某超高层项目水锤问题案例分析

姚岚

一、问题概述

收到某超高层项目在建工地反馈：避难层重力消防系统减压阀后管道在夜间未使用情况下突然爆管；另外地下二层生活水箱补水管调试时水锤严重，造成管道支吊架被拉裂情况。

二、分析概述

收到反馈后，建设单位、顾问团队、施工方、减压阀厂家及设计单位组织了专项会议，并进行了现场踏勘、试验调试和技术分析，设计方针对踏勘及运行调试结果进行了专项分析论证，并出具了分析论证报告，报告结论：

问题一：消防管道爆管问题是由于管网积气严重，产生的水锤造成管道接口松动爆管。主要原因：（1）现场未按图纸在减压阀前后竖管上安装排气阀、地下室管道频繁翻越，且未按设计要求设置排气阀造成系统长期积气产生水锤；（2）减压阀后未设置安全阀，在系统超压后无法及时泄压造成爆管；

问题二：生活水箱补水管处水锤是由于市政自来水水压大，水箱补水管出水水压过大，水箱进水管采用了浮球阀，浮球阀受液面波动造成进水管进水口启闭波动，造成管路压力波动明显，并产生水锤。

三、分析论证

1.避难层消防管路爆管问题

（1）系统概况

本项目1～4号楼±0.00以上的建筑主体采用重力消防系统，高位重力消防水池288m³设置在2号楼屋面，储存全量室内消防用水；1～57层由此屋顶重力消防水池重力供水+减压阀供水；重力水压不足的楼层58～68层为临时系统，由43层避难层转输消防泵房加压供水。消防系统如图1所示。

图1 消防系统分区示意图

图2 接管示意图（A点至水箱进水口管段水锤）

图3 整改措施图示

（2）爆管原因分析

爆管点：出现在2号楼15层减压阀后重力管节点①处（调试过程中有水锤震动），29层减压阀后重力管节点②处（夜间爆管），43层减压阀后重力管节点③处（调试过程中有水锤震动）。

论证分析：①上述的2号楼15F、29F、43F分别为消防重力管减压阀后的X1区、X2区、X3区最高点；与上述楼层同样分区，同样高度的1、3号楼的①②③处以及4号楼的①②处却并未发生震动和水锤。

②本项目正常情况下，管路压力最大可能出现的点在图示地下室的X1、X2、X3分区的④⑤⑥节点，但此处并未出现管道漏损问题。针对上述的各个点位，进行了压力对比分析，如表1所示。

表1 压力测算对比分析表

③通过表1发现：各个点位管道公称压力P3＞P2，P3＞P1；即是：平时工况以及减压阀失效情况下，管道公称压力均满足要求，即便减压阀失效也都不会出现爆款情况；另发生爆管的位置2号楼的①②③处是各个消防分区最高点，是压力最小的点位，反而易出现爆管问题，而同样高度的1、3号楼的①②③处以及4号楼的①②处却并未发生震动和水锤。

初步结论：通过上述1-3条的压力计算分析，可初步得2号楼的①②③处不是因为减压阀失效造成的，这几处刚好位于减压阀后的管段，之前就存在过水锤震动情况；水锤的原因：a.管线内空气未能排出易产生水锤；b.开关阀门过快引起的水锤。而此次爆管发生在夜间系统未动作时，则大概率是此区域积气造成水锤引起爆管。

（3）现场测试

为了佐证上述分析，设计方、建设方、施工方、设备厂家一起的现场调试，发现问题：

①开启2号楼X3区最高点自喷末端放水，开启试水装置后系统少量出水（持续时间1～3秒），停顿2秒后，大量气体从管网冲出，历时约10秒后才开始正常出水；根据此判断：消防管网中混有大量气体。

②现场巡查了2号楼15F、29F、43F的减压阀的①②③处，发现减压阀前后的竖管均未按照设计图纸安装排气阀，在减压阀组后也未安装安全阀。（安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过设计值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体/流体排出管道外，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。如现场安装有安全阀，安全阀可泄压保护后部管网，可避免发生爆管事故。）

③地下室长距离的管道以及管道交叉翻越时候，立管最高处均未按照要求装设排气阀；

④与2号楼爆管同样高度的1、3号楼的①②③处以及4号楼的①②处的高点均设置了排气阀，故无震动问题。

⑤支吊架问题：根据现场工程人员对几次爆管情况描述，爆管均发生在15F、29F、43F的避难层横向管网转弯管件处，设计通过现场巡查发现现场在管道转弯处（爆管处）缺失防晃吊架。

