管道工程设计中的水锤分析及应对策略

1.水锤的危害

水锤的危害主要有以下几种形式：（1）由于水锤的产生，使得管道中压力急剧增大至超过正常压力的几倍甚至十几倍（正水锤），其危害很大，会引起水泵、阀门和管道破坏；或水锤压力过低时（负水锤），应力交替变化，会引起管道和设备振动，管道因失稳而破坏。发生负水锤时，管中产生不利的真空，造成水柱断流，和再次结合形成的弥合水锤，对管道破坏更为严重。（2）水泵及阀门的启闭、运行工况改变及其事故紧急停机等动态过渡过程造成的输水管道内压力急剧变化和水锤作用等，常常导致泵房和机组产生振动。（3）水泵反转速度过高或与水泵机组的临界转速相重合，以及突然停止反转过程或电动机再启动，从而引起电动机转子的永久变形，水泵机组的剧烈震动和联结轴的断裂。（4）水泵倒流量过大，引起管网压力下降，水量减小，影响正常供水。

2.影响水锤的因素

2.1管道流速

管道流速越低对于防止水锤发生越有利。管道流速越低，水流惯性越小，速度的微分变化率就越低，从而降低水锤升压和降压。流量相同时，管径越大，流速越低，但投资费用越高。在短距离输水管道系统中，可以选用较大的管径来获得较低的流速以达到控制瞬变压力。而长距离输水管道系统，管径应从投资成本及运营成本综合考虑，一般需要设置水锤防护设备。

2.2管道平、纵布置

通常管道的纵向布置需要与现状地面高程相匹配。在管道系统中较高的节点是容易产生负压甚至由于压力降低使管道内的水汽化形成水柱分离，当水柱再次弥合时会产生很大的水压冲击，造成严重危害。所以对于管道系统，最理想的情况是通过改变管道平、纵（可以加大局部管道埋深，降低管道高程，可以有效降低节点高程）布置，可以避免管道内空气的积累或形成负压。

2.3管道材料

当流量快速降低时，压力传递速度对于瞬变作用非常重要；较软的管道材料压力传递速度比较硬的管道小。所以使用能够抵抗水力冲击的软管，对于消除水锤非常有效。这也是预应力钢筒混凝土管和球墨铸铁管被广泛用于长距离输水管道工程中的原因。

2.4管道固定方式

架空管道比埋地管道更容易受到水锤破坏，这是因为埋地管道的管道基础及覆土为其提供了额外的力量以阻止管道的变形和管道的结构性毁坏。而架空管道则必须加固，才能抵抗本身存在的和水力瞬变产生的应力。

2.5事故停电及误操作

停泵水锤多数是由于事故停电及误操作造成的，由于管路系统水流速度突然急剧变化，产生较大的水锤压力波动，有时可达到工作压力的数倍，将会对系统造成重大破坏性事故。

2.6水泵转动惯量

转动惯量反映转动刚体的惯性大小，它是刚体绕定轴转动时惯性的度量，如同刚体做平动时质量是其惯性的度量一样[2]。刚体内各质点的质量与它们到转轴距离平方的乘积之总和，称为刚体对转轴的转动惯量。而刚体的转动惯量与角向加速度的乘积等于作用在刚体上的所有外力对转轴之矩的代数和。由此可知，在转矩一定的情况下，转动惯量越大的刚体所获得的角向加速度越小，即越不容易使刚体转动或改变它的转动状态；而转动惯量越小的刚体所获得的角向加速度越大，即越容易使刚体转动或改变它的转动状态。因此，增大水泵机组的转动惯量可以使水泵断电后转速下降的速率减小，这在停泵水锤防护中是具有积极意义的。

3.工程上常用的防护措施

上述对影响水锤发生的诸多因素进行了翔实的分析，知道可以通过设计中对设计流速的合理控制、管道平纵走线的合理布置、管材的合理选择以及对系统的正确操作过程降低甚至避免产生水锤危害。下面再介绍些工程上常用的防护水锤设备及操作方法。

