给水管道水锤成因分析与解决措施探讨

尉建松

（绍兴市水务产业有限公司，浙江绍兴 312000）

一、基本情况

近期某接管小区的二次供水泵房内水箱总进水管段多次出现漏水情况，而且漏水点位置不固定，有时在法兰连接处、有时在橡胶接接缝处，最严重的一次是直接将安装在管道上的过滤器拉裂，引起泵房内积水险情，造成较严重影响。

经过现场排查与仔细分析，基本判定为生活水箱进水浮球阀快速关闭引起了局部支路管道的水锤效应，而长期受水锤压力频繁冲击，导致连接处渗漏甚至开裂引起漏水。

本文将利用魁克（Quiek）法对管道内的压力变化进行理论计算，并与实际检测数据进行比对，从而验证阀门快速启闭引起的水锤效应对管道的影响，为后续采取应对措施提供依据。

二、数据核算

目前常用的水锤计算方法有：解析法、图解法、电算法和简易算法。前三种方法计算结果比较精确，但是计算过程复杂。在只需要掌握粗略结果时，简易算法就比较实用方便。水锤简易计算方法是将大量的水锤图解计算和电算的成果，绘制成各种因素，计算时直接查阅的方法，由于计算简单，可以很快得出水锤过程中各种最不利的参数[1]。

魁克（Quiek）法就是简易计算法的其中一种，该法绘制了末端阀直线关闭情况下的最大压力上升的计算曲线图表，通过查图表法，可以直接得出最大水锤压力上升率。

魁克（Quiek）法曲线图表，选取了ρ（管路常数）为横坐标，最大压力上升率ξ与2ρ的比值为纵坐标，并以无量纲关阀时间θ作为参变量绘制成的等值曲线图表，应用魁克（Quiek）法需要先对水锤特征值进行计算。

1、水锤特征值计算

管道长度L。为方便计算，选取泵房总进水支管为对象进行分析，即图1（市政供水管网图）中的A点与B点长度，和图2（泵房剖面图）中的C点与D点长度之和35.2（m）。

水锤传播速度a。由于管道内输送介质为生活用水，且为满管输送，故参照《给水排水设计手册》第3册（中国建筑工业出版社，2004年第二版）第396页公式5-57进行计算，见式（1）：

式（1）中，a’为声音在水中的传播速度，一般取1435（m/s）。E0为水的弹性系数，E为管壁材料的弹性系数。本例中管道为钢管，查《给水排水设计手册》第3册（中国建筑工业出版社，2004年第二版）第396页表5-38，得出E0/E为0.01。D为管道内径（mm），δ为管壁厚度（mm）。本例中管道是内径为DN150的钢管，壁厚为4.5（mm）。C1为不同壁厚，不同支承方式的参数。本例中，泵房外管道全部采用埋地铺设形式安装，只有泵房内少部份采用法兰连接支架吊装，故C1参照《给水排水设计手册》第3册（中国建筑工业出版社，2004年第二版）第396页公式5-59进行计算，见式（2）：

式（2）中，μ为管壁材料的泊松比，对于钢取0.3，则C1=1-0.32=0.91。

将各参数结果代入公式（1）中：

管路常数ρ。参照《给水排水设计手册》第3册（中国建筑工业出版社，2004年第二版）第397页公式5-68进行计算，见式（4）：

式（4）中，v0、H0分别为阀门状态变更前的管道内稳定流动状态时的流速与压力水头。将现场实测v0=3.05（m/s）和H0=10（m），这二个参数也可以通过文献[2]所介绍的方法计算获得，分别代入公式（4）：

无量纲参数θ。利用魁克（Quiek）简易计算法进行水锤压力计算，除上面4项水锤特征值外，还需要计算无量纲参数θ，见式（6）：

式中，TC为关阀时间，经现场实测关阀时间为0.3～0.5S之间，取多次检测平均值TC=0.4S。L为管道长度35.2（m），a水锤传播速度1257（m/s）。代入公式（6）中：

2、水锤压力计算

查《给水排水设计手册》第3册（中国建筑工业出版社，2004年第二版）第403页图5-122（R.S.Quiek魁克水锤计算图），得出：

得出最大水锤压力水头90.81米。

3、数据校验

计算结果与实际检测结果存在差异，见下图3和图4。分析原因主要为以下三点：

图3 阀门关闭前稳定状态

（1）关阀时间TC对结果影响较大，且因时间较短无法精确计算，导致计算结果与实际检测值存在差异（见表1）。

表1 不同关阀时间TC和管道长度L对计算结果的影响

（2）管道长度L，管道愈长，水锤值愈大。实际应用当中，还应考虑环网、分岔管道因素，均应根据实际情况纳入计算分析对象范畴，本例为便于计算选取了进水支管作为分析对象，故导致结果存在差异（见表1）。

（3）简易计算法是在不计管道水头损失、阀门线性关闭等特定假设工况下的应用方法，所以计算结果与实际存在误差。

图4 阀门关闭瞬态时刻状态

三、解决措施

1、延长关阀时间TC。延长关阀时间是最直接也是最有效的措施。原浮球阀利用电信号通过电磁阀控制主阀体启闭，由于电磁阀动作迅速，且只有开、关二种状态，引起主阀体迅速启闭，从而产生水锤效应。为减弱或避免关阀时间过短引起的水锤效应影响，故调整原控制方式，改为水力浮球控制。随着水箱内液平面逐渐上升，浮球也跟着上浮，缓慢减少流过浮球连接管道内的水流量，使主阀体内上腔压力逐渐上升，从而逐渐关小主阀体直至完全关闭。这样就延长了关阀时间TC，完全避免了水锤效应产生。经过调整后，现场检测水锤效应得到有效抑止，水锤压力水头得到有效控制，达到了预期目的。

2、其它措施。防止水锤效应的其它措施和方法还有很多，如加装水锤消除器、安装水力安全阀、控制管道水流速、安装旁通阀等等。具体采用何种措施，需要根据实际工况环境综合衡量后确定，以确保措施得当、简单有效。

图5 浮球阀控制示意图

四、结论

当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，产生正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，在管道设计建设中都要考虑这一因素。

在实际运行管理过程中，由于运行模式调整、设备维护更换后的特性变化，也会造成局部水锤情况出现，就要求现场人员进行分析，查明问题原因，及时消除隐患，保障安全运行。