⑥现场调试问题：减压阀调试流程不规范，未按验收规范进行排气、满水等严密性试验及管道、阀件的试压。根据现场技术人员描述：减压阀调试后几天至半月内，减压阀逐渐失效，管道内常有水击现象；由于1号楼、2号楼、3号楼、4号楼以及地下室为两家消防施工单位，调试减压阀时存在未同步放气充水试压等协调问题。造成减压阀调试时与2号楼本身及联通的1、3、4消防管网未放空管网空气，调试完成后整个管网未达到满水状态，存有大量被压缩气体，加之2号楼高点均漏设排气阀，形成的水锤压力传递至减压阀处造成减压阀失效，同时引起管道接口松动爆管。

（4）最终结论

此次2号楼消防管道爆管问题是由于管网积气严重，产生的水锤造成管道接口松动爆管。主要原因：①现场未按图纸在减压阀前后竖管上安装排气阀、地下室管道频繁翻越，且未按设计要求设置排气阀造成系统长期积气产生水锤；②减压阀后未按要求设置安全阀，在系统超压后无法及时泄压造成爆管。

（5）整改办法

①责令施工方按照设计图纸及国家规范要求安装安全阀、排气阀、减压阀组的试水放空管；

②现场根据设计要求增加防晃支架及抗震支吊架；

③组织现场排查，检查管路是否有错接情况；

④请设备厂家协助检查减压阀密闭性和产品质量是否达标；

⑤检查消防管材、阀门、管件压力等级是否按照设计要求执行，不合规的应予以整改；

⑥不同标段消防单位应组织专业调试小组，聘请专业调试顾问公司予以现场指导；对消防系统进行整体排空、充水、排气，重新做严密性试验及管道试压试验；

⑦对管路频繁出现问题的管段可采取水锤防止器等加强措施。

（6）整改后情况

现场根据分析报告及整改通知，对现场上述问题进行了修正及整改，在后续的运行调试中，已无上述水锤震动及积气问题出现。

2.地下生活水箱进水管水锤问题

（1）系统概况

生活水箱位于地下二层，水箱补水管由市政直供，从负一层的市政直供区管段上接管，引至负二层生活水箱间。

（2）水锤原因分析

水锤点：水箱低水位补水时正常，无水锤现象，当水位升至最高水位时，进水管开始发生震动；当抵达最高水位时，发生水锤；水锤出现在水箱补水管从负一层的低区接出管的横管至负二层水箱间的进水管处。

初步分析：水箱补水管出水水压大，水箱浮球阀受液面波动造成进水管进水口启闭波动，造成管路压力波动明显，并产生水锤。

（3）现场测试

为佐证上述分析，进行了现场调试，分别在负一层直供管网水锤处安排工作人员，同时在负二层水箱间安排一组人员，进行补水观测发现：①水箱低水位和常水位补水时无水锤现象，负一层及负二层均未发生水锤现象；②进水管距离浮球阀距离过近，无消能筒措施，进水口进水造成水面波动厉害，进而引起浮球阀晃动；③当水位升至最高水位时，浮球阀随着水位的波动剧烈上下晃动，造成进水口不停地启闭，维持15秒后，负一层现场人员对讲机反馈负一层水锤产生，要求负二层立即关闭进水管阀门；④水锤出现在水箱补水管从负一层的低区接出管的横管至负二层水箱间的进水管处；⑤市政水压测试：在一层门卫室测试水压：0.42MPa（水压较大）。

（4）最终结论

引起水锤原因：①负一层直供管路长距离未设置排气阀，水箱补水管竖管在高点也未装设排气阀，管网积气严重；②由于市政自来水水压较大，水箱进水管处的浮球阀受液面波动影响造成进水管进水口不停的启闭，从而产生水锤。

（5）整改方案

①积气问题：施工方在负一层直供区环网上按照设计说明要求在管网末端、给水竖管高点、管道翻越的高点补充DN25的自动排气阀，避免管网积气；

②水量过大问题：生活水箱补水管由原DN150减少一级至DN100，两座水箱的进水管由原DN100改为DN65，避免水流过大；

③水压过大问题：由于市政水压0.42MPa，水箱进水管处水压高达：0.50MPa左右，故在负一层水箱补水管接出管处增加减压阀组，阀后动压控制在0.10MPa；

④水锤消除：在负二层补水管水表后的横管上加装活塞式水锤消除器，在负一层横管上加装活塞式水锤消除器；

⑤水面波动问题：在水箱进水管口加装消能筒（国标图集01SS105），并将普通浮球阀改为杠杆式液压水位控制阀，以保障供水稳定性；

⑥其他措施：给水管网上按照要求加装防晃支架、弹性支吊架等，在进水管阀件处补充柔性接头等。

（6）整改后情况

施工现场根据分析报告及整改通知，对现场上述问题进行了整改，在后续的运行调试中，已无上述水锤问题出现。

四、结语

本文针对超高层建筑水系统出现的严重水锤案例，综合运用科学理论和技术手段解决问题，具有一定的实践工程指导意义，望能为初学者在咨询和设计工作中提供帮助，践行“精细化、节约化”的设计理念，为客户和社会创造价值。