陵水抗旱提水泵站工程输水管道水锤压力计算
2022-07-14李清晏巢敬国
李清晏，巢敬国
（1.涟源市水利局，湖南 娄底 417100；2.湖南旺巢环境工程有限公司，湖南 岳阳 414414）
1 1 #泵站工程水锤压力计算
1.1 输水管道管径复核计算
1#泵站设计装机3台，总装机1 200 kW，初选水泵型号为SN500-M9-648型，单机最小流量1 164 m3/h(0.232 2 m3/s)，最高扬程63.00 m；额定流量1 939 m3/h(0.538 7 m3/s)，额定扬程55.00 m；最大流量2 327m3/h(0.646 4 m3/s)，最低扬程49.00 m。本站设计单机流量2 160 m3/h(0.60 m3/s)，设计扬程50.00 m(其中净扬程HO=45.80 m)；泵站设计灌溉需水流量为1.20 m3/s，按需水高峰期1天24 h连续运行考虑，管径选择按经济流速方法选取，计算如下：
式中 D——输水管内径（m）；
Q设——泵站设计流量，本工程取Q设=1.20m3/s；
V——管道经济水流速度，一般取1.00～2.50 m/s。
1.2 输水管道水锤压力计算
1）水锤压力上升值复核计算
式中 △H——压力水锤上升值（m）；
L总——压力输水管总长度；本站输水压力主管(上水管)长度取L=316 m；
g——重力加速度（9.81 m/s）；
Ts——阀门关闭时间(一般阀门关闭时间3～10s，本站取T s=3 s至全关)；
Vo——管内经济流速，Vo=Q/πR2=1.20/(π×0.452）=1.89 m/s，V值一般为1.0～2.5 m/s。
当压力主管阀门关闭瞬间，管内将产生水锤压力上升，此时压力主管的末端流量输出为零，则V1=0.0/(π×0.45×0.45)=0.0 m/s。
2）水锤波传播速度（α）计算
3）水锤压力上升值复核计算
由此可知：当假设Ts=3 s时。则Ts=3 s＞Tr=0.632 s将产生间接水锤。
4）最大水锤压力升高值率
h′max=（H0＋△H）/H0=（45.8＋40.59）/45.8=1.886
另判别间接水锤属相范围的两个特性常数值ρ和σ的计算如下：
根据ρ和σ两个特性常数值查图，水锤压力发生属末相水锤范围：即Z末＞Z1，
并依据ρ=2.10和τ=4.75 s再查水锤压力升高值h′max图可得知：h′max=1.58。
5）输水主管壁厚计算
本站初拟输水压力主管采用球墨铸管（K9型/1.60 MPa），内径D=900 mm，暂按内水压力产生的环向应力来计算主管壁厚。
①按最大水锤压力升高值89%考虑计算主管壁厚δ时：
②输水主管从1#镇墩处至出水池末端管壁厚计算：
同前述计算公式，若按水锤压力上升值58%考虑计算主管壁厚δ，则可得知：
1.3 输水主管管型材质选择
输水主管距离不远，全长316 m，但地形起伏较大，管道要求公称压力大，管材既可选用安装方便、强度大的DN900 mm无缝钢管（或螺旋钢管），也可采用K9型1.60 MPa球墨铸铁管，通过上述计算得知，输水主管壁厚应大于8.0 mm以上，根据具体情况和技术要求，综合考虑输水主管选择如下：
1）当输水主管采用球墨铸管时，可选用K9型1.60MPa球墨铸铁管，取标准管径DN900×12.6mm，1.60MPa球墨铸铁管，单根管长6000mm，单根管重约1700kg。球墨铸铁管的优点是不生锈、耐腐蚀、刚性强。
2）当输水主管采用钢管时，根据《泵站设计规范》要求，钢管壁厚e应大于D/130=6.92 mm，考虑管道的压力等级以及大部分管道均为埋地管或涵洞内潮湿环境，可选用DN900 mm无缝钢管(或螺旋钢管)，取标准管径DN900 mm×9.0 mm(或Φ920 mm×9.0 mm，202.20 kg/m)，单根管长9 000 mm以上。
这样选用的输水压力管可满足该泵站工程的经济技术要求。
2 2 #泵站工程水锤压力计算
2.1 输水管道管径复核计算
