长距离重力输水管道关阀水锤防护措施总结

2019-11-28陈小龙邢红镇陈世洋

建材发展导向 2019年6期

陈小龙李强杨强王珏邢红镇陈世洋

（中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙 410007）

1 背景

随着我国经济和工业的快速发展，人们对水的需求与日俱增，为解决日趋尖锐的用水供需矛盾，长距离管道输水工程受到人们越来越多的重视。但是由于输水管道中非稳态下水流变化的不确定性，长距离输水管道工程存在很大的安全隐患，其中水锤是最常见也是危害最大的隐患。因此，为了保证在长距离输水系统工程中安全运行，避免系统中发生剧烈的瞬变流现象而导致严重水锤事故，采取经济合理、安全可靠的水锤防护措施变得非常重要，实际工程也急需这方面的技术。

2 长距离重力输水管道系统的特点

在长距离输水工程中，在条件允许的情况下，经常利用天然地形高差依靠重力输水。重力流输水从水力学角度上一般分为两大类：无压流明渠输水和承压流管道输水。无压流明渠输水在流态上和天然江河、明沟一般，水流由高向低流，由于水流没有压力，水流坡度与地形坡度相等。重力承压流管道输水在流态上与天然河流、明沟不一样，与水泵加压的管道输水也不同。重力承压流管道输水（以下简称重力输水）是一种非常理想的输水方式，具有节能、省电、投资节约、运行成本低和管理维护简单等优点，此外它还具有以下特点：

（1）重力输水受地形的约束较大，只有当地形满足一定的高差，且地貌情况也比较好的情况才考虑采用重力输水；

（2）重力输水管道一般在输水管道末端或低点承受较高静压，容易发生水锤爆管事故；

（3）重力输水流量和水压的调节幅度较小，水位高差是输水的动力来源，当取水口位置、厂址标高、输水管道管长及管径确定之后，水位高差也确定了。

3 长距离输水管道水锤防护要求及目标

《城镇供水长距离输水（渠）工程技术规程》 CECS 193-2005 第6.1 条对长距离输水管道水锤防护有以下几点要求[1]：

（1）对小口径（DN600 以下）简单输水管道的水锤分析和防护设计，可参考同类工程或根据一般理论和经验等进行；对复杂和高压输水管道应经过非稳定流分析计算，进行水锤防护设计。

（2）中等管径（DN600～DN1200）输水管道的水锤分析和防护设计，应经专门的分析计算后，确定水锤防护措施。

（3）大管径（DN1200 以上）输水管道的水锤分析和防护设计，除专门分析计算外，还应进行适当的验证计算，确定水锤防护措施。在具备条件时，大口径输水管道的水锤防护计算可结合数字模拟技术进行。

（4）水锤防护措施应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3～1.5 倍最大工作压力。对加压输水管道，事故停泵后的水泵反转速度不应大于其额定转速的1.2 倍，超过额定转速的时间不应超过2min。

4 长距离重力输水管道关阀水锤防护措施

长距离重力输水管道关阀水锤常见的防护措施有延长关阀时间、两阶段关阀、空气阀[2]、超压泄压阀和调压水池：

（1）延长关阀时间

关阀时间过短是产生关阀水锤的直接原因，在实际工程，延长关阀时间是最直接也是最简单经济的水锤防护措施。理论上讲，若关阀时间足够长，关阀水锤将被完全消除。虽然延长关阀时间是简单经济的水锤消减措施，但关阀时间过长不利于管道正常维护管理，因此将水锤消减至工程需求，应尽可能的缩短关阀时间，且每种阀门都有其极限关阀时间，关阀时间无法做到无限长。

（2）两阶段关阀

在研究匀速关阀对关阀水锤的消减影响时发现，在匀速关阀的前期（阀门关至80%前），管道沿线压力变化较小；匀速关阀的后期（阀门关至80%后），管道沿线压力急剧变化，尤其是在关阀的最后阶段，压力变化更为剧烈。由此可见，关阀后期是导致关阀水锤的关键因素，因此，为了消减关阀水锤，在不增加整个关阀时间的前提下，采取两阶段关阀，即以较快的速度将阀门关至80%左右，然后在以缓慢的速度将阀门完全关闭。在实际重力输水管道工程中，采用两阶段关阀是非常有效的水锤消减措施。

（3）空气阀

空气阀一般具有进、排气功能，在发生关阀水锤时，在输水管道的膝部点经常产生较大负压，当负压达到水气化极限值（-10m）时，水开始气化，气体聚集在膝部点，产生空腔，进而发生断流弥合水锤。在工程中，为减少管道系统的空腔，一般在管道系统的膝部点或平缓处每隔一段距离设置空气阀，目的在于及时排除管道内的气体，同时也快速吸气减少负压的形成。通过研究发现，在管道高点设置空气阀后，管道负压水锤会有明显的改善，此外空气阀对消减弥合水锤引起的正压水锤也有显著效果。在长距离重力输水管道系统中，合理的设置空气阀，并配合两阶段科学关阀，一般能将关阀水锤消减至满足水锤防护设计要求。

（4）超压泄压阀

超压泄压阀也叫持压泄压阀，泄压保护装置的工作主要依靠对泄压阀滑塞内腔的压力控制，正常输送流体时，滑塞在内腔设定的压力下紧紧的与主阀座贴合，使泄压阀处于正常关闭的状态；当管线发生水锤时，管道内流体压力骤然上升，超过其滑塞内腔所设定的安全控制压力时，在压差的作用下泄压阀打开，开始泄压并报警；当管线压力恢复正常工作压力时，滑塞与阀座紧紧贴合，泄压阀恢复关闭状态，停止泄放，管线恢复正常输送。

超压泄压阀对管线正压水锤和负压水锤消减效果十分明显，且超压泄压阀直径越大，水锤消减效果越好，但泄压阀直径越大，泄流量也越大，水资源浪费越严重，根据《城镇供水长距离输水（渠）工程技术规程》 CECS 193-2005 第

5.3.2 条：超压泄压阀的公称直径宜为主管道直径的1/5～1/4，或经水力计算。

在实际长距离重力输水管道工程中，超压泄压阀应用较少，这是因为超压泄压阀在水锤防护中对泄压阀的灵敏度有较高要求，发生水锤时，若泄压阀泄压动作滞后，则对断流弥合水锤几乎没有消减作用。

（5）调压水池

在长距离输水管道系统中，系统最大静压一般较高，有的甚至达到几百米，若不采取合理的水锤防护措施，当发生正压水锤时，管道承受的瞬时压力可能达到最大静压的几倍，大大增加管道爆管的风险。调压水池，也叫稳压水池，最直接的作用是消减管道系统静压，此外在管道系统中适当的位置设置调压水池，可以将长距离输水管道划分为相对独立的极端较短的输水管道，从而增加了管道运行的安全性。但是不是所有的长距离重力输水管道系统中都能设置调压水池，它具有一定的局限性，设置调压水池的场地标高低于且接近正常工作水头线，此外建设调压水池成本较高，所以设置调压水池应经过技术经济比较后再确定是否设置。