大管径输水管路的水锤灾害形成原因和防治分析

摘要：分析长距离大管径管道输水中水锤产生的原因及其危害，提出预防水锤产生的措施，为保障输水管道正常运行，减少经济损失。

关键词：大管径输水；水锤灾害；原因；防治措施

1.沧州引大入港输水工程概况

沧州引大入港输水工程是从沧州大浪淀水库引水，经多级泵站加压，向大港油田采油三厂、黄骅市、渤海新区供水的管道给水工程，管道全长170千米。

2.水锤的危害及产生原因

管道系统防护的重要内容之一就是防止水锤的出现。在长距离输水管道中，由于某些外界原因流速变化经常出现。管道中流速变化使管道中水的压力升高或降低，在压力低于水的汽化压力时，水柱就被拉断，出现断流空腔。在空腔处的水流弥合时将产生强烈的撞击，管道中的水升压，形成水锤。水锤有启动水锤、关闭水锤、停泵水锤。一般启动水锤不大，只是真空情况下，管中空气不能排出而被压缩时才会加剧水位压力的变化；关闭水锤在正常操作时不会引起过大的水锤压力；突然停电或事故停泵所产生的水锤往往较大，水锤压力值可达到工作压力的1.5～3.0倍。

2.1 水锤产生的原因

水锤产生主要有以下几个原因：阀门突然开启或关闭；水泵机组突然停车或开启；单管向高处输水（供水地形高差超过20 m）；水泵总扬程（或工作压力）大；输水管道中水流速度过大；输水管道过长，且地形变化大。

2.2 水锤的危害

水锤引起压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至几十倍。这种大幅度的压强波动，造成的危害有：引起管道强烈振动，管道接头断开，破坏阀门，严重的造成管道爆管，供水管网压力降低，不能正常供水；引起水泵反转，破坏泵房内设备或管道，严重的造成泵房淹没；造成人身伤亡等重大事故，影响生产和生活。

3.水锤的预防措施

一般采取技术工程措施加以防护，在水泵出口处设置水锤消除器、缓闭止回阀、安全阀、超压泄压阀等形式以防止水锤危害。

3.1 开（关）阀水锤

开关水锤有直接水锤和间接水锤，延长开阀和关阀的时间，可避免产生直接水锤；离心泵、混流泵应在阀门关至15%～30%时而不是全关时停泵，这样可以降低水泵出口压力，防止水泵振动及延长阀门使用寿命。对于轴流泵在泵出口一般不设阀门。

3.2 启泵水锤

排除管道空气，使管道充满水后再开启水泵。凡是长距离输水管道的隆起处各点应设置自动排气阀或设置充水设施；当水泵必须在空管启动时，可采用分阶段开阀启泵方式。先将水泵出口阀门打开15%～30%，管道上其余阀门全部开启，然后启动水泵。待管道充满水后再将水泵出水口阀门全开或开到所需的角度。对设有止回阀的水泵来讲，在止回阀前设自动排气阀，在止回处设旁通阀。事故停泵后，应待止回阀后管道充满水再启动水泵。启泵时水泵出口阀门不要全开，否则会产生很大的水冲击。据资料分析，国内曾有几个泵站的重大水锤事故多在这种情况下产生。

3.3 停泵水锤

给水管中的水在断电后最初瞬间，主要靠惯性以逐渐减慢的速度继续向水池方向流动，然后流速降到零。管道中的水在重力水头作用下，又开始向水泵倒流，速度由零逐渐增大。由于管道中水的流速变化，从而引起停泵水锤现象的发生。

采取以下措施， 可防止停泵水锤的发生。

（1）降低输水流速。降低输水管道的流速，增加管道直径、壁厚，可在一定程度上降低水锤压力。（2）改换电动机惯性。选用转动惯量较大的电动机或加装有足够惯性的飞轮，可在一定程度上降低水锤值。（3）合理管线布置。输水管线布置时，减少管路布置的陡峭度，尽量布置平缓管路，尽量避免出现峰点或坡度剧变，在管路中各峰点安装可靠的排气阀，避免产生弥合水锤。（4）选用合理水泵扬程。通过水锤计算，停泵水锤的大小主要与泵房的几何扬程有关。几何扬程愈高，停泵水锤值也愈大。因此，应根据当地实际情况选用合理的水泵扬程。（5）缩减输水管理长度。管线愈长，停泵水锤值愈大。由1个泵站变2个泵站，用吸水井把2个泵站衔接起来。（6）取消止回阀。停泵水锤产生主要是出水管道止回阀关闭过快引起。因此，取消止回阀可以消除停泵的危害，并且可以减少水头损失，节约能耗。目前，经过一些大城市的试验，认为1级泵房可以取消，二级泵房不易取消；取消止回阀时应进行停泵水锤压力计算。（7）缓闭止回阀。在大口径的水泵出水管上安装缓闭止回阀、微闭蝶阀，可有效消除停泵水锤。但因阀门动作时有一定的水量倒流，吸水井须有溢流管。缓闭止回阀有重锤式和蓄能式2种，这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。需要注意的是，当管路中存在峰点而发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限。（8）安装水锤消除器。紧靠止回阀并在其下游安装水锤消除器。管道中的水锤压力通过开启水锤消除器泄掉，即利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作，即当管道中的压力低于设定保护值时，排水口会自动打开放水泄压，以平衡局部管道的压力，防止水锤对设备和管道的冲击。通常用的水锤消除器有下开式停泵直接水锤消除器、自动复位水锤消除器、自动复位的下开式水锤消除器、气囊式水锤消除器4种。某些水锤消除器无自动复位功能，容易因操作失误导致发生水锤。（9）安装泄压保护阀。该设备可安装在管道的任何位置，其和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。（10）采用水力控制阀。一种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。（11）设置双向调压塔。在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的水面高度应高于输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效避免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。（12）设置单向调压塔。在泵站附近或管道的适当位置修建单向调压塔。单向调压塔的高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。此外，单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能会导致发生较大的水锤。（13）安装气压罐。气压罐利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化，气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。（14）采用PLC自动控制系统实行自动控制。因供水管网压力随着工况的变化而不断变化，机泵工频运行时经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏。采用PLC自动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。

4.结论

在长距离输水管道管理中，根据工程的规模、重要性、地形和地质等条件做出综合判断， 认识消除不安全隐患，预防供水事故的发生，以达到更好使用效果，使管道正常发挥效益。

参考文献

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