2#泵站设计装机3台，总装机555 kW，初选水泵型号为SN300-M9-445型，单机最小流量474 m3/h（0.131 7 m3/s），最高扬程68.00 m；额定流量790 m3/h（0.22 m3/s），额定扬程61.00 m；最大流量972 m3/h（0.27 m3/s），最低扬程53.00 m。本站单机设计流量792 m3/h（0.22 m3/s），设计扬程60.00 m（其中净扬程HO=52.50 m）；泵站设计灌溉需水流量为0.60 m3/s，按需水高峰期24 h/d连续运行考虑，管径选择按经济流速方法选取，计算如下：
式中 D——输水管内径（m）；
Q设——泵站设计流量，本工程取Q设=0.60 m3/s；
V——管道经济水流速度，一般取1.00～2.50 m/s，本站为2.123 m/s。
2.2输水管道水锤压力计算
1）水锤压力上升值复核计算
式中△H——压力水锤上升值（m）；
L总——压力输水管总长度；本站输水主管(上水管)长度L总=2 438 m。
g——重力加速度（9.81 m/s）；
Ts——阀门关闭时间(一般阀门关闭时间3～10 s，本站取Ts=5 s至全关)；
Vo——管内经济流速，Vo=Q/πR2=0.60/(π×0.302）=2.123 m/s，V值一般为1.0～2.5 m/s。
当压力主管阀门关闭瞬间，管内将产生水锤压力上升，此时压力主管的末端流量输出为0，则V1=0.0/(π×0.30×0.30)=0.0 m/s。
2）水锤波传播速度（α）计算
3）水锤压力上升值复核计算
由此可知：当假设Ts=5 s时。则Ts=5 s＞Tr=4.876 s将产生间接水锤。
4）最大水锤压力升高值率
h′max=（H0＋△H）/H0=（52.5＋211.05）/52.5=5.02
另判别间接水锤属相范围的两个特性常数值ρ和σ的计算如下：
根据ρ和σ两个特性常数值查图，水锤压力发生属末相水锤范围：即Z末＞Z1，
并依据ρ=2.06和τ=1.025 s再查h′max的水锤压力升高值图可得知：h′max=2.20。
5）压力主管壁厚计算
本站初拟输水主管采用球墨铸管（K13型/2.50 MPa），内径D=600 mm，暂按内水压力产生的环向应力来计算主管壁厚。
①按最大水锤压力升高值402%考虑计算主管壁厚δ时：
②压力主管从1#镇墩处至出水池末端管壁厚计算：
同前述计算公式，若按水锤压力上升值220%考虑计算主管壁厚δ，则可得知：
2.3 输水主管管型材质选择
输水管道距离较远，全长2 438 m，地形起伏较大，管道要求公称压力大，同前所述：管材既可选择安装方便、强度大的DN600 mm无缝钢管（或螺旋钢管），也可采用球墨铸管（K13型/2.50 MPa），通过上述计算得知，输水压力主管壁厚应大于13.0 mm以上，根据具体情况和技术要求，综合考虑输水压力主管选择如下：
1）当主管采用球墨铸管时，选用K13型2.50 MPa球墨铸铁管，下段管道取标准管径DN600×14.3 mm，2.50 MPa球墨铸铁管，单根管长6 000 mm，单根管重约1 300 kg,长度1 438 m；上段管道取标准管径DN600×9.9 mm，1.60 MPa球墨铸铁管，单根管长6 000 mm，单根管重约882 kg，长度1 000 m；共计2 438 m。球墨铸铁管的优点是不生锈、耐腐蚀、刚性强。
2）当主管采用钢管时，根据《泵站设计规范》要求，钢管壁厚e应大于D/130=4.62 mm，考虑管道的压力等级以及大部分管道均为埋地管或涵洞内潮湿环境，可选用DN600 mm无缝钢管(或螺旋钢管)，下段管道取标准管径DN630×12.0 mm，单根管长9 000 mm以上，单位重182.90 kg/m，长度1 438 m；上段管道取标准管径DN630×9.0 mm，单根管长9 000 mm以上，单位重137.83 kg/m，长度1 000 m；共计2 438 m。
3 结 论
2#泵站通过输水管道水锤压力升高值的计算可知：2#泵站输水管道距离远，全长2 438 m，又因管径小，管内流速大，要求公称压力大，水锤压力升高值高达4.02倍净扬程，将会给泵站机组设备和输水管道运行等带来极大的安全隐患，为此，建议在输水压力管道的中部（适宜的高度处）增设缓冲逆止减压阀，或在泵站汇聚水管处增设持压/泄压阀等，只有采取这样的防范措施，才能消除输水压力管道中的水锤压力升高值，以确保泵站机组设备的运行安全。