3.1空气阀

长距离输水管道在开始通水、停止通水、流量调节及事故停泵的不同工况下，需要将管内空气排出或者将管外空气补充至管内，保证管道系统压力稳定。针对空气阀的不同作用，空气阀主要分为以下几类：（1）空气（真空）阀空气（真空）阀是在低压下运行，大量进气或者排气的阀门。主要作用是空管道通水时及时排除管内空气，以免产生气阻而引发启泵水锤；管道发生水锤事故产生负压时，能够及时补充空气，避免负压过大产生水柱分离。这种阀门的特点是进排气孔大，一般与阀门公称直径相同或者略小，但当系统有压运行时，保持关闭状态。（2）排气阀排气阀是在管道系统有压运行时，自动排放管道沿线某些较高位置聚集的小团空气的流体力学设备。排气不畅会造成通水困难、水阻增大、流量达不到设计值甚至造成运行期间爆管。因此排除管道系统有压运行中产生的微量气体至关重要，排气阀就是为解决这个问题而产生。与空气（真空）阀门相比，该类型阀门进排气口很小，因其通气孔很小，所以尽管在进气的时候也起到作用，但一般不考虑它的进气效果。（3）组合式空气阀组合式空气阀既能够完成低压进排气的功能，又可以在有压工况时将少量的析出气体排出，兼具空气（真空）阀门和排气阀两种功能。

3.2增大水泵机组转动惯量

通过3.1.6对水泵机组转动惯量的分析可知，水泵机组转子的转动惯量越大，其转子的角向加速度就越小，即机组转速降低的速率越慢，转速下降速率就越小，使机组的正常水泵工况历时延长。机组事故停泵后，水泵继续在惯性作用下以缓慢降低的速率继续向管路系统中供水，减小了管路中发生水柱分离的危险性，避免了水压和水流速度的急剧降低，能够有效地降低停泵水锤的危害。3.3安全泄压阀安全泄压阀一般设置在水泵附近，是否需要设置超压泄压阀以及在何处设置超压泄压阀，需经计算机模拟分析计算。超压泄压阀的公称直径宜为主管道直径的1/5～1/4，或经水力计算确定。超压泄压阀的主要作用是当管道中发生水力瞬变流时，当某点的压力过高时，在此点的超压泄压阀自动打开，泄流掉一定流量，维持管道在此点的压力，保持管道在此点的压力，当压力降到安全值后，泄压阀再自动关闭。

3.4空气罐

空气罐是一种内部充有压缩空气的金属水罐，其顶部为空气，下部为水，一般安装于水泵出口附近的压力管道上。当突然停机管内压力降低时，罐内的压缩空气膨胀向管内注水，减小管内压力减小值；当管道中压力升高时，空气罐中气体被压缩，从而减小管道中压力的升高值。

3.5合理选择阀门形式及阀门关闭时间

阀门的形式不同，在不同开度情况下的损失系数也不相同。在相同的关阀条件下，全闭点附近特性变化较均匀的阀门（如蝶阀、针阀等），其压力上升较小。普通止回阀在关闭时产生很高的升压，应尽可能的少采用或者不采用。阀门慢慢的开启和关闭，可减小流速的变化率，从而可以减小水锤压力的升高和降低；阀门的开启和关闭历时必要情况下必须通过计算机模拟进行水力分析后确定，这种类型的设备有普通缓闭止回阀、两阶段关闭蝶阀、多功能水泵控制阀等。

4.工程实例

以柳州市古尝河原水输水工程为例，着重分析长距离重力流输水管道关阀水锤的保护措施。工程总设计规模为42.6万m3/d；管道设计工作压力为1.0MPa；管道线路总长度为50.650km。以末端阀门在10s内匀速关闭（速闭），末端阀门在250s内分两阶段关闭（前100s相对快速关闭80%；后150s内缓慢关闭另外的20%）为例，分析不同的阀门关闭时间对水锤的影响。

5.结论

通过上述对影响水锤发生诸多因素的深入分析，可以获知，在工程设计中工程师可以通过对设计流速的合理控制、管道平纵走线的优化布置、管材的合理选择等优化设计从源头来降低甚至避免发生水锤危害。并且总结了一些常用的防护水锤设备及操作方法，可以为工程师作为设计参考。

作者：张文胜 孙巍 单位：中国市政工程中南设计研究总院有限公司