，水锤压力为正，发生正水锤；（2）开启阀门，流速增大，水锤压力为负，发生负水锤；（3）水锤压力仅与流速变化和水击波速有关，而与开度的变化速度、变化规律以及管道长度无关；（4）直接水锤产生的压力是巨大的，在水电站中绝对不允许出现直接水锤。若管中初始流速 V0 =5m/s， 波速 c=1000m/s，g 取10，在丢弃全负荷时若发生直接水锤，ΔH将达500m，因此自来水厂中直接水锤是应当绝对避免的。

2.3 管道设计内水压取值

管道所承受的荷载种类非常的多，包括内部荷载和外部荷载，管道内部的设计水压是最复杂的，国内外研究管道压力时，都要对管道的长期压力、瞬时压力（水锤）、极限压力等分别进行研究。

长期压力应该根据工程设计的水流速度、水量、水压等方面进行设计，通过水利模型和实际的测试水压对水力进行计算和分析，绘制出管路的水压线。

管路的瞬时压力是进行非稳定流水利过度过程的分析计算，计算时，水压为正常水压的0.5倍左右。

极限压力是管道能够承受水压的最大压力，高于这个压力管路必然会出现爆管的情况，极限压力就管材、管径的不同而不同。

2.4 水锤的危害

水锤现象对水厂二级泵站压力输水管的危害最大，当阀门瞬时启闭或者水泵突然启闭的时，压力供水管网的起端会形成负压力，当水锤波返回时，压力管道中起始端的压力从负压状态开始回升；而输配水管网中的高压点可能会变为负压电，也是管路产生破坏机制中最为严重的部位；由于水泵停止后，其没有动力，如果水泵的出口不关闭，管道中的流量会很快倒流，使得水泵机组倒转，如果严重时，会导致水泵轴套松动。

据统计表明，大部分的水锤事情都是由于水泵停泵后引起的。水锤现象由于随机性的发生，其具有瞬时性，短暂性，会对工程造成严重的损害，严重时，水泵机组会振坏，管道破裂，轻则会导致水泵机组震动，产生巨大噪声。

2.5 水锤的防护技术

为了减少水锤发生或水锤导致对管网的破坏，论文提出一下的措施：

2.5.1防护设施

设置双向调节塔：双向调节塔通过设置在管道水柱应力较弱的驼峰点，设置的溢流口标高应该高于设计的水位，溢流管道的出口采取相应防止水流冲刷导致的破坏的措施。

设置单向调节塔：单向调节塔可以在输配水管路出现异常压力的时候，将其快速的消除（负压时，可以消除负压；出现水锤时，可以减少水由于水锤产生过高的压力而对管路的破坏）。通常应在调节塔上设置止回阀，即只能允许塔中的水注入管道，而不允许管道中的水涌入水塔中。

2.5.2 防护设备

（1） 设置调节阀：调节阀的形式非常多，要根据不同的情况进行相应的设置。通过调节阀的启闭来控制管道的压力、流速，通过这种方法来干涉水锤的形成，达到水锤消除的效果。

（2）设置两阶段关闭液压可控阀：两阶段关闭液压可控阀在二级水泵启闭时能够自行的启闭，如在事故发生时，其能够自动的关闭至某一角度，其余的角度则以相当慢的速度关闭。这样即使在发生事故时，也能有效的预防水锤的形成。

（3）设置空气罐：空气罐是内部有一定的压力空气的罐子，空气管能够在管路上发生水锤时，使得内部的气囊压缩，为管道起到了缓冲的作用，管路压力下降时，气囊中的空气会快速的向管道中膨胀，有消除水锤的危害。

（4）设置水锤泄放阀：水锤泄放阀是水力式自动控制阀，如果管道中的压力超过了设计值时，水锤泄放阀会快速的开启，当管道中的压力变为正常水平时，该阀又会自动关闭，因此不会产生二次水锤效应。

（5）设置空气阀：空气阀可以消除较长的输水管断流弥合水锤危害。

3、结论与展望

进行水泵站的水锤形成分析、危害及防护措施的研究，认为要防止水锤的形成归根结底还是要管理好水泵的运行。在实践过程中，水锤是必不可免得，此时我们应该做好保护措施，防止水锤对管道的危害。

参考文献：

[1] 秦石明. 高扬程大流量远程输水泵站系统水锤因素分析与防护措施[J]. 华东科技：学术版， 2015（9）：485-485.

[2] 吴栋， 江丽. 核电厂泵站水锤现象的形成与危害分析[J]. 科技与生活， 2010（4）：97-97.

[3] 夏龙兴， 李宗坤. 长距离重力输水管路水锤特性及其防护措施[J]. 中国农村水利水电， 2004（9）：69-71.

[4] 陈湧城. 长距离管道输水工程的安全性及水锤危害防护技术[J]. 给水排水， 2014， 40（3）：1-3.

[5] 马希金， 高永辉. 压力管道工程水锤危害、防护措施及其研究计算方法[J]. 中国水运：学术版， 2007， 7（7）.