市政输配管网水锤现象与防护

2018-05-16习兴梅

建材与装饰 2018年19期

李倩习兴梅

1 引言

给水工程是城市建设中的重要组成部分，而供水管线的布设是市政给水工程中耗资最大的一部分，管线投资往往占总投资的60%左右，必须保证供水管线安全稳定运行，才能确保人民群众的正常生产生活不受影响。而水锤就是最常见的会危害输配管网安全运行的现象，特别是当输配管网铺设距离长、落差大、水流快、结构复杂时，水锤现象会更加明显地给整个给水系统带来危害。在现实生活中，已发生过多起因水锤现象导致的事故，这些事故往往会损坏输配管网中的设备，甚至导致连锁反应或危害人身安全。因此了解水锤现象产生的原因，掌握水锤的发展规律，预测水锤的产生并采取科学合理的防护措施防止水锤的出现，对于保障市政输配管网的安全运行及人民群众的正常生活有着极为重要的意义。

2 水锤现象产生的原因

水锤现象是一种形象的称呼，当输水管道中的水的流速突然改变时，管道内会的水压也会随之升高或降低，这种压力的变化会以振荡波的形式在管道内传播，其能量依靠水流与管壁的碰撞来消纳，由于这一过程产生的能量极大，因此水流就会与输水管道产生剧烈碰撞，严重威胁输配网管的安全运行。

既然水锤现象是因为水流与管道的相互作用形成的，那么根据市政输配管网的特性及经验分析，可以得出市政输配管网中水锤现象的产生主要有以下两个方面的原因：

（1）水流的变化：当安全阀由关闭突然变为开启状态时，管道内水流的压力降低；振动波在水流中的传播；汽蚀现象的产生导致水流不稳定；管道内部混入气体或有气体排出。

（2）输水管道的变化：管道阀门突然关闭或开启；输水管道因其他原因出现破损、凹陷、堵塞；水泵的突然开启或关闭；与管道相连接的消防栓突然开启或关闭。

3 水锤现象对市政输配管网的影响

上文提到，水锤的产生会严重危害管道的安全，具体影响有以下几点：

（1）管道内压力的突然增大或减小极大地考验了管道的承受能力，当压差过大时，可能会在管道内产生气泡，水流会高速冲向气泡，形成汽蚀，严重的还会导致管道崩塌或爆开。当管道原本存在较小的破损情况时，压力的瞬间变小可能会使地下管道附近的污染物通过管道的破损处进入管道内部，污染管道内的水源。

（2）水锤现象往往伴随着局部水流的高速冲击，这些高速流动的水流会冲击管道内壁，使得管道内附着的各种物质在此作用下从内壁脱落进入水中，污染市政用水，影响人民的正常生产生活。

（3）水锤现象发生时必定伴随着振动波的传播，振动波在管道内传播时会在其不平整处产生巨大的应力，造成管道间接口处发生移动，在应力的反复作用下，可能会导致输配水管道及其附属设备严重破损、泄漏和损坏，无法继续使用。

（4）管道内流体的压力变化可能会使管道内（尤其是凸起部位）的水流汽化，形成蒸汽腔，产生水柱分离现象。此时若蒸汽腔被附近的水流迅速填充，则会产生巨大的瞬时压力，可能会导致管道变形甚至出现爆管。

4 水锤的防护措施

4.1 水锤的理论分析

为了采取措施对水锤进行防护，首先应对水锤理论进行分析，管道内压力变化量的计算遵循以下公式：

其中a为振动波波速，g为重力加速度，H为测压管水头，V为管道内流体速度。

当流体在管道内流动时，遵循以下方程：

表1

未作说明的参数含义与上述参数含义相同。

4.2 水锤防护措施

水锤对管道有极大的危害，其防护措施需要从输配管网的设计和运行两方面入手，下面介绍了某地区市政输配管网设计、运行阶段的水锤防护措施。

4.2.1 设计阶段

在市政输配管网的设计阶段，水锤的防护措施应从减小管道内水流速度、水压入手，该工程采取的防护措施有以下几种：

（1）设置调压塔：调压塔由水箱、注水管、满水管组成，单向调压塔可以防止负压的产生，双向调压塔既可以防止负压的产生，也可以防止正压的产生。该地区在设计阶段选用了双向调压塔，可以避免输水管道内压力的大幅度升高或降低，从而消除断流弥合水锤。

（2）设置空气阀：空气阀可以水柱分离现象出现时从外界吸收空气，防止真空环境的形成，弱化水柱分离现象；当水柱复合时关闭主气孔，打开小气孔，防止气体快速大量排出，减缓水柱复合速度的同时使气体从小气孔缓慢排出，防止管内长时间充斥气体。

（3）设置空气罐：空气罐内部充有压缩空气，当管内压力发生突变时，空气罐内的压缩气体可以有效吸收并释放水锤产生的能量，该地区在设计阶段选择了气囊式空气罐，该类型的空气罐可以有效防止压缩空气进入管道内部，可以延长充气周期，减少维护工作。

（4）安装止回阀：止回阀只允许流体沿一个方向流动，防止流体向反方向流动，为了减弱某些操作造成的高压水锤，该工程采用缓闭止回阀，允许流体在管道内局部反方向流动。

（5）设置进排气阀：该地区输配管网中的输水管道坡度为0.08%，根据管路情况，通过计算确定实际施工时每个进排气阀间距为0.6km。

4.2.2 运行阶段

除了设计阶段，在市政输配管网建成后，运检部门也必须遵循相关规定进行各种操作，最大程度降低水锤发生的几率，保护输配管网的安全运行，运行阶段主要从以下三个方面进行水锤防护：

（1）开关阀：在运行中需要对开关阀进行操作时，应注意操作速度，尽量缓慢地开启或闭合阀门，防止管内压力发生突变，避免水锤现象的产生。

（2）启泵时的防护：为了避免启泵时的压力突变，在启泵前要确保管道内的气体已经全部排出。在进行启泵操作时严格遵循以下原则：①启泵前保证除水泵出口阀门处于开启状态；②启泵时如果管道内没有流体，应逐个启泵，严禁短时间内大量启泵。

（3）停泵时防护：停泵应确保水泵出口阀门处于关闭状态，该地区部分装设了离心泵，对于离心泵，停泵时不必关紧阀门，但要保证关闭至70%以上再进行停泵操作。

对该地区市政输配管网进行水锤防护试验，在最不利工况下进行测试，因管网瞬时状态时某上游输水管道承受压力最大，因此选择该地段进行监测。该地段装设了空气罐及进排气阀，测试结果如下图，根据结果可以判断，该地段管道不存在过压情况，水锤引起的压力升高最大值在30m水柱左右，对输配管网整体安全运行无威胁，可以有效保证市政给水系统的安全运